專利名稱：電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量類，尤其涉及電磁物質(zhì)空間分布的測(cè)量處理裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
電磁層析成像技術(shù)(Electromagnetic Tomography，EMT)是一種二十世紀(jì)九十年代初期發(fā)展起來的基于電磁感應(yīng)原理新型過程的層析成像技術(shù)，它是采用外加的交流激勵(lì)磁場(chǎng)從不同的觀測(cè)角度掃掠具有某種磁導(dǎo)率物質(zhì)分布或電導(dǎo)率物質(zhì)分布的被測(cè)物場(chǎng)，基于電磁感應(yīng)原理，物場(chǎng)中的導(dǎo)磁物質(zhì)會(huì)形成感應(yīng)磁場(chǎng)，而導(dǎo)電物質(zhì)則會(huì)產(chǎn)生電渦流，這些都會(huì)對(duì)原有激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)制作用，二者疊加起來會(huì)在物場(chǎng)邊界上的檢測(cè)線圈中產(chǎn)生不同幅值和相位的感應(yīng)電勢(shì)。
對(duì)于電磁層析成像系統(tǒng)，物場(chǎng)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制反映在幅度和相位的變化上，這要求信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)要具有鑒幅、鑒相功能。目前，常用信號(hào)解調(diào)主要方法有數(shù)字解調(diào)和模擬解調(diào)。
1，數(shù)字解調(diào)，采用微處理器處理信號(hào)離散化后的序列，使用數(shù)字信號(hào)處理算法解調(diào)信號(hào)的信息，它對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求高，而且處理機(jī)需要很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力。但EMT系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求高，層析成像技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)信息量要求大，因而激勵(lì)與檢測(cè)過程對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求也很高，目前純粹數(shù)字信號(hào)處理方法中的軟、硬件條件還不適于在EMT系統(tǒng)的信號(hào)采集與處理單元中使用。
2，模擬解調(diào)，使用模擬器件將被測(cè)信號(hào)中的有用信息直接分解出來，經(jīng)過模擬平均電路轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流分量，通過A/D轉(zhuǎn)換器由微機(jī)系統(tǒng)采集。目前使用的模擬解調(diào)方法包括開關(guān)解調(diào)、正弦波解調(diào)、自相乘解調(diào)等。
模擬解調(diào)中的方波解調(diào)和正弦波解調(diào)是一種相敏乘法解調(diào)，它將一個(gè)與被檢測(cè)信號(hào)嚴(yán)格同相位的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相乘，從而測(cè)得信號(hào)的變化。相敏乘法解調(diào)要求標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與被解調(diào)信號(hào)相位相同，即過零點(diǎn)完全吻合。若只解調(diào)信號(hào)的幅度信息，最簡(jiǎn)單的方法是使用開關(guān)解調(diào)或自相乘解調(diào)。開關(guān)解調(diào)效果類似于全波整流，區(qū)別是開關(guān)解調(diào)準(zhǔn)確，而全波整流受二極管導(dǎo)通電壓及二極管壓降的影響，不利于測(cè)量精密信號(hào)。
在EMT系統(tǒng)中，為獲得物場(chǎng)足夠多的信息，采取旋轉(zhuǎn)激勵(lì)磁場(chǎng)的方法按一定角度掃掠物場(chǎng)。由于被測(cè)物場(chǎng)中導(dǎo)電和導(dǎo)磁物質(zhì)的調(diào)制以及檢測(cè)線圈分布的影響，在不同激勵(lì)方向，甚至在同一激勵(lì)方向下各個(gè)不同檢測(cè)線圈的輸出信號(hào)都存在不同的相位差，這給信號(hào)的解調(diào)帶來困難。例如，在某一固定磁場(chǎng)方向下，檢測(cè)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)相移的大小與檢測(cè)線圈的位置有關(guān)，這樣必須使用解調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)才能與檢測(cè)線圈的相位同步。而且相位信息本身攜帶了物場(chǎng)信息，必須作為圖像重建的依據(jù)之一。所以對(duì)EMT系統(tǒng)檢測(cè)線圈信號(hào)的解調(diào)，要求同時(shí)要獲得其模擬與相位兩種信息，也就是信號(hào)的實(shí)部與虛部信息。一般的解調(diào)方法難以滿足這種要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置及方法，以解決上述難題，滿足電磁層析成像時(shí)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)的需要。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置，其中的計(jì)算機(jī)、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、激勵(lì)信號(hào)放大器、傳感器、檢測(cè)信號(hào)放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)由導(dǎo)體順序連接。解調(diào)信號(hào)發(fā)生器由導(dǎo)體分別與計(jì)算機(jī)、乘法器連接，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器還由導(dǎo)體與多路開關(guān)連接。
