提高质子旋进类传感器调谐精度和信噪比的方法及系统与流程

本发明涉及质子旋进类传感器技术领域，特别涉及提高质子旋进类传感器调谐精度和信噪比的方法及系统。

背景技术：

质子旋进类磁力仪是一种用于测量缓慢变化的弱磁场或恒定弱磁场的磁场测量仪器，其传感器即质子旋进类传感器为电感元件。测量原理是利用一定的激发条件让电感所在溶液中的质子处于激活状态，拆去激发条件后质子会围绕稳定外磁场即地球磁场做拉莫尔旋进运动，产生FID(Free Induction Decay)信号，其旋进频率正比于外部磁场；故，利用电感感应FID信号，将其放大、整形并测量出频率，即可得到外部磁场值。与其他磁场测量技术相比，质子旋进类磁力仪具有高精度、高灵敏度等特点，被广泛应用与空间探测、近地表探测、海洋探测、地磁场测量、军事技术等领域。由于FID信号的信噪比是衡量测频精度的重要因素，因此，为增加传感器输出FID信号的信噪比，提高测频精度，需将可变电容与传感器并联，进行调谐，此可变电容即为调谐电容。

目前，绝大多数质子旋进类磁力仪采用的传感器调谐方案为扫描法、预置电容法、盲目自动跟踪法和二次测量自动跟踪调谐法。而所有方法的核心工作原理相同：激发传感器，切换调谐电容，检测输出FID信号的峰值电压，最大峰值电压处对应的调谐电容容值就是传感器的调谐值；唯一不同之处在于检测峰值电压的手段。中国专利CN103995298A公布了一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，在该专利中，首先确定一个固定的调谐电容容值，然后逐次调节来确定最终调谐电容容值。

现有的质子旋进类磁力仪在传感器调谐算法的设计上仍存在以下问题：1)调谐速度普遍较慢，大约需几秒钟，野外实际测量时，当磁场强度变化较大时，往往需要重新对传感器进行调谐，给用户带来很大的不便。2)由于质子旋进类磁力仪输出的未配谐FID信号极其微弱，很容易受噪音信号干扰，信噪比较低，一旦仪器处于干扰较大的环境，易出现频谱分析误差较大造成“失调”，致使仪器无法正常工作。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法及系统和一种提高质子旋进类传感器信噪比的方法及系统，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，包括如下步骤：

步骤1，激励传感器输出第一FID信号；

步骤2，激励完成后等待预设时间，采集所述第一FID信号，生成离散数据；

步骤3，根据所述离散数据构建空间矩阵，并采用SVD(奇异值分解)算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据；

步骤4，采用FFT(快速傅氏变换)算法处理所述重构数据，获取所述第一FID信号频谱中最大峰值电压对应的第一频率值；

步骤5，将所述传感器的电感值和所述第一频率值代入LC谐振公式求解第一电容值，并将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值。

本发明的有益效果是：采用由SVD算法和FFT算法相结合的方法实现质子旋进类传感器的调谐，有效克服了现有调谐算法调谐速度慢、干扰环境下调谐精度低、易出现失调现象等缺陷；在减少调谐时间的同时，提高质子旋进类传感器的调谐精度，可实现宽测量范围对调谐电容的选择，提高后期测量信号的信噪比，应用于质子旋进类磁力仪、光泵磁力仪和核磁共振质子旋进FID信号成像仪等依靠质子旋进类传感器的仪器中，有效提高仪器性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤3包括如下步骤：

步骤31，根据如下第一公式构建空间矩阵；

所述第一公式如下：

其中，所述D_m为所述空间矩阵，所述{x₁,x₂,x₃…x_n,x_n+1…x_n+m-1}为所述离散数据；

步骤32，采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据。

进一步，还包括步骤6，再次激励传感器输出第二FID信号，激励完成后等待预设时间，获取所述第二FID信号的第二频率值；将所述传感器的电感值和所述第二频率值代入LC谐振公式求解第二电容值，并将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值。

