0 引言

　　應用核磁共振探測技術探測地下水是核磁共振技術應用的新領域，開創了應用地球物理方法直接探測地下水的先河[1]。核磁共振是指當射頻磁場的頻率滿足一定條件時，原子核系統中的核子在穩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超前探測的新應用領域，進行隧道涌水探測時，線圈面向探測方向進行鋪設，線圈中通入電流從而在水體位置形成激發場，水中氫質子產生能級躍遷，接收線圈接收信號[3-7]。由于隧道環境條件惡劣，干擾噪聲復雜，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，大大提高電路的選擇性。

1 設計原理

　　參差調諧放大器具有頻帶寬、矩形系數小的優點。對于n級參差濾波電路，其增益表達式為：

　　式中，Hi為單級濾波節的增益，i為單級濾波節的角頻率，Qi為單級濾波節的品質因數。

　　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[8]：

　　由上面n級參差濾波器極點的幾何關系，根據所需要的中心頻率f0和帶寬BW0，就可得到所需設置的各個濾波節的參數，五參差時各個濾波節應設定的頻率和帶寬[9]：

2 總體方案設計

　　本設計中濾波器采用5級濾波節設計。每個濾波節均為可分別程序控制中心頻率及帶寬和固定放大倍數，分別配置參數可實現降低矩形系數的目的。

　　2.1 硬件設計

　　系統硬件采用430芯片結合CPLD的控制方案，如圖2所示。信號輸入經過輸入緩沖器后，依次通過5級濾波，然后經過后級放大后輸出。控制器為430芯片，通信接口為PL2303芯片，時鐘發生單元是CPLD。當控制器接收到上位機數據后，對濾波器帶寬和增益進行設置，同時設置時鐘發生單元。濾波節均采用雙二階半程控開關電容濾波器結合數控電位計，通過程控數控電位計來實現中心頻率、Q值和放大倍數的精細程控。

　　2.2 軟件設計

　　軟件設計包括三個部分：時鐘信號部分的軟件設計、下位單片機的軟件設計、上位機的軟件設計。上位機完成各個濾波節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，將所需的設置數據給下位機。下位機接收到設置數據后，將數據轉換為各個硬件模塊需要的數據格式并依次將其寫入到硬件模塊中。時鐘信號部分采用CPLD產生，運用模塊化的設計方法，接收從下位機控制器發來的控制信號，產生5路頻率可程控的方波。

3 實測結果

　　3.1 系統單獨測試

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

　　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 的狀態全部測出繪制出如圖4曲線，可以看出隨著設置中心頻率的增加，矩形系數可以穩定保持在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，此參數水平完全達到設計要求。

　　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境噪聲進行的整機測試和對比。參數設定：NMR信號頻率2 363 Hz，設置帶寬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據對比圖，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，帶內噪聲強于信號。參差濾波器通帶外抑制效果十分優秀。

　　3.3 野外實測

　　實驗組于2014年8月4日于吉林省長春市農安縣燒鍋鎮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，窄帶濾波器設置中心頻率2 326 Hz，設置帶寬100 Hz，激發電流24.94 A時成功獲取NMR信號，右側波峰為NMR信號，左側波峰為環境干擾頻率成分，參差濾波系統工作正常，達到實驗目的，圖7為實測數據，其中虛曲線為不發射激發電流的空采噪聲，點曲線和實曲線為發射激發電流的連續兩次采集結果。

4 結論

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

參考文獻

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