便攜式電磁噪聲采集及分析系統的設計

蔣川東， 王 琦， 閆大偉(. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院， 長春 3006;. 吉林大學 通信工程學院， 長春 30000)

0 引 言

地面核磁共振(SNMR)是一種新的地球物理探測方法，廣泛應用于地下水探測和災害水預警等領域，但是其信號非常微弱，在進行野外實驗時，易受到工頻諧波噪聲、尖峰噪聲及隨機噪聲等多種電磁噪聲的干擾[1-2]。因此，對實驗區域進行噪聲的快速預評估具有十分重要的意義。

目前，法國IRIS公司和吉林大學均研制了適用于SNMR探測的噪聲采集儀器，但體積過于龐大，攜帶不方便，進行區域性噪聲測量需消耗大量人力物力[3-5]。同時，上述儀器只能實現電磁噪聲大小的估計，不能對噪聲的成分進行完整的精確分析，無法為區域性地面核磁共振探測提供最佳測量位置信息。

本文設計了一套便攜式電磁噪聲采集及分析系統。首先，給出了系統的整體設計框圖，并介紹了電磁信號接收傳感器、信號放大模塊、采集模塊及基于LabVIEW軟件的人機交互模塊的設計方法，實現整個噪聲采集過程的控制、用戶交流界面的設計和數據結果顯示。其次，基于LabVIEW軟件，完成了噪聲數據的直流分量、尖峰噪聲、工頻及其諧波噪聲分析。最后，通過野外實驗，驗證了采集裝置和分析軟件的有效性。

1 系統整體設計

系統主要由電磁信號接收傳感器、放大器模塊、采集卡模塊、上位機顯示處理和電源管理模塊五部分組成，系統結構框圖如圖1所示，用戶通過平板電腦及LabVIEW軟件實現人機交互功能。電磁信號接收傳感器接收環境電磁噪聲，首先經前置低噪聲放大電路進行放大，放大后的信號送到通頻帶1～3 kHz的高通加低通組成的濾波電路進行選頻；其次信號接入采集卡的輸入通道，經AD轉換成數字信號，通過網口通信實現數據的傳輸；最后在上位機利用噪聲分析軟件完成噪聲的評估。整個裝置的供電部分由一塊輸出電壓在12.5～13.2 V的可充電電池提供。

圖1 系統整體框圖

2 便攜式噪聲采集裝置設計

2.1 電磁信號接收傳感器設計

一方面，為實現裝置的便攜性，用于獲取電磁噪聲的接收線圈需要滿足輕巧、小尺寸等條件，另一方面，線圈接收到信號的大小跟有效面積成線性關系，因此有效面積越大的線圈，所能接收到的信號就越大。同時，隨著線圈匝數的增加，分布電容增大，使線圈的截止頻率減小，影響有效信號的接收[6-7]。因此，綜合考慮線圈的易攜帶性及有效面積(不小于100 m2)，且本文利用直徑為0.6m，匝數為660的圓形線圈作為電磁信號接收傳感器。此時線圈諧振頻率為12.67 kHz，遠大于采集裝置所要求的通頻帶頻率1～3 kHz(中國地區的地面核磁共振頻率范圍)，所以此線圈可以作為接收傳感器，實現電磁噪聲的接收。

2.2 放大器模塊

由于接收線圈接收到的環境電磁噪聲是微弱電壓信號，要求前置放大器的等效輸入噪聲足夠低[8-9]，本文采用低噪聲運放模塊LT1028來完成，采用3個LT1028器件并聯形成前置放大器，并行的方式可以減少單個放大器的電壓噪聲，第4個LT1028器件則用作放大器總增益的調整，此放大電路增益為100。為了獲取頻率范圍在1～3 kHz之間的噪聲信號，該噪聲采集裝置需要一個選頻電路，來完成通頻帶的選擇。選擇使用2塊LT1885IS器件分別搭建截止頻率在1 kHz的高通濾波電路和截止頻率在3 kHz的低通濾波電路[10-11]。利用動態信號分析儀測試放大模塊的特性曲線，如圖2所示。可以得出，通頻帶為1.3～3.1 kHz，當頻率為2.0 kHz時，最大增益為1 426倍。