采用上述进一步方案的有益效果是：在上述一次调谐的基础上，进行二次调谐，进一步提高质子旋进类传感器调谐精度。

进一步，所述步骤2具体包括激励完成后等待预设时间，将所述第一FID信号进行放大，采集放大后的所述第一FID信号，生成所述离散数据；

所述步骤6中获取所述第二FID信号的第二频率值具体包括将所述第二FID信号依次进行放大和整形，根据整形后的所述第二FID信号获取所述第二FID信号的第二频率值。

采用上述进一步方案的有益效果是：对FID信号进行放大和/或整形，进一步提高质子旋进类传感器调谐精度。

本发明的另一技术方案如下：

一种提高质子旋进类传感器信噪比的方法，采用上述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，还包括步骤7，再次激励传感器输出第三FID信号，激励完成后等待预设时间，对所述第三FID信号进行放大，以所述第二频率值作为中心频率对放大后的所述第三FID信号进行滤波，并对滤波后的所述第三FID信号进行整形，获取整形后的所述第三FID信号的第三频率值，将所述第三频率值作为所述传感器探测到的FID信号的频率。

本发明的有益效果是：基于上述二次调谐过程中获取的第二频率值对FID信号进行滤波，在提高调谐精度的同时，减少电路带宽，进一步提高质子旋进类传感器信噪比。

本发明的另一技术方案如下：

一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，包括控制器、激励电路、采集器和调谐电路；

所述控制器，其用于驱动激励电路激励传感器输出第一FID信号；激励完成后等待预设时间，驱动采集器采集所述第一FID信号，生成离散数据；根据所述离散数据构建空间矩阵，并采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据；采用FFT算法处理所述重构数据，获取所述第一FID信号频谱中最大峰值电压对应的第一频率值；将所述传感器的电感值和所述第一频率值代入LC谐振公式求解第一电容值，并驱动调谐电路将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值；

所述激励电路，其用于在所述控制器的驱动下激励传感器输出第一FID信号；

所述采集器，其用于在所述控制器的驱动下采集所述第一FID信号，生成离散数据；

所述调谐电路，其用于在所述控制器的驱动下将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述控制器包括空间矩阵生成模块和SVD去噪模块；

所述空间矩阵生成模块，其用于根据如下第一公式构建空间矩阵；

所述第一公式如下：

其中，所述D_m为所述空间矩阵，所述{x₁,x₂,x₃…x_n,x_n+1…x_n+m-1}为所述离散数据；

所述SVD去噪模块，其用于采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据。

进一步，还包括FPGA(现场可编程门阵列)；

所述控制器，其还用于再次驱动激励电路激励传感器输出第二FID信号，激励完成后等待预设时间，驱动FPGA测量所述第二FID信号的第二频率值；将所述传感器的电感值和所述第二频率值代入LC谐振公式求解第二电容值，并驱动调谐电路将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值；

所述激励电路，其还用于在所述控制器的驱动下激励传感器输出第二FID信号；

所述FPGA，其用于在所述控制器的驱动下测量所述第二FID信号的第二频率值；

所述调谐电路，其还用于在所述控制器的驱动下将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值。

进一步，还包括放大电路和比较电路；

所述放大电路，其用于激励完成后等待预设时间，将所述第一FID信号进行放大，用于所述采集器采集；其还用于激励完成后等待预设时间，将所述第二FID信号进行放大，用于所述比较电路整形；

所述比较电路，其用于将放大后的所述第二FID信号进行整形，用于所述FPGA测量；

所述控制器为STM32，所述采集器为ADC采集器。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用ADC采集器、STM32和FPGA相结合的高速度采集与处理硬件架构，在增加质子旋进类传感器调谐精度的同时，有效保证调谐速度。

本发明的另一技术方案如下：

一种提高质子旋进类传感器信噪比的系统，包括上述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，还包括窄带滤波电路；

所述控制器，其还用于再次驱动激励电路激励传感器输出第三FID信号；其还用于将所述窄带滤波电路的中心频率设置为所述第二频率值；其还用于驱动FPGA测量整形后的所述第三FID信号的第三频率值，并将所述第三频率值作为所述传感器探测到的FID信号的频率输出；

所述放大电路，其还用于激励完成后等待预设时间，对所述第三FID信号进行放大，用于所述窄带滤波电路滤波；

所述窄带滤波电路，其用于以所述第二频率值作为中心频率对放大后的所述第三FID信号进行滤波，用于所述比较电路整形；

所述比较电路，其还用于对滤波后的所述第三FID信号进行整形，用于所述FPGA测量；

所述FPGA，其还用于在所述控制器的驱动下测量整形后的所述第三FID信号的第三频率值。

附图说明

图1为本发明一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法的流程图；

图2为本发明一种提高质子旋进类传感器信噪比的系统的原理框图；

图3为ADC采集器采集到的经放大电路放大未调谐的FID信号未经处理的频谱图；

图4为ADC采集器采集到的经放大电路放大未调谐的FID信号经自相关算法处理后的频谱图；

图5为ADC采集器采集到的经放大电路放大未调谐的FID信号经本发明SVD算法处理后所得重构数据组成的频谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明实施例1所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，包括如下步骤：

