基于參考噪聲的工頻模擬降噪裝置設(shè)計(jì)

范珍友 林凱 仲維一

摘要：目前，航空電磁法廣泛應(yīng)用于資源勘察及地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)中，而在航空電磁探測(cè)系統(tǒng)在工作過程中會(huì)受到各種雜波的干擾，其中尤其以50Hz工頻干擾最為嚴(yán)重。本課題基于參考噪聲的工頻模擬降噪裝置設(shè)計(jì)的意義就在于消除50Hz工頻干擾的影響。本設(shè)計(jì)通過空心線圈傳感器采集環(huán)境中的磁場(chǎng)信號(hào)，提取其中工頻信號(hào)作為參考噪聲，通過移相器移相180°，最后通過功率放大器驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲線圈，使其內(nèi)部空間中磁場(chǎng)工頻部分因內(nèi)外抵消，以達(dá)到削弱工頻干擾的目的。

關(guān)鍵詞：工頻干擾;參考噪聲;補(bǔ)償線圈;航空電磁勘探

Abstract： At present， Helicopter-borne TEM is widely used in resource exploration and geological structure detection.However， the airborne electromagnetic detection system will be interfered by various clutter in the working process， especially the 50Hz power frequency interference is the most serious. The significance of this design of power frequency analog noise reduction device based on reference noise is to eliminate the influence of 50Hz power frequency interference.This design collects the magnetic field signal in the environment through the hollow coil sensor .extract The 50Hz signal is extracted as the reference noise and transmitted in reverse phase， At last，the Helmholtz coil is driven by a power amplifier to transmit inversion signal.The 50Hzsignal in its internal space is cancelled by internal and external factors， to weaken its interference.

Key words：Power frequency interference; Reference noise; Compensating coil; Helicopter-borne TEM

0 前言

目前，航空電磁法探測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于資源勘察及地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)中。通過研究二次場(chǎng)在時(shí)間域上的變化關(guān)系，就可以反演出地下導(dǎo)體的電性分布結(jié)構(gòu)進(jìn)而分析其空間形態(tài)和物質(zhì)構(gòu)成[1][2]。

為了消除50Hz工頻干擾，普遍的做法是在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)用數(shù)字濾波的方去除50Hz工頻干擾，然而這是有明顯缺點(diǎn)如采樣頻率的不足會(huì)造成頻率信息的丟失。基于參考噪聲的工頻模擬降噪裝置設(shè)計(jì)就在此背景下提了出來，它能實(shí)時(shí)地補(bǔ)償?shù)舡h(huán)境干擾，使接收線圈接收到的信號(hào)本身就沒有50Hz干擾或干擾很小。

1 反相補(bǔ)償法

航空電磁探測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)的信號(hào)為高頻信號(hào)，容易受到工作環(huán)境中50Hz電磁波及其諧波的干擾。如果可以生成一種電磁波，它的相位和50Hz干擾電磁波相差180°，就可以將50Hz電磁波噪聲減弱甚至抵消掉。將50Hz干擾電磁波作為參考源，設(shè)法將它的相位反轉(zhuǎn)180°，可以對(duì)噪聲源進(jìn)行抵消。

實(shí)現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)的方法有模擬電路方法和數(shù)字電路方法兩大類。而航空電磁探測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高。模擬電路方法最小的延遲為某一頻率噪聲的半個(gè)周期，對(duì)于工頻信號(hào)而言是10ms。而數(shù)字電路方法必須要進(jìn)行模數(shù)變換和數(shù)模變換，相比之下延遲時(shí)間要比模擬電路的方式長(zhǎng)。

本文從模擬電路方法出發(fā)，針對(duì)突出的50Hz工頻干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)消噪裝置設(shè)計(jì)。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 電路框架

信號(hào)采集線圈接收環(huán)境中的電磁信號(hào)，接入帶通濾波器，得到50Hz信號(hào)。然后通過級(jí)間信號(hào)放大器放大后通過移相器把50Hz信號(hào)移相180°。最后經(jīng)過功率放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送線圈，產(chǎn)生與環(huán)境中50Hz干擾等幅同頻反相的電磁場(chǎng)，從而削弱甚至消除原來環(huán)境中50Hz干擾信號(hào)。

2.2 帶通濾波器模塊

本設(shè)計(jì)需要從線圈感應(yīng)信號(hào)中提取出工頻信號(hào)，故需設(shè)計(jì)以中心頻率為50Hz的帶通濾波器，希望具有很窄的帶寬，抗干擾能力強(qiáng)。其設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1）濾波器類型：帶通;2）濾波器階數(shù)：4階;3）中心頻率fc：50Hz;帶寬Bw：3Hz;

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用無限增益多端負(fù)反饋帶通濾波電路[3]。

采用查表歸一快速設(shè)計(jì)方法[4]，選擇Q為10，Kp為1，fc為50Hz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇電容C1=C2=0.3μF，由電阻換標(biāo)系數(shù)計(jì)算得K=6.67，查表選擇相應(yīng)的電阻值為R1=15.915kΩ，R2=0.08kΩ，R3=31.831kΩ，以上阻值乘以K=6.67得實(shí)際電阻值R1=106.15kΩ，R2=0.5336kΩ，R3=212.31kΩ。

