阅读说明：本技术 一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统及方法 (System and method for improving Larmor precession signal-to-noise ratio of Overhauser magnetic sensor ) 是由 董浩斌 王洪鹏 葛健 刘欢 张艳丽 于 2019-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统及方法,包括Overhauser磁传感器、传感器激励单元、FID信号处理单元和供电电池；Overhauser磁传感器的信号激励端连接传感器激励单元中的射频激励信号,信号接收端通过单刀双掷开关连接到直流脉冲激励端以及FID信号处理单元,通过控制单刀双掷开关选择Overhauser磁传感器信号连接通路。先利用LC谐振与窄带滤波器限制拉莫尔信号的频带,进行一次降噪,使用时频峰值滤波算法对拉莫尔信号进行二次降噪和信号重建,可以进一步抑制随机噪声以及调理电路引入的噪声,大幅度提高拉莫尔信号信噪比。(The invention provides a system and a method for improving the signal-to-noise ratio of Larmor precession signals of an Overhauser magnetic sensor, which comprise an Overhauser magnetic sensor, a sensor excitation unit, an FID signal processing unit and a power supply battery; the signal excitation end of the Overhauser magnetic sensor is connected with a radio frequency excitation signal in the sensor excitation unit, the signal receiving end is connected to the direct current pulse excitation end and the FID signal processing unit through the single-pole double-throw switch, and the signal connection passage of the Overhauser magnetic sensor is selected by controlling the single-pole double-throw switch. The band of the Larmor signal is limited by the LC resonance and the narrow-band filter, primary noise reduction is carried out, secondary noise reduction and signal reconstruction are carried out on the Larmor signal by using a time-frequency peak filtering algorithm, random noise and noise introduced by a conditioning circuit can be further inhibited, and the signal-to-noise ratio of the Larmor signal is greatly improved.)

一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统 及方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信 号信噪比的系统及方法。

背景技术

Overhauser磁传感器是基于核磁共振以及电子顺磁共振原理的高精度磁场测量传感器， 可用于地磁场观测、地质资源勘查、地下未爆弹探测等领域。其工作原理是利用高频激励 与短暂直流激励作用于传感器内部自由基溶液，撤去直流激励后，自由基溶液中的质子会 绕着地磁场方向做旋进运动，通过一组反向串联的感应线圈接收拉莫尔旋进信号，该旋进 信号的频率与地磁场总场值成固定关系，可以通过测量拉莫尔旋进信号的频率进而测量地 磁场，因此Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号的信噪比会直接影响地磁场总场值测量的 准确性。

目前，Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号提高信噪比的方法主要集中在电路硬件方 面，通过LC谐振、窄带滤波等滤波电路提高拉莫尔信号信噪比，虽然可以有效缩短频带带 宽，提高信噪比，但是仍然存在以下问题：1)针对随机噪声却没有很好的抑制；2)硬件电路会引入电路噪声，增加新的噪声源，难以得到更高信噪比的拉莫尔旋进信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号的 信噪比不高的技术问题，提供一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统 及方法解决上述技术缺陷。

一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统，包括Overhauser磁传感 器、传感器激励单元、FID信号处理单元和供电电池；Overhauser磁传感器的信号激励端 连接传感器激励单元中的射频激励信号，信号接收端通过单刀双掷开关连接到直流脉冲激 励端以及FID信号处理单元，通过控制单刀双掷开关选择Overhauser磁传感器信号连接通 路。

进一步的，传感器激励单元包括射频激励以及直流脉冲激励，射频激励是由DDS信号 发生器产生的60.7MHz正弦信号，直流脉冲激励是由门控开关产生的微妙级直流信号。

进一步的，FID信号处理单元包括调谐电容、JEFT放大器、窄带滤波器、ADC和数字信号处理器；调谐电容与Overhauser磁传感器内部电感线圈组成LC谐振网络，对拉莫尔 旋进信号选频，JEFT放大器连接在LC谐振网络之后，将拉莫尔旋进信号进行放大，窄带 滤波器连接在放大器电路之后，用于限制拉莫尔旋进信号带宽，对拉莫尔信号进行初步降 噪。16位ADC模数转换电路连接在滤波器之后，将连续的拉莫尔信号离散化、数字化， 模数转换的结果被送至数字信号处理器，该模块用于对离散化的拉莫尔旋进信号进行滤波， 利用视频峰值滤波算法对拉莫尔旋进信号进行二次降噪，提高信噪比。

一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的方法，基于一种提高Overhauser 磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统实现，包括：

S1、利用传感器激励单元激发Overhauser磁传感器，使其产生拉莫尔旋进信号；

S2、利用LC串联谐振、窄带滤波器等硬件电路对步骤一所得到的拉莫尔旋进信号进 行初步降噪，限制拉莫尔旋进信号的频带宽度，降低传感器热噪声、接触噪声以及高频噪 声；

S3、利用ADC模数转换器采集步骤二所得到的拉莫尔旋进信号，将离散化的拉莫尔旋 进信号S(n)送入数字信号处理器。

S4、在数字信号处理器中利用时频峰值滤波算法对拉莫尔旋进信号进行降噪。

进一步的，步骤S4具体包括：

S41、进行尺度变换，离散拉莫尔旋进S(n)经过尺度变换后得到归一化信号S₁(n)：

其中，B_H和B_L分别是满足变换后信号的最大值和最小值，S(n)是离散的拉莫尔旋进信号， S₁(n)是归一化信号，min[S(n)]是S(n)中的最小值，max[S(n)]是S(n)中的最大值；

