全文摘要
本实用新型属于核磁共振探测地下水仪器领域，尤其涉及一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置，该装置通过接收线圈接收电磁信号后传输给后端连接的信号预处理电路，信号预处理电路，所述信号预处理电路将电磁信号进行放大并滤波，使得处理后的信号大小适合AD采样，经过信号预处理电路后的信号传输至与其连接的模拟乘法器中，所述模拟乘法器的一输入端还通过减法器连接在FPGA控制单元的输出端，所述模拟乘法器的输出端与积分电路连接后，信号经过积分电路后通过低速ADC采样电路传输至FPGA控制单元，经由FPGA控制单元的输出端连接的RS485电路传输至PC中，本实用新型采集信号时的采样速率远低于原始信号的采样率，对采样装置的存储要求进一步降低。
主设计要求
1.一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置，其特征在于，该装置包括：接收线圈、信号预处理电路、模拟乘法器、积分电路、低速ADC采样电路、FPGA控制单元、RS485电路和减法器，其中：通过接收线圈接收电磁信号后传输给后端连接的信号预处理电路，所述信号预处理电路将电磁信号进行放大并滤波，使得处理后的信号大小适合AD采样，经过信号预处理电路后的信号传输至与其连接的模拟乘法器中，所述模拟乘法器的一输入端还通过减法器连接在FPGA控制单元的输出端，所述模拟乘法器的输出端与积分电路连接后，信号经过积分电路后通过低速ADC采样电路传输至FPGA控制单元，经由FPGA控制单元的输出端连接的RS485电路传输至PC中。
设计方案
1.一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置，其特征在于，该装置包括：接收线圈、信号预处理电路、模拟乘法器、积分电路、低速ADC采样电路、FPGA控制单元、RS485电路和减法器，其中：通过接收线圈接收电磁信号后传输给后端连接的信号预处理电路，所述信号预处理电路将电磁信号进行放大并滤波，使得处理后的信号大小适合AD采样，经过信号预处理电路后的信号传输至与其连接的模拟乘法器中，所述模拟乘法器的一输入端还通过减法器连接在FPGA控制单元的输出端，所述模拟乘法器的输出端与积分电路连接后，信号经过积分电路后通过低速ADC采样电路传输至FPGA控制单元，经由FPGA控制单元的输出端连接的RS485电路传输至PC中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收线圈采用100m×100m的正方形线圈作为接收环境当中电磁噪声的线圈。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号预处理电路包括前置放大器和带通滤波器，前置放大器包括三个低噪声的LT1028远算放大器并联后与一个LT1028运算放大器串联组成，前置放大器的输出端连接了一个带通滤波电路，带通电路由两个LT1028远算放大器构成的低通滤波器组成，截止频率为3kHz和一个高通滤波组成，截止频率为1kHz，使得组成的带通滤波器的范围在1kHz-3kHz之间。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟乘法器采用AD633型号芯片。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分电路包括采用两片AD823运放器，通过辅助电阻和电容串联连接。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低速ADC采样电路采用ADC0809型号的8位模数转换器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述FPGA控制单元选用Alteral公司的EP2C8Q208C8N。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述RS485电路采用P485R芯片，FPGA控制单元电路的RXD和TXD引脚分别与SP485R电路的RO引脚和DI引脚相连接。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于核磁共振探测地下水仪器领域，尤其涉及一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置。
背景技术