圖2 放大模塊特性曲線

2.3 數據采集模塊及上位機控制

鑒于采集信號動態范圍為1 μV～10 V，綜合考慮采樣速率、轉換精度等因素，本文選用Net0824采集卡。通過設置平板電腦的IP地址和子網掩碼，使其與采集卡處于同一網段，實現平板電腦與采集卡之間的通信。基于LabVIEW軟件，編寫包含網絡參數、采集參數設置、AD的啟動與停止計數據的顯示和存儲等功能的G語言程序[12-14]，實現數據采集控制，如圖3所示。首先通過LabVIEW設置IP地址為“192，168，2，202”，服務器端口設為“1573”，采樣率選擇52.734 kHz，采集通道選擇通道1，采樣點數為52 734，即定長采集模式(1 s的數據)。其次利用順序事件結構編寫AD啟動的過程，設置服務器的IP地址和服務器端口號；發送AD啟動命令“54 58”，經過10 ms的短暫延時進入定長采集模式，采集完成后，經過10 ms的短延時，數據自動上傳，并實時顯示在前面板，使結果可視化。最后，將采集到數據存入指定路徑。

圖3 數據采集程序框圖

3 噪聲分析軟件設計

本設計應用LabVIEW軟件完成整個噪聲分析的過程，主要包括對原始噪聲數據進行直流分量的去除、尖峰噪聲的提取和分析、工頻及其諧波噪聲的提取和去除及數據的分析，界面如圖4所示。

圖4 基于LabVIEW的噪聲采集及分析軟件界面

3.1 尖峰噪聲分析

在除直流分量的基礎上，計算所有噪聲數據電壓值的均方差值σ，電壓值大于3σ的為尖峰噪聲。對所有電壓值大于3σ的信號都賦為0，小于3σ的不變，并保持原始數據格式，即去除尖峰噪聲[15]。

3.2 工頻諧波噪聲分析

工頻諧波噪聲由高壓輸電線、變壓器和其他電器設備產生，對測量數據的影響最大。對工頻及其諧波噪聲建立模型[16]：

(1)

式中：k為采樣時間;Am為m次諧波分量對應的幅度;φm為m次諧波分量對應的相位;f0為工頻噪聲頻率;fs為采樣頻率;M≤200。對式(1)正交分解可得：

(2)

式中：

求出αm、βm及工頻噪聲頻率f0，即可得到工頻及其諧波噪聲隨時間變化的函數Np(k)。上述工頻及其諧波建模和去除的整個過程是通過Matlab軟件編程完成的。本文在去除尖峰噪聲的基礎上，通過LabVIEW軟件的Matlab script腳本節點調用Matlab程序文件[17]，完成整個工頻及其諧波噪聲去除的過程，程序框圖如圖5所示。

圖5 工頻諧波噪聲分析程序框圖

4 測試與分析

為了驗證系統的有效性，在實驗室對其進行了測試，結果如圖6所示，圖6(a)、(b)分別為裝置采集到的噪聲數據及對應的頻譜，數據的均方差σ=468.953 mV。經過去直流分量和去尖峰噪聲后，數據和頻譜分別如圖6(c)、(d)所示，此時數據的均方差σ1=272.919 mV，圖6(e)、(f)為圖6(c)數據經建模方法去除工頻及其諧波噪聲后數據和頻譜，數據均方差σ2=178.83 mV。可以得出，該系統可以實現噪聲的采集及分析。

本文利用便攜式噪聲采集及分析系統對長春市文化廣場的噪聲進行評估。圖7為實驗地點衛星圖，測區西側為西民主大街，東側為東民主大街；左半部分足球場，足球場背面為樹林；中間部分為曠地，曠地背面為地質宮；右半部分為籃球場，籃球場背面為油頁巖綜合樓。圖7中紅色區域為實驗測區，橫向和縱向均每隔10 m 選取一個測點，得到歸一化后的文化廣場噪聲水平分布情況如圖8(a)所示，可以得出，靠近地質宮一側的噪聲較大，足球場附近噪聲較小。圖8(b)～(d)分別為為尖峰的幅值分布圖，工頻諧波水平及隨機噪聲水平。綜上可以得出，文化廣場區域，足球場和籃球場南半部分為進行地面核磁共振實驗的最佳地點。

(a) 采集原始數據

圖7 實驗區域衛星圖

(a) 原始噪聲水平(b) 尖峰噪聲幅度(c) 工頻諧波水平(d) 隨機噪聲水平

5 結 語

本文以Net0824采集卡為硬件設計核心，加入低噪聲高增益選頻放大模塊，結合網口通信，在LabVIEW軟件的控制下，實現了噪聲數據的高速采集、存儲及分析。系統體積和重量均較小，具有便攜的特點，尤其適合于野外測量環境，具有較強的應用性和推廣性。

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