一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置的解調(diào)方法，包括下列步驟1，開始；2，控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器，分別產(chǎn)生、輸出激勵(lì)信號(hào)E和解調(diào)信號(hào)D；3，將激勵(lì)信號(hào)E經(jīng)放大，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器，由檢測(cè)信號(hào)放大器接受傳感器輸入的檢測(cè)信號(hào)X，送至多路開關(guān)；同時(shí)，將激勵(lì)信號(hào)E送至多路開關(guān)；4，由多路開關(guān)依次選通激勵(lì)信號(hào)E和檢測(cè)信號(hào)M；5，把解調(diào)信號(hào)D與輸入檢測(cè)信號(hào)X相乘后，進(jìn)行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算記錄結(jié)果U；6，改變解調(diào)信號(hào)D的相位θ，重復(fù)上述2、3、4、5的過程，尋找U的極值，并記錄此時(shí)解調(diào)信號(hào)的θ值，這一θ值就是要解調(diào)的相位；7，控制解調(diào)信號(hào)D的相位，使解調(diào)信號(hào)D與檢測(cè)信號(hào)X同步后相乘，進(jìn)行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，得到相乘后新的結(jié)果U，由新的結(jié)果U計(jì)算后就可得到檢測(cè)信號(hào)的幅度值。
由于本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，因而具有1.在EMT系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)解調(diào)中，能夠完成檢測(cè)信號(hào)全部解調(diào)，測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，速度快，并可在200m內(nèi)完成信號(hào)的檢測(cè)工作。
2.開辟了利用物質(zhì)的電磁性態(tài)對(duì)其分布進(jìn)行在線檢測(cè)技術(shù)的新領(lǐng)域，且為非接觸、非介入和無危害的測(cè)量，易于構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)工作狀況下長期可靠的檢測(cè)系統(tǒng)。
3.廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可用在冶金過程中的檢測(cè)、控制、異物監(jiān)測(cè)和定位，化工分離過程中的檢測(cè)，生物醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的一種解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2是本發(fā)明的一種解調(diào)方法的流程示意圖。
圖中1，計(jì)算機(jī) 2，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器 3，激勵(lì)信號(hào)放大器 4，傳感器5，檢測(cè)信號(hào)放大器 6，多路開關(guān) 7，乘法器 8，濾波器9，A/D轉(zhuǎn)換器10，解調(diào)信號(hào)發(fā)生器具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施詳述如下在圖1中，計(jì)算機(jī)1、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2、激勵(lì)信號(hào)放大器3、傳感器4、檢測(cè)信號(hào)放大器5、多路開關(guān)6、乘法器7、濾波器8、A/D轉(zhuǎn)換器9與計(jì)算機(jī)1由導(dǎo)體順序連接。解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10由導(dǎo)體分別與計(jì)算機(jī)1、乘法器7連接，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2還由導(dǎo)體與多路開關(guān)6相連接。其中，1.計(jì)算機(jī)1用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2的控制信號(hào)CE和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10的控制信號(hào)CD，同時(shí)完成A/D轉(zhuǎn)換器9輸出結(jié)果的讀取。
2.激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2可采用AD7008等電子元器件構(gòu)成，用于產(chǎn)生傳感器4用的激勵(lì)信號(hào)E。
3.激勵(lì)信號(hào)放大器3可采用運(yùn)放LF411，用于將激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)E放大為AE，使AE有較強(qiáng)的激勵(lì)強(qiáng)度。
4.傳感器4用于通過激勵(lì)信號(hào)E產(chǎn)生的磁場(chǎng)，與導(dǎo)電和導(dǎo)磁物質(zhì)的作用來感應(yīng)被測(cè)物質(zhì)。
5.檢測(cè)信號(hào)放大器5可采用運(yùn)放LF411，用于將傳感器4檢測(cè)到的微小檢測(cè)信號(hào)m放大為檢測(cè)信號(hào)M。
6.多路開關(guān)6可采用MAX313型號(hào)，用于選擇激勵(lì)信號(hào)E與檢測(cè)信號(hào)M的通過，信號(hào)X等于通過的信號(hào)。
7.乘法器7可選用AD734型號(hào)，用于將信號(hào)X與D進(jìn)行乘法，輸出為信號(hào)Y。
8.濾波器8可選用四階有源巴特沃斯濾波器，用于對(duì)Y進(jìn)行濾波，輸出結(jié)果為F。