中国淡水资源的人均占有量只相当于世界人均占有量的1\/4，且水资源分布及其不均匀，使得地下水的探测变得尤为重要。核磁共振测深技术是目前唯一一种直接有效的探测地下水的地球物理勘探方法。其基本原理是通过探测地下水中氢质子共振跃迁产生的核磁共振信号来实现地下水探测。但是，采集到的核磁共振信号十分微弱，为nV级的，容易受到环境中的噪声干扰，同时，基于传统的Nyquist采样率采集到的数据量过大，对实验仪器的数据存储和数据传输造成了很大的压力。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置解决了目前核磁共振仪器采集到的信号含有太多的冗余信息，同时装置采样速率过高带来的功耗过高，不利于野外的长时间采集信号，同时，采集的压缩信号为后续的实现无线传输打下基础。
本实用新型是这样实现的，一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置，该装置包括：接收线圈、信号预处理电路、模拟乘法器、积分电路、低速ADC采样电路、FPGA控制单元、RS485电路和减法器，其中：通过接收线圈接收电磁信号后传输给后端连接的信号预处理电路，信号预处理电路，所述信号预处理电路将电磁信号进行放大并滤波，使得处理后的信号大小适合AD采样，经过信号预处理电路后的信号传输至与其连接的模拟乘法器中，所述模拟乘法器的一输入端还通过减法器连接在FPGA控制单元的输出端，所述模拟乘法器的输出端与积分电路连接后，信号经过积分电路后通过低速ADC采样电路传输传输至FPGA控制单元，经由FPGA控制单元的输出端连接的RS485电路传输至PC中。
进一步地，所述接收线圈采用100m×100m的正方形线圈作为接收环境当中电磁噪声的线圈。
进一步地，所述信号预处理电路包括前置放大器和带通滤波器，前置放大器包括三个低噪声的LT1028远算放大器并联后与一个LT1028运算放大器串联组成，前置放大器的输出端连接了一个带通滤波电路，带通电路由两个LT1028远算放大器构成的低通滤波器组成，截止频率为3kHz和一个高通滤波组成，截止频率为1kHz，使得组成的带通滤波器的范围在1kHz-3kHz之间。
进一步地，所述模拟乘法器采用AD633型号芯片。
进一步地，所述积分电路包括采用两片AD823运放器，通过辅助电阻和电容串联连接。
进一步地，所述低速ADC采样电路采用ADC0809型号的8位模数转换器。
进一步地，所述FPGA控制单元选用Alteral公司的EP2C8Q208C8N。
进一步地，所述RS485电路采用P485R芯片，FPGA控制单元电路的RXD和TXD引脚分别与SP485R电路的RO引脚和DI引脚相连接。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型通过压缩采样的方式，将高维的模拟信号投影降维到低维，使得所需要的采样速率大大降低，远远低于原始信号所需要的采样率，降低硬件采集部分的要求，使得系统功耗降低，有利于野外的长时间的数据采集。大大得降低了硬件的成本和传输效率。
本实用新型采集信号时的采样速率远低于原始信号的采样率，对采样装置的存储要求进一步降低。在用压缩采样的模块代替传统的高速采样模块，改变了以往高速采样所带来的功耗大、所需存储空间大，传输时容易受到干扰的缺点，达到了节省存储空间、功耗降低、抗干扰等目的，使得核磁共振信号采集装置的硬件要求进一步降低。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置的系统结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的信号预处理电路图；
图3为本实用新型实施例提供的模拟乘法器电路图；
图4为本实用新型实施例提供的低通滤波电路的电路图；
图5为本实用新型实施例提供的ADC0809电路图；
图6为本实用新型实施例提供的减法器电路图；
图7为本实用新型实施例提供的RS485电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示是一种基于压缩感知的核磁共振信号采集装置的结构框图，主要包括：接收线圈1、信号预处理电路2、模拟乘法器3、积分电路4、低速ADC采样电路5、FPGA控制单元6及RS485电路7和减法器8成。