S42、对归一化信号S₁(n)进行编码，使其成为瞬时频率，得到单位幅度的解析信号Z(n)， 其中，μ是频率调制指数，λ为积分参量，Z(n)为单位幅度的解析信号，

S43、取单位幅度的解析信号Z(n)的伪Wigner-Wile分布(PWVD)的峰值，Z(n)的PWVD 分布可以表示为：

其中，W_Z(n,k)为Z(n)的PWVD分布，为加窗函数。K为PWVD分布的二维参数；

S44、按频率变量取解析信号时频分布的最大值最为其瞬时频率的估计，即：

其中，f_z是所得到的估计值，μ是频率调制指数，argmax[W_z(n,k)]为取W_Z(n,k)最大值的 绝对值；

S45、通过尺度反变换得到有效Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号幅度的估计值：

其中，是纯净的拉莫尔旋进信号的估计值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、针对Overhauser磁传感器拉莫尔信号的随机噪声以及调理电路引入噪声，本文提出 的方法可以有效去除这些噪声影响，所得到拉莫尔旋进信号信噪比更好；

2、利用数字信号处理器可以实时实现Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号滤波；

3、能够进一步提高Overhauser磁传感器地磁场测量精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统结构图；

图2为本发明一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的方法流程图；

图3为本发明的实施例滤波效果对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发 明的具体实施方式。

一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统，包括Overhauser磁传感 器、传感器激励单元、FID信号处理单元和供电电池。如图1所示，Overhauser磁传感器的信号激励端连接传感器激励单元中的射频激励信号，信号接收端通过单刀双掷开关连接到直流脉冲激励端以及FID信号处理单元，通过控制单刀双掷开关选择Overhauser磁传感器信号连接通路。

传感器激励单元包括射频激励以及直流脉冲激励，射频激励是由DDS信号发生器产生 的60.7MHz正弦信号，直流脉冲激励是由门控开关产生的微妙级直流信号。

FID信号处理单元包括调谐电容、JEFT放大器、窄带滤波器、ADC和数字信号处理器； 调谐电容与Overhauser磁传感器内部电感线圈组成LC谐振网络，对拉莫尔旋进信号选频， JEFT放大器连接在LC谐振网络之后，将拉莫尔旋进信号进行放大，窄带滤波器连接在放 大器电路之后，用于限制拉莫尔旋进信号带宽，对拉莫尔信号进行初步降噪。16位ADC模数转换电路连接在滤波器之后，将连续的拉莫尔信号离散化、数字化，模数转换的结果被送至数字信号处理器，该模块用于对离散化的拉莫尔旋进信号进行滤波，利用视频峰值滤波算法对拉莫尔旋进信号进行二次降噪，提高信噪比。

一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的方法，基于一种提高Overhauser 磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统实现，包括：

S1、利用传感器激励单元激发Overhauser磁传感器，使其产生拉莫尔旋进信号；

S2、利用LC串联谐振、窄带滤波器等硬件电路对步骤一所得到的拉莫尔旋进信号进 行初步降噪，限制拉莫尔旋进信号的频带宽度，降低传感器热噪声、接触噪声以及高频噪 声；

S3、利用ADC模数转换器采集步骤二所得到的拉莫尔旋进信号，将离散化的拉莫尔旋 进信号S(n)送入数字信号处理器。

S4、在数字信号处理器中利用时频峰值滤波算法对拉莫尔旋进信号进行降噪，如图2 所示，具体包括：

S41、进行尺度变换，离散拉莫尔旋进S(n)经过尺度变换后得到归一化信号S₁(n)：

其中，B_H和B_L分别是满足变换后信号的最大值和最小值。S(n)是离散的拉莫尔旋进信号， S₁(n)是归一化信号。min[S(n)]是S(n)中的最小值，max[S(n)]是S(n)中的最大值。

S42、对归一化信号S₁(n)进行编码，使其成为瞬时频率，得到单位幅度的解析信号Z(n)， 其中，μ是频率调制指数，λ为积分参量，Z(n)为单位幅度的解析信号。

S43、取单位幅度的解析信号Z(n)的伪Wigner-Wile分布(PWVD)的峰值，Z(n)的PWVD 分布可以表示为：

其中，W_Z(n,k)为Z(n)的PWVD分布，为加窗函数。K为PWVD分布的二维参数。

S44、按频率变量取解析信号时频分布的最大值最为其瞬时频率的估计，即：

其中，f_z是所得到的估计值，μ是频率调制指数，argmax[W_z(n,k)]为取W_Z(n,k)最大值的 绝对值。

S45、通过尺度反变换得到有效Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号幅度的估计值：

其中，是纯净的拉莫尔旋进信号的估计值。

通过上述方法，就可以从含有噪声的Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号中恢复出纯 净信号。

本发明先利用LC谐振与窄带滤波器限制拉莫尔信号的频带，进行一次降噪，使用时 频峰值滤波算法对拉莫尔信号进行二次降噪和信号重建，可以进一步抑制随机噪声以及调 理电路引入的噪声，大幅度提高拉莫尔信号信噪比。图3中的信号为ADC采集器采集到的 未经调理的Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号，可以看出拉莫尔信号完全被噪声湮灭， 图3上图为传感器输出的原始拉莫尔旋进信号，图3下图为经过本发明提出的LC谐振和窄带滤波一次滤波处理，以及时频峰值滤波二次滤波处理后得到的拉莫尔旋进信号，对比可发现经过本发明提出的方法处理后的拉莫尔信号信噪比更好，滤波效果较好。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在 本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形 式，这些均属于本发明的保护之内。