0 引言

　　應(yīng)用核磁共振探測技術(shù)探測地下水是核磁共振技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域,，開創(chuàng)了應(yīng)用地球物理方法直接探測地下水的先河[1],。核磁共振是指當(dāng)射頻磁場的頻率滿足一定條件時，原子核系統(tǒng)中的核子在穩(wěn)定磁場和射頻磁場的共同作用下形成宏觀磁矩,，用線圈拾取宏觀磁矩進動產(chǎn)生的電磁信號以探測水的存在[2],。隧道涌水超前探測是核磁共振技術(shù)超前探測的新應(yīng)用領(lǐng)域，進行隧道涌水探測時,，線圈面向探測方向進行鋪設(shè),，線圈中通入電流從而在水體位置形成激發(fā)場，水中氫質(zhì)子產(chǎn)生能級躍遷,，接收線圈接收信號[3-7],。由于隧道環(huán)境條件惡劣，干擾噪聲復(fù)雜,，為提高核磁共振隧道探測信噪比,，需要濾波器有更好的矩形系數(shù)，大大提高電路的選擇性。

1 設(shè)計原理

　　參差調(diào)諧放大器具有頻帶寬,、矩形系數(shù)小的優(yōu)點,。對于n級參差濾波電路，其增益表達式為：

　　式中,，Hi為單級濾波節(jié)的增益,，i為單級濾波節(jié)的角頻率，Qi為單級濾波節(jié)的品質(zhì)因數(shù),。

　　極點表達式：

　　若S1,，S2…Sn分布在以w0為圓心的左半圓上,，且各個極點為正2n邊形的頂點,，該圓半徑為r，與jw軸交于截止頻率wH和wL,，如圖1所示,，時有最大平坦響應(yīng)[8]：

　　由上面n級參差濾波器極點的幾何關(guān)系，根據(jù)所需要的中心頻率f0和帶寬BW0,，就可得到所需設(shè)置的各個濾波節(jié)的參數(shù),，五參差時各個濾波節(jié)應(yīng)設(shè)定的頻率和帶寬[9]：

2 總體方案設(shè)計

　　本設(shè)計中濾波器采用5級濾波節(jié)設(shè)計。每個濾波節(jié)均為可分別程序控制中心頻率及帶寬和固定放大倍數(shù),，分別配置參數(shù)可實現(xiàn)降低矩形系數(shù)的目的,。

　　2.1 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件采用430芯片結(jié)合CPLD的控制方案，如圖2所示,。信號輸入經(jīng)過輸入緩沖器后,，依次通過5級濾波，然后經(jīng)過后級放大后輸出,?？刂破鳛?30芯片，通信接口為PL2303芯片,，時鐘發(fā)生單元是CPLD,。當(dāng)控制器接收到上位機數(shù)據(jù)后，對濾波器帶寬和增益進行設(shè)置,，同時設(shè)置時鐘發(fā)生單元,。濾波節(jié)均采用雙二階半程控開關(guān)電容濾波器結(jié)合數(shù)控電位計，通過程控數(shù)控電位計來實現(xiàn)中心頻率,、Q值和放大倍數(shù)的精細程控,。

　　2.2 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括三個部分：時鐘信號部分的軟件設(shè)計、下位單片機的軟件設(shè)計,、上位機的軟件設(shè)計,。上位機完成各個濾波節(jié)的中心頻率和帶寬計算，然后采用全雙工異步串行通信方式，將所需的設(shè)置數(shù)據(jù)給下位機,。下位機接收到設(shè)置數(shù)據(jù)后,，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各個硬件模塊需要的數(shù)據(jù)格式并依次將其寫入到硬件模塊中。時鐘信號部分采用CPLD產(chǎn)生,，運用模塊化的設(shè)計方法,，接收從下位機控制器發(fā)來的控制信號，產(chǎn)生5路頻率可程控的方波,。

3 實測結(jié)果

　　3.1 系統(tǒng)單獨測試

　　圖3為程控窄帶濾波系統(tǒng)的頻率特性測試圖,，測試儀器為安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖3(a)為設(shè)置中心頻率為1 600 Hz,、帶寬為40 Hz,；圖3(b)為設(shè)置中心頻率為2 600 Hz、帶寬為100 Hz,；4種設(shè)置狀態(tài)濾波器的矩形系數(shù)均小于2.0,，且通帶內(nèi)較平坦。

　　由于核磁共振找水儀器的采集器常用帶寬為100 Hz,，故將中心頻率從1.1 kHz～2.6 kHz步進20 Hz,，帶寬為100 Hz 的狀態(tài)全部測出繪制出如圖4曲線，可以看出隨著設(shè)置中心頻率的增加,，矩形系數(shù)可以穩(wěn)定保持在1.7,，濾波器增益有最大約34.8 dB的波動，實際帶寬能保持最大3 Hz的誤差,，此參數(shù)水平完全達到設(shè)計要求,。

　　3.2 整機測試

　　圖5是2014年7月4日在吉林省長春市文化廣場，利用核磁同步信號源和環(huán)境噪聲進行的整機測試和對比,。參數(shù)設(shè)定：NMR信號頻率2 363 Hz,，設(shè)置帶寬100 Hz，測量疊加16次,，測量天線為12 m×12 m的4匝天線,，主要干擾為工頻諧波。圖6為參差窄帶濾波器使用前后數(shù)據(jù)對比圖,，上半圖為時域采集圖,，下半圖為頻域圖。點曲線和實曲線為兩次信號采集,，虛曲線為噪聲采集,，最中間波峰為NMR信號成分。

　　從圖6中可以明顯看到,，采用參差窄帶濾波器,，通帶外噪聲基本被壓制干凈，帶內(nèi)噪聲小于信號；而未采用參差窄帶濾波器,，通帶外的噪聲依然存在并較強,，帶內(nèi)噪聲強于信號。參差濾波器通帶外抑制效果十分優(yōu)秀,。

　　3.3 野外實測

　　實驗組于2014年8月4日于吉林省長春市農(nóng)安縣燒鍋鎮(zhèn)采用本窄帶濾波器進行野外實測,，實驗地拉摩爾頻率為2 326 Hz，實驗中發(fā)射線圈為4 m×4 m線圈共12匝,，接收線圈為4 m×4 m線圈共45匝,，窄帶濾波器設(shè)置中心頻率2 326 Hz，設(shè)置帶寬100 Hz,，激發(fā)電流24.94 A時成功獲取NMR信號,，右側(cè)波峰為NMR信號，左側(cè)波峰為環(huán)境干擾頻率成分,，參差濾波系統(tǒng)工作正常,，達到實驗?zāi)康?，圖7為實測數(shù)據(jù),，其中虛曲線為不發(fā)射激發(fā)電流的空采噪聲，點曲線和實曲線為發(fā)射激發(fā)電流的連續(xù)兩次采集結(jié)果,。

4 結(jié)論

　　由于核磁共振隧道超前探測系統(tǒng)靈敏度很高,，可檢測到的信號為納伏級。但隧道環(huán)境條件惡劣,，干擾噪聲復(fù)雜,，工頻諧波頻率會出現(xiàn)在核磁共振信號頻率范圍內(nèi)，對信號采集造成很大干擾,。本設(shè)計的窄帶濾波器中心頻率和帶寬均可精細程控,，矩形系數(shù)小，選擇性十分好,，有很強的弱信號檢測能力,，具備調(diào)整的功能，現(xiàn)已成功應(yīng)用到核磁共振隧道超前探測科研樣機中,。

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