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(xì)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(xì)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。

參考文獻

　　[1] 潘玉玲，張昌達.地面核磁共振找水理論和方法[M].北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2000.

　　[2] 林君.核磁共振找水技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地球物理學(xué)進展，2010，25（2）：681-691.

　　[3] 林君，段清明，王應(yīng)吉.核磁共振找水儀原理與應(yīng)用[M].北京：科技出版社，2011.

　　[4] 翁愛華，李舟波，王雪秋.層狀導(dǎo)電介質(zhì)中地面核磁共振響應(yīng)特征理論研究[J].地球物理學(xué)報，2004，47（1）：156-163.

　　[5] 翁愛華，李舟波，王雪秋.地表大回線源在任意層狀介質(zhì)中產(chǎn)生磁場的計算[J].物探化探計算技術(shù)，2000，22(3)：245-249.

　　[6] 戴苗.地面核磁共振找水正反演研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2008.

　　[7] 王應(yīng)吉，趙越，林君，等.核磁共振坑道水探測中線圈激發(fā)場研究[J].地球物理學(xué)進展，2013，28(1)：469-473.

　　[8] 邱東明.多級參差調(diào)諧放大器巴特沃茲響應(yīng)的極零圖設(shè)計[J].電訊技術(shù)，1986.

　　[9] 盧容德，易國華.有源參差帶通濾波器設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2005(1)．

　　[10] 王春民，劉興明，嵇艷鞠.連續(xù)與離散控制系統(tǒng)[M].北京：科技出版社，2008.

　　[11] 王樹本，盧冠華.高頻電子線路原理[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1998.