基于磁共振信号峰值包络自适应放大和格型滤波算法研究

发布时间：2020-06-02 02:14

【摘要】：目前,我国约有40%的人口面临缺水问题,尤其是在北方干旱、半干旱及西南岩溶地区,为了解决这些地区水资源紧缺的问题,需要合理开发并利用地下淡水资源。磁共振找水技术是一种能直接有效探测到地下淡水资源的方法,由于该技术具有高分辨率、高效率、信息量丰富和解释唯一性等特征,所以一直受到国内外水文地质研究人员的高度关注。虽然磁共振找水技术有以上诸多优势,但在强电力线噪声干扰下,磁共振探水系统经常出现饱和现象。传统的解决措施是根据几组估计噪声水平的实验,人为固定一个较为合适的放大倍数,以防止系统饱和。这种方法没有从根本上解决这个难题,因为噪声特性会随着时间发生变化,固定的放大倍数无法保证系统始终不出现饱和现象。针对上述问题,本文设计了基于磁共振信号峰值包络的自适应放大系统。峰值包络电路用来实时跟踪磁共振信号的变化趋势,编码电路会对包络幅值进行比较和编码,编码值决定程控放大器AD526的增益。在控制器FPGA模块里进行增益码和编码值的转换,同时还要存储所有的阶码(放大倍数)。程控放大器会根据增益码以50kHz的频率调整增益。此外,由于系统增益不统一,还需要对获得的原始数据和放大倍数进行归一化和插值重构处理,以得到有效的磁共振信号。室内外实验结果表明,自适应放大系统既不会在100000nV噪声的室外环境下出现饱和现象,又能探测到有效的磁共振信号,可以进行野外磁共振找水实验。另一方面,虽然自适应放大系统可以起到抗饱和的作用,但磁共振信号相对于工频谐波噪声仍显得很十分微弱,为了得到高质量的数据,还需要进行消噪处理。因此,本文提出一种基于磁共振参考线圈的自适应格型联合滤波算法。滤波器中模块化的格型结构让该算法具有快速收敛的能力,可以更好地改善信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),并能适应低信噪比信号。与典型的变步长LMS算法的仿真对比实验说明,自适应格型联合滤波算法消除工频噪声的能力更强,尤其是当原始数据信噪比低于-20dB时,自适应格型联合滤波算法处理后的信噪比要比变步长LMS算法的高出2dB左右。野外实测数据的处理结果进一步验证了该算法的有效性。
【图文】：

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(a)平衡状态(b)激发状态(c)驰豫状态图 2.1 磁共振地下水探测原理关闭发射后，处于激发态的氢质子会逐渐恢复到平衡态，如图(c)所示一个拉莫尔频率的弛豫场，接收线圈受到感应后，产生自由感应衰减

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图 2.2 自适应滤波原理图.2 是自适应滤波理论的一般框架，图中 x (k)代表输入信号，， (k)表示自适应滤波器输出，它是对期望响应信号 d (k)的估计输入信号 x (k)和自适应滤波器输出 y (k)的差值决定。滤波器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.531;P641.7

【参考文献】