接收线圈1，是根据所需要探测的地下水深度而决定，本实用新型选择100m×100m的正方形线圈作为接收环境当中电磁噪声的线圈；环境当中的电磁噪声，通过接收线圈1传输给后端的信号预处理电路2，信号预处理电路2由前置放大器和带通滤波器组成，信号预处理电路2是将接收线圈1接收到的微小的，范围较宽的电磁信号进行放大并滤波，使得处理后的信号大小适合AD采样，频带在所需的核磁共振信号范围内；经过信号预处理电路2后的信号，在模拟乘法器电路中，信号与FPGA控制单元发射的伪随机序列并经过减法器8减法后得到的伪随机序列相乘，达到扩展信号的频谱的目的。这样可以保证低速采样得到的数据不丢失信息。经过模拟乘法器混频后的信号，经过积分电路4进行积分处理，积分电路是对模糊的频谱信号进行多个点的累加，使得测量点数下降，从而达到降低采样速率的目的。经积分电路4处理后的信号已经实现了信号的降维投影，使得数据量远远降低，完成了测量矩阵的构造。再通过FPGA控制单元核心控制进行低速AD采样电路5对降维后的信号进行低速采样，此时的采样速率远低于原始信号的Nyquist采样率，即只需要一个低速的ADC即可完成完整数据采样，大大降低了硬件采样部分的功耗和对器件的要求。低速ADC采样后，将采样得到的压缩数据发送到FPGA控制单元6，FPGA控制单元6通过RS485电路将采集到的压缩数据传输到PC，PC将采集到的基于压缩感知的压缩数据重构出原始信号。
参见图2所示，信号预处理电路是由前置放大器和带通滤波器组成，前置放大器部分采用的是三个低噪声的LT1028远算放大器并联后与一个LT1028运算放大器串联组成，前置放大器的输出端连接了一个带通滤波电路，带通电路由两个LT1028远算放大器构成的低通滤波器组成，截止频率为3kHz和一个高通滤波组成，截止频率为1kHz，使得组成的带通滤波器的范围在1kHz-3kHz之间。
参见图3所示，模拟乘法器3将FPGA控制单元6发射出来的伪随机序列经过减法电路8得到需要的伪随机序列并和输入的模拟信号相乘，在频域内实现了混频，信号在时域相乘，在频域即卷积，通过卷积，把信号的频谱扩展到整个频域上。本实用新型选择的模拟乘法器芯片为AD633，该芯片便宜且符合设计要求。
由于理想的积分电路在实际的硬件电路很难达到，参见图4所示，本实用新型采用一个低通滤波器来代替积分电路，低通滤波电路采用两片AD823运放，通过电阻和电容连接，构成低通滤波电路，代替理想积分电路的功能，低通滤波电路如图4所示。
经过混频和低通滤波后，信号实现了降维投影，使得数据点数大大降低。此时AD采样速率大大降低，对AD采样电路要求也很低。参见图5所示，本实用新型采用ADC0809为采样芯片，ADC0809是一个8位的模数转换器，功耗低，价格便宜，能够满足降维后的低速采样的要求。
FPGA控制单元6主要功能之一是产生伪随机序列，使得伪随机序列经减法电路8后和输入的模拟信号在模拟乘法器中实现混频；FPGA控制单元产生的伪随机序列经过管脚输出的电平范围在0-3.3V之间，也就是输出的逻辑电平是0和1，而所需要的伪随机序列的电平应为+1和-1，所以在将逻辑电平输入到模拟乘法器3之前，先需经过减法器，将电平范围转化为-1.5-1.8V，使得处理后的伪随机序列的逻辑电平是+1和-1V；FPGA控制单元的第二个功能是控制低速AD采样电路进行采样，并将采样得到的基于压缩感知的压缩数据通过RS485电路传输给PC机，FPGA控制单元选用Alteral公司的EP2C8Q208C8N,该芯片具有功耗低，性能高的特点，故本实用新型采用此芯片作为控制核心；参见图6所示，减法器电路由运放和电阻组成，通过改变电阻值和输入的电压值，即可得到我们所需要的输出电压值，减法器电路如图6所示。
参见图7所示，RS485电路是将FPGA控制单元中的数据传输给电脑，电路是由一个SP485R芯片构成，该芯片可以直接被嵌入到RS485电路中，FPGA控制单元的RXD和TXD引脚分别与SP485R电路的RO引脚和DI引脚相连接。采集电路是否将数据传输给PC，由RD输出的高低电平进行控制传输，具体电路如图7所示。
本实用新型是基于压缩感知的核磁共振信号采集装置，通过压缩采样的方式，将高维的模拟信号投影降维到低维，使得所需要的采样速率大大降低，远远低于原始信号所需要的Nyquist采样率，降低硬件采集部分的要求，使得系统功耗降低，有利于野外的长时间的数据采集。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920293013.0
申请日:2019-03-08
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:82(吉林)
授权编号:CN209727812U
授权时间:20191203
主分类号:G01N24/08
专利分类号:G01N24/08;G01V3/14;H03M1/12;H03M7/30
范畴分类:31E;
申请人:吉林大学
第一申请人:吉林大学
申请人地址:130012 吉林省长春市朝阳区前进大街2699号
发明人:田宝凤;王亮;王子强;郭冬雪
第一发明人:田宝凤
当前权利人:吉林大学
代理人:屈芳
代理机构:21241
代理机构编号:沈阳铭扬联创知识产权代理事务所(普通合伙) 21241
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计