運(yùn)放芯片選用LT1007系列，單運(yùn)放噪音很低，是目前可用于單片操作的高性能放大器：2.5nV/√Hz寬帶噪聲（小于400Ω電阻器），1/f角頻率為2Hz和60nv峰間頻率0.1赫茲至10赫茲噪聲。擁有低噪音與卓越的精度和速度。

將兩個(gè)多端負(fù)反饋帶通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成四階帶通濾波器，級(jí)聯(lián)后的品質(zhì)因數(shù)

Q1為單級(jí)二階帶通濾波器品質(zhì)因數(shù)，故本濾波器理論品質(zhì)因數(shù)為Q=15.5。

濾波器中心頻率點(diǎn)為50Hz，3db帶寬為6Hz（fL=47Hz，fH=53Hz），完全滿足設(shè)計(jì)目的和要求。

2.3極間放大模塊

空間內(nèi)的工頻噪聲較小時(shí)，帶通濾波器提取出的參考噪聲信號(hào)非常弱小，可達(dá)毫伏級(jí)，易受干擾，且可能會(huì)造成輸出信號(hào)交越失真，要求設(shè)計(jì)一低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)、增益穩(wěn)定的級(jí)間放大器。

濾波器類型為有源濾波器，輸出阻抗小，故放大器采用輸入阻抗小的反相比例放大器。如此，前后級(jí)阻抗匹配，信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

2.4移相器

選用RC移相電路再接同相放大電路，電路具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。

傳遞函數(shù)是：

工作頻率為50Hz，選擇C1=0.1μF，R1=1kΩ，R3=1MΩ，理論移相范圍0～-176°。

將兩級(jí)移相器串聯(lián)，實(shí)物圖如圖11所示。測(cè)試表明移相器的移相范圍為0～310°，兩級(jí)移相器的移相范圍可以實(shí)現(xiàn)所需要的180°相位移動(dòng)。

2.5完整信號(hào)處理電路

綜合濾波、放大以及移項(xiàng)電路的設(shè)計(jì)，最終得到的信號(hào)處理電路圖13所示。電容C6、C7、C8為耦合電容，用于隔絕直流。

3 其他硬件構(gòu)成

3.1功率放大電路

功率放大器實(shí)物圖如如15所示，采用由功放芯片TDA2030A組成的典型功放電路。TDA2030A能在最低±6V、最高±22V的電壓下工作。在±19V、8Ω阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，總諧波失真≤0.1%[6]。

3.2空心線圈傳感器

本設(shè)計(jì)的接收線圈選擇圓形線圈對(duì)環(huán)境中的電磁信號(hào)進(jìn)行采集。發(fā)射線圈為亥姆霍茲線圈。由于接收線圈與發(fā)射線圈空間位置較近，可以認(rèn)為兩處的電磁干擾相同，因而可以達(dá)到對(duì)消降噪效果。由法拉第電磁感應(yīng)定律可得空心線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

式4.1中：μ為真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10^-7H/m、A為單匝線圈的面積，單位為m2、B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T、H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m[7]。空心線圈傳感器通常采用木質(zhì)或塑料的骨架，線圈的直徑根據(jù)不同用途而選擇，而且其繞制的方式完全相同。

3.3亥姆霍茲補(bǔ)償線圈

亥姆霍茲線圈軸線上形成的磁場(chǎng)B（x）在（-R/2，R/2）范圍內(nèi)是均勻的。

兩正對(duì)線圈區(qū)域內(nèi)部充滿豎直方向的均勻磁場(chǎng)，適合作為發(fā)射裝置。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

測(cè)試裝置整體效果。以信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)模擬亥姆霍茲線圈所處空間的磁電信號(hào)，信號(hào)進(jìn)入電路，通過第一級(jí)信號(hào)放大（實(shí)際放大能力為1～160倍）后進(jìn)入帶通濾波器，之后進(jìn)入兩級(jí)移相器，再通過功率放大器驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈內(nèi)的傳感器接收空間內(nèi)的磁場(chǎng)信號(hào)。改變輸入信號(hào)的頻率，得到下列測(cè)試結(jié)果：

圖13-15中通道1是信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)模擬亥姆霍茲線圈所處空間的磁電信號(hào)，通道2是亥姆霍茲線圈內(nèi)的傳感器接收空間內(nèi)的磁場(chǎng)信號(hào)。

由圖21可知，亥姆霍茲線圈裝置對(duì)50Hz的信號(hào)發(fā)出了較強(qiáng)的反相磁場(chǎng)，由圖22、圖23可知分別在54Hz、46Hz信號(hào)衰減≈3dB，品質(zhì)因數(shù)Q為=6.25。由圖24、圖25可知在61Hz衰減≈15dB，在38Hz衰減≈13.7dB。

5 結(jié)論

裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境50Hz干擾信號(hào)進(jìn)行跟蹤，并對(duì)它移相180°，移相頻率誤差1°以內(nèi);能夠通過亥姆霍茲線圈對(duì)環(huán)境50Hz干擾的補(bǔ)償;亥姆霍茲線圈裝置對(duì)50Hz的信號(hào)發(fā)出了較強(qiáng)的反相磁場(chǎng)，分別在54Hz、46Hz信號(hào)衰減3dB，品質(zhì)因數(shù)Q為6.25。在61Hz衰減15dB，在38Hz衰減13.7dB。可以用于航空電磁法探測(cè)系統(tǒng)，有效降低工頻噪音造成的影響，為后續(xù)的反演工作帶來便利。

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