一种磁共振同轴紧耦合天线的噪声消减装置及方法

本发明属于电磁噪声消减领域，具体涉及一种磁共振同轴紧耦合天线的噪声消减装置及方法。

背景技术：

1、磁共振方法在探测地下水过程中容易受到电磁噪声干扰影响探测效果。传统噪声消减技术多采用三分量参考的方式进行噪声消减，这种方法的核心原理是，利用参考线圈与主线圈获得具有一定相关度的噪声数据进行相减抵消，实现噪声的消除。但是，当参考线圈与探测线圈距离较远时，由于电磁噪声在空间分布的不均匀性，使得探测系统噪声与参考线圈中获得的噪声相关度很低，无法通过消减算法进行直接噪声消减。而当参考线圈距离探测线圈较近时，虽然噪声的相关度提高了，但是参考线圈与主线圈中都获得了有效信号，归一化后将噪声滤除的同时，也将信号进行了相减消除，探测数据中仍然无法获得有效信号，可见，三分量参考的方式在进行消减的过程中由于参考线圈与探测线圈间存在较大不相关性，使得这种三分量参考形式对噪声的抑制能力有限。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种磁共振同轴紧耦合天线的噪声消减装置及方法，利用单匝噪声接收线圈与多匝主探测线圈同轴紧耦合形式布置，最大限度保证噪声线圈与主线圈的噪声相关性，同时利用消减算法实现噪声去除，使磁共振探测方法达到较高抗电磁干扰的能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种磁共振同轴紧耦合天线的噪声消减装置，包括：磁共振主探测多匝天线、单匝噪声采集天线、若干个磁共振接收系统、噪声抵消装置、主控单元；

4、所述磁共振主探测多匝天线用于接收磁共振信号和电磁噪声；

5、所述单匝噪声采集天线用于接收电磁噪声；其中，所述磁共振主探测多匝天线接收到的电磁噪声与所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声形态相同、相位和幅度不同；

6、所述磁共振接收系统用于分别将所述磁共振主探测多匝天线接收到的磁共振信号、电磁噪声和所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声转换成相应的数字信号；

7、所述噪声抵消装置用于对所述数字信号进行处理，完成噪声消减；

8、所述主控单元用于协调所述磁共振主探测多匝天线、所述单匝噪声采集天线、所述磁共振接收系统和所述噪声抵消装置之间的工作时序和状态。

9、优选的，所述磁共振接收系统包括两个，其中一个磁共振接收系统用于转换所述磁共振主探测多匝天线接收的磁共振信号和电磁噪声，另一个磁共振接收系统用于转换所述单匝噪声采集天线接收的电磁噪声；

10、所述磁共振接收系统包括：信号隔离器、超低噪声放大器、相位调整器和程控放大器和数字采集器。

11、优选的，所述磁共振接收系统将所述磁共振主探测多匝天线接收到的磁共振信号、电磁噪声转换成相应的数字信号的过程包括：

12、打开信号隔离器；

13、所述磁共振主探测多匝天线感应到的磁共振信号、电磁噪声以感应电压的形式通过超低噪声放大器后进入相位调整器，相位调整器根据主控单元的协调信息将感应电压的相位调整到一个预定的时刻；

14、将相位调整到预定时刻的感应电压继续送至程控放大器，调整程控放大器的增益使磁共振信号完全高于数字采集器的最小分辨率；

15、将被放大的感应电压送至数字采集器，数字采集器将感应电压的模拟信号转变为数字信号存储起来并作为主通道的数据送至噪声抵消装置。

16、优选的，所述磁共振接收系统将所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声转换成相应的数字信号的过程包括：