9.信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器9可采用AD1674型號(hào)，用于將信號(hào)F的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出結(jié)果U送入計(jì)算機(jī)1。
10.解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10可采用AD7008型號(hào)等電子元器件構(gòu)成，用于產(chǎn)生解調(diào)信號(hào)D。
在圖2中，電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置的解調(diào)方法，其實(shí)施流程說明如下1.開始，在計(jì)算機(jī)1內(nèi)設(shè)置控制程序指令，用于控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10，分別產(chǎn)生、輸出激勵(lì)信號(hào)E和解調(diào)信號(hào)D。
2.計(jì)算機(jī)1輸出控制程序指令，控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10，分別產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)E和解調(diào)信號(hào)D。
3.激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10，接受計(jì)算機(jī)1輸入的控制程序指令，分別向激勵(lì)信號(hào)放大器2、乘法器7輸出頻率為187.5KHz、幅度為2V、相位為0的激勵(lì)信號(hào)E和解調(diào)信號(hào)D，并分別連接輸送至激勵(lì)信號(hào)放大器3、乘法器7。
4.激勵(lì)信號(hào)放大器3，對(duì)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2輸入的激勵(lì)信號(hào)E經(jīng)過放大后，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器4，并由檢測(cè)信號(hào)放大器5接受傳感器4輸入的檢測(cè)信號(hào)M放大后，輸送至多路開關(guān)6。
同時(shí)由解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10，向乘法器7輸出頻率為187.5KHz、幅度為2V、相位為0的解調(diào)信號(hào)D。
在其過程中，激勵(lì)信號(hào)放大器3可采用運(yùn)放LF411型號(hào)，將激勵(lì)信號(hào)E放大為5V、187.5kHz的信號(hào)，相位仍然為0。傳感器4在激勵(lì)信號(hào)和物場(chǎng)信號(hào)的作用下輸出微小的正弦電壓信號(hào)，頻率不變，幅度在0到2mV之間，相位發(fā)生了變化，范圍大約在-70到+70度之間。
檢測(cè)信號(hào)放大器5可采用運(yùn)放LF411型號(hào)。
5.由多路開關(guān)6對(duì)送入的檢測(cè)信號(hào)M、激勵(lì)信號(hào)E進(jìn)行選通。多路開關(guān)6用于完成信號(hào)的選擇，使檢測(cè)信號(hào)X等于激勵(lì)信號(hào)E。
在其控制過程中，計(jì)算機(jī)1控制多路開關(guān)6使其選通E；E為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn)生的信號(hào)，其幅度為2V，頻率為187.5KHz，相位為0。
6.將多路開關(guān)6輸出的幅度為2V、頻率為187.5KHz、相位為0的選通信號(hào)X，與解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10接受計(jì)算機(jī)1控制程序指令后，發(fā)出的頻率為187.5KHz，幅度為2V，相位為0的解調(diào)信號(hào)D，輸送至乘法器7相乘，然后進(jìn)行濾波和A/D轉(zhuǎn)換，并由計(jì)算機(jī)1計(jì)算、記錄結(jié)果U。
乘法器7可選用AD734型號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)X和信號(hào)D的模擬相乘，乘法輸出結(jié)果Y仍然為正弦波信號(hào)，幅度相位由X和D決定，濾波器8可選為四階有源巴特沃斯濾波器，其作用是將輸入信號(hào)進(jìn)行平滑，得到近似的直流信號(hào)F，然后A/D轉(zhuǎn)換器9在計(jì)算機(jī)1的控制下完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換器9可采用AD1674型號(hào)。
7.解調(diào)信號(hào)發(fā)生器10輸出改變相位θ的解調(diào)信號(hào)D，重復(fù)上述2、3、4、5的步驟，尋找U的極值。U的極值所對(duì)應(yīng)的θ值即為本發(fā)明要解調(diào)的相位值。
尋找U的過程就是搜索過程，即采用通過改變解調(diào)信號(hào)D相位θ的方法來尋找U的極值。相位值的改變可從0到360度搜索。其中，U的極大值所對(duì)應(yīng)的相位即為本發(fā)明要解調(diào)的相位θ。
進(jìn)行相位解調(diào)時(shí)，可首先預(yù)設(shè)相關(guān)系數(shù)為0，即設(shè)定基準(zhǔn)信號(hào)與解調(diào)信號(hào)同步，然后根據(jù)反饋相關(guān)系數(shù)與設(shè)定相關(guān)系數(shù)的差，調(diào)整解調(diào)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的相位差，直到兩個(gè)信號(hào)同步。此時(shí)解調(diào)信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相移就是被測(cè)信號(hào)的相位。
搜索尋找極大值的過程中是采用信號(hào)相關(guān)性的原理，其搜索尋找過程中極大值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)表明兩個(gè)信號(hào)相似性最大。