步骤1，激励传感器输出第一FID信号；

步骤2，激励完成后等待预设时间，采集所述第一FID信号，生成离散数据；

步骤3，根据所述离散数据构建空间矩阵，并采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据；

步骤4，采用FFT算法处理所述重构数据，获取所述第一FID信号频谱中最大峰值电压对应的第一频率值；

步骤5，将所述传感器的电感值和所述第一频率值代入LC谐振公式求解第一电容值，并将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值。

其中，所述LC谐振公式如下所示：

其中，所述f₀、L和C分别为频率变量、电感变量和电容变量。

根据传感器类型的不同，利用激励电路向传感器所在溶液输入不同频率脉冲信号来激励传感器输出FID信号，具体实施中激励时间为400ms，激励完成后等待5ms后,采集FID信号，利于排除电路振荡所产生的干扰。

SVD算法也叫奇异值分解法，是一种数据特征提取的有效方法，基于非线性滤波方法，其分解的值反映数据的内在属性，因此可以实现小目标检测中的背景抑制和去噪问题。SVD算法已经被成功的引入到地球物理的信噪分离技术中，与其它去噪方法比较，去噪效果好，且有效信号畸变小。质子旋进类传感器输出的FID信号处理隶属于地球物理的信噪分离，也属于小目标检测中的背景抑制和去噪问题，因此采用SVD算法对FID信号进行去噪，能够获得很好的去噪效果。

本发明实施例2所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，在实施例1的基础上，所述步骤3包括如下步骤：

步骤31，根据如下第一公式构建空间矩阵；

所述第一公式如下：

其中，所述D_m为所述空间矩阵，所述{x₁,x₂,x₃…x_n,x_n+1…x_n+m-1}为所述离散数据；所述D_m中每一个行向量对应空间矩阵中的一个点。

步骤32，采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据。

本发明实施例3所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，在实施例1或2的基础上，还包括步骤6，再次激励传感器输出第二FID信号，激励完成后等待预设时间，获取所述第二FID信号的第二频率值；将所述传感器的电感值和所述第二频率值代入LC谐振公式求解第二电容值，并将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值。

本发明实施例4所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的方法，在实施例3的基础上，所述步骤2具体包括激励完成后等待预设时间，将所述第一FID信号进行放大，采集放大后的所述第一FID信号，生成所述离散数据；

所述步骤6中获取所述第二FID信号的第二频率值具体包括将所述第二FID信号依次进行放大和整形，根据整形后的所述第二FID信号获取所述第二FID信号的第二频率值。

本发明实施例5所述一种提高质子旋进类传感器信噪比的方法，在实施例4的基础上，还包括步骤7，再次激励传感器输出第三FID信号，激励完成后等待预设时间，对所述第三FID信号进行放大，以所述第二频率值作为中心频率对放大后的所述第三FID信号进行滤波，并对滤波后的所述第三FID信号进行整形，获取整形后的所述第三FID信号的第三频率值，将所述第三频率值作为所述传感器探测到的FID信号的频率。

如图2所示，为本发明实施例1所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，包括控制器、激励电路、采集器和调谐电路；

所述控制器，其用于驱动激励电路激励传感器输出第一FID信号；激励完成后等待预设时间，驱动采集器采集所述第一FID信号，生成离散数据；根据所述离散数据构建空间矩阵，并采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据；采用FFT算法处理所述重构数据，获取所述第一FID信号频谱中最大峰值电压对应的第一频率值；将所述传感器的电感值和所述第一频率值代入LC谐振公式求解第一电容值，并驱动调谐电路将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值；

所述激励电路，其用于在所述控制器的驱动下激励传感器输出第一FID信号；

所述采集器，其用于在所述控制器的驱动下采集所述第一FID信号，生成离散数据；

所述调谐电路，其用于在所述控制器的驱动下将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换为所述第一电容值。

本发明实施例2所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，在实施例1的基础上，所述控制器包括空间矩阵生成模块和SVD去噪模块；

所述空间矩阵生成模块，其用于根据如下第一公式构建空间矩阵；

所述第一公式如下：

其中，所述D_m为所述空间矩阵，所述{x₁,x₂,x₃…x_n,x_n+1…x_n+m-1}为所述离散数据；

所述SVD去噪模块，其用于采用SVD算法对所述空间矩阵进行奇异值分解以剔除噪声，获得重构数据。

本发明实施例3所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，在实施例1或2的基础上，还包括FPGA；