17、打开信号隔离器；

18、将所述单匝噪声采集天线接收的电磁噪声以感应电压的形式通过超低噪声放大器后送入相位调整器；

19、通过相位调整器后将所述单匝噪声采集天线的相位在主控单元的控制下，调整至与所述磁共振主探测多匝天线相同相位，并送至程控放大器；

20、程控放大器在主控单元的控制下，调整增益倍数使所述单匝噪声采集天线输出的感应电压与所述磁共振主探测多匝天线输出的感应电压量级相同；

21、将通过程控放大器后的感应电压送至数字采集器，数字采集器将感应电压的模拟信号转变为数字信号存储起来并作为噪声通道的数据送至噪声抵消装置。

22、优选的，所述噪声抵消装置对所述数字信号进行处理，完成噪声消减的过程包括：

23、定义主通道中获得的数据为d1，其中，磁共振信号为s1，噪声信号为n1，则主通道中的数据d1＝s1+n1；

24、定义噪声通道中获得的数据为d2，其中，噪声数据为n2，则噪声通道中的数据为d2＝n2；

25、获得主通道的精确增益系数a1、噪声通道的增益系数a2；

26、假设原始空间中的噪声为n0，n0×a1＝n1，n0×a2＝n2；

27、获得噪声信号n1与噪声数据n2的关系为：n1＝(a1/a2)×n2；

28、假设理想的磁共振信号为s1，有s1＝s1+n1-n1，其中，s1+n1＝d1；n2＝d2；n1＝(a1/a2)×n2；

29、获得理想的磁共振信号s1的表达式为：s1＝d1-(a1/a2)×d2；

30、将主通道的数据d1与噪声通道中的数据d2的a1/a2倍后相减，得到纯净的磁共振信号，实现噪声抵消的目标。

31、本发明还提供了一种磁共振同轴紧耦合天线的噪声消减方法，包括以下步骤：

32、s1：利用磁共振主探测多匝天线接收磁共振信号和电磁噪声；

33、s2：利用单匝噪声采集天线接收电磁噪声；其中，所述磁共振主探测多匝天线接收到的电磁噪声与所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声形态相同、相位和幅度不同；

34、s3：分别将所述磁共振主探测多匝天线接收到的磁共振信号、电磁噪声和所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声转换成相应的数字信号；

35、s4：对所述数字信号进行处理，完成噪声消减；

36、s5：利用主控单元协调所述s1、所述s2、所述s3、和所述s4之间的工作时序和状态。

37、优选的，所述s3中，将所述磁共振主探测多匝天线接收到的磁共振信号、电磁噪声转换成相应的数字信号的方法包括：

38、打开信号隔离器；

39、所述磁共振主探测多匝天线感应到的磁共振信号、电磁噪声以感应电压的形式通过超低噪声放大器后进入相位调整器，相位调整器根据主控单元的协调信息将感应电压的相位调整到一个预定的时刻；

40、将相位调整到预定时刻的感应电压继续送至程控放大器，调整程控放大器的增益使磁共振信号完全高于数字采集器的最小分辨率；

41、将被放大的感应电压送至数字采集器，数字采集器将感应电压的模拟信号转变为数字信号存储起来并作为主通道的数据送至噪声抵消装置。

42、优选的，所述s3中，将所述单匝噪声采集天线接收到的电磁噪声转换成相应的数字信号的方法包括：

43、打开信号隔离器；

44、将所述单匝噪声采集天线接收的电磁噪声以感应电压的形式通过超低噪声放大器后送入相位调整器；

45、通过相位调整器后将所述单匝噪声采集天线的相位在主控单元的控制下，调整至与所述磁共振主探测多匝天线相同相位，并送至程控放大器；

46、程控放大器在主控单元的控制下，调整增益倍数使所述单匝噪声采集天线输出的感应电压与所述磁共振主探测多匝天线输出的感应电压量级相同；

47、将通过程控放大器后的感应电压送至数字采集器，数字采集器将感应电压的模拟信号转变为数字信号存储起来并作为噪声通道的数据送至噪声抵消装置。

48、优选的，所述s4中，对所述数字信号进行处理，完成噪声消减的过程包括：

49、定义主通道中获得的数据为d1，其中，磁共振信号为s1，噪声信号为n1，则主通道中的数据d1＝s1+n1；

50、定义噪声通道中获得的数据为d2，其中，噪声数据为n2，则噪声通道中的数据为d2＝n2；

51、获得主通道的精确增益系数a1、噪声通道的增益系数a2；

52、假设原始空间中的噪声为n0，n0×a1＝n1，n0×a2＝n2；

53、获得噪声信号n1与噪声数据n2的关系为：n1＝(a1/a2)×n2；

54、假设理想的磁共振信号为s1，有s1＝s1+n1-n1，其中，s1+n1＝d1；n2＝d2；n1＝(a1/a2)×n2；

55、获得理想的磁共振信号s1的表达式为：s1＝d1-(a1/a2)×d2；

56、将主通道的数据d1与噪声通道中的数据d2的a1/a2倍后相减，得到纯净的磁共振信号，实现噪声抵消的目标。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

58、本发明采用同轴紧耦合方式布设参考天线，使参考天线中的噪声形态与主天线中的噪声形态完全相关，具有极高的噪声相关度，可以达到理论上的噪声抵消效果，显著增强探测系统的电磁噪声消减能力。

59、由于主天线采用多匝天线、噪声天线采用单匝天线，最大化主天线的信号获取能力，抑制噪声天线的信号灵敏度使其不具备信号获取能力，可以显著提高这种紧耦合式同轴天线同时获取到有效信号的问题。

60、本发明采用噪声抵消装置实现噪声消减算法，只需要精确获得两个通道的增益系数，就可以在两个通道所获得的数据基础上，直接进行噪声相减，无需借助额外系统导致引入不确定参数，实现过程简单，测量结果稳定可靠。