所述控制器，其还用于再次驱动激励电路激励传感器输出第二FID信号，激励完成后等待预设时间，驱动FPGA测量所述第二FID信号的第二频率值；将所述传感器的电感值和所述第二频率值代入LC谐振公式求解第二电容值，并驱动调谐电路将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值；

所述激励电路，其还用于在所述控制器的驱动下激励传感器输出第二FID信号；

所述FPGA，其用于在所述控制器的驱动下测量所述第二FID信号的第二频率值；

所述调谐电路，其还用于在所述控制器的驱动下将所述调谐电容的容值由所述第一电容值切换为所述第二电容值。

本发明实施例4所述一种提高质子旋进类传感器调谐精度的系统，在实施例3的基础上，还包括放大电路和比较电路；

所述放大电路，其用于激励完成后等待预设时间，将所述第一FID信号进行放大，用于所述采集器采集；其还用于激励完成后等待预设时间，将所述第二FID信号进行放大，用于所述比较电路整形；

所述比较电路，其用于将放大后的所述第二FID信号进行整形，用于所述FPGA测量；

所述控制器为STM32，所述采集器为ADC采集器。由于FID信号呈指数衰减，因此必须设置合适的A/D采样率和采样点数，已知地球磁场范围为20,000nT～100,000nT，根据磁旋比公式可得到FID信号的频率范围为850Hz～4,300Hz，故，具体实施例中，设置ADC采集器的采样率为10kHz，采样点数为2048个点，采集信号时间约为205ms，频率分辨率为10kHz/2048＝4.88Hz。

本发明实施例5所述一种提高质子旋进类传感器信噪比的系统，在实施例4的基础上，还包括窄带滤波电路；

所述控制器，其还用于再次驱动激励电路激励传感器输出第三FID信号；其还用于将所述窄带滤波电路的中心频率设置为所述第二频率值；其还用于驱动FPGA测量整形后的所述第三FID信号的第三频率值，并将所述第三频率值作为所述传感器探测到的FID信号的频率输出；

所述放大电路，其还用于激励完成后等待预设时间，对所述第三FID信号进行放大，用于所述窄带滤波电路滤波；

所述窄带滤波电路，其用于以所述第二频率值作为中心频率对放大后的所述第三FID信号进行滤波，用于所述比较电路整形；

所述比较电路，其还用于对滤波后的所述第三FID信号进行整形，用于所述FPGA测量；

所述FPGA，其还用于在所述控制器的驱动下测量整形后的所述第三FID信号的第三频率值。

图3、图4和图5依次为调谐电容为零时，ADC采集器采集到的经放大电路放大未调谐的FID信号未经处理的频谱、此FID信号经现有自相关算法(Auto Correlation)处理后的频谱和此FID信号经本发明SVD算法处理后所得重构数据组成的频谱；对比可发现经本发明SVD算法处理后的频谱更加鲜明，信噪比更高。

利用同一实验平台，对目前常用的基于峰值检波法和自相关算法的调谐法与本发明基于SVD算法的二次调谐法进行调谐精度与速度的对比实验，用微控制器STM32的定时器对三种调谐算法所用时间进行计时。根据实验平台的设计参数，在同一测试磁场环境中：测试地点磁场约为49,323nT，即2100Hz；传感器谐振-3dB频率范围：2072Hz～2128Hz，传感器电感值34mH，结合LC谐振公式得到调谐电容容值范围：168nF～173nF。故，只要三种算法得到的调谐电容容值在此范围内，即可说明调谐成功。在无干扰的环境中，分别对三种方法进行5次观测，其结果如表1所示。

表1无干扰环境下三种方法的测量结果

由表1可以看出，从调谐的速度来看，由于三种算法均为顺序程序结构，所以程序执行时间为定值，峰值检波法所用时间约为自相关算法和SVD算法的5倍；从调谐的精度来看，三种算法所得到的调谐电容值均在168nF～173nF范围内，较为准确。因此可以说明，在无干扰的环境下，自相关算法和SVD算法的性能相当。

在干扰的环境中，分别对上述三种方法进行5次观测，其结果如表2所示。

表2干扰环境下三种方法的测量结果

由表2可以看出，当外界环境具有干扰时，峰值检波法和自相关算法的调谐精度明显下降，得到的调谐电容容值会使质子旋进类传感器出现失调现象，降低信号的信噪比，从而使得应用有质子旋进类传感器的仪器无法正常工作；而SVD算法的测试结果没有受到任何影响，调谐精度高、速度快、且具有重复性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。