在搜索尋找過程中，可將解調(diào)信號(hào)D的相位設(shè)置為解調(diào)出的θ值，控制多路開關(guān)6使被測(cè)信號(hào)M被選通，即檢測(cè)信號(hào)X等于被測(cè)信號(hào)M；然后，將解調(diào)信號(hào)D與新輸入的檢測(cè)信號(hào)X相乘后，進(jìn)行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算、記錄結(jié)果U。
這一步驟的細(xì)節(jié)和前幾步驟大部分相同。區(qū)別這次選通的解調(diào)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位應(yīng)相同，這樣才能求出被測(cè)信號(hào)的幅度值。被測(cè)信號(hào)的幅度值可由下列公式求出m(t)＝Acos(ωt+φ)被測(cè)信號(hào)d(t)＝Acos(ωt+φ)解調(diào)信號(hào)Y(t)=limnT→∞1nT∫0nTm(t)d(t)dt=limnT→∞1nT∫0nTA2cos2(ωt+φ)dt=12A2]]>其中Y(t)是信號(hào)經(jīng)過乘法器7和濾波器8的輸出結(jié)果。由此，可計(jì)算出被側(cè)信號(hào)的幅度值A(chǔ)=2×Y(t).]]>由上就得到了電磁層析成像系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)m(t)的幅度A，從而完成了電磁層析成像系統(tǒng)的基于相位反饋搜索的信號(hào)解調(diào)任務(wù)和過程。
由上所述，本發(fā)明將激勵(lì)信號(hào)視為基準(zhǔn)相位的參照信號(hào)，預(yù)設(shè)一個(gè)與基準(zhǔn)信號(hào)頻率、相位一致的解調(diào)信號(hào)，通過控制解調(diào)信號(hào)的相位使得解調(diào)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)進(jìn)行相位卷積，并通過計(jì)算機(jī)1分析相位相關(guān)性，從而確定基準(zhǔn)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位差；然后控制解調(diào)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，利用乘法解調(diào)確定被測(cè)信號(hào)的幅值。
由以上方法解調(diào)得到EMT傳感器4輸出信號(hào)的幅度和相位后，用于圖像重建的計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出分布在傳感器4中的被測(cè)物質(zhì)的空間分布位置，從而完成了在空間中有導(dǎo)電或?qū)Т盘匦缘谋粶y(cè)物質(zhì)的分布位置。例如，在礦石精選過程中，本發(fā)明可用于分辨金屬礦石中非金屬導(dǎo)磁材料的存在。EMT技術(shù)也可用于“不破壞、非介入”的檢測(cè)方法，如檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)中鋼材的用量及分布情況，可為房屋建筑質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。在食品工業(yè)中，EMT技術(shù)還可作為異物檢測(cè)的一種手段，檢測(cè)出食品中的異物。如面包生產(chǎn)線上，應(yīng)用本發(fā)明可快速檢測(cè)到面包中混有的金屬異物等。
權(quán)利要求
1.一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置，其特征在于，計(jì)算機(jī)、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、激勵(lì)信號(hào)放大器、傳感器、檢測(cè)信號(hào)放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)由導(dǎo)體順序連接，解調(diào)信號(hào)發(fā)生器由導(dǎo)體分別與計(jì)算機(jī)、乘法器連接，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器還由導(dǎo)體與多路開關(guān)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號(hào)解調(diào)裝置的解調(diào)方法，包括下列步驟1)開始；2)控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器和解調(diào)信號(hào)發(fā)生器，分別產(chǎn)生、輸出激勵(lì)信號(hào)E和解調(diào)信號(hào)D；3)將激勵(lì)信號(hào)E經(jīng)放大，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器，由檢測(cè)信號(hào)放大器接受傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)X，送至多路開關(guān)；同時(shí)，將激勵(lì)信號(hào)E送至多路開關(guān)；4)由多路開關(guān)依次選通激勵(lì)信號(hào)E和檢測(cè)信號(hào)M；5)把解調(diào)信號(hào)D與輸入檢測(cè)信號(hào)X相乘后，進(jìn)行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算記錄結(jié)果U；6)改變解調(diào)信號(hào)D的相位θ，重復(fù)上述2、3、4、5的過程，尋找U的極值，并記錄此時(shí)解調(diào)信號(hào)的θ值，這一θ值就是要解調(diào)的相位；7)控制解調(diào)信號(hào)D的相位，使解調(diào)信號(hào)D與檢測(cè)信號(hào)X同步后相乘，進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)換，得到相乘后新的結(jié)果U，由新的結(jié)果U計(jì)算后就可得到檢測(cè)信號(hào)的幅度值。
全文摘要
本發(fā)明中的計(jì)算機(jī)、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、激勵(lì)信號(hào)放大器、傳感器、檢測(cè)信號(hào)放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)由導(dǎo)體順序連接。解調(diào)信號(hào)發(fā)生器由導(dǎo)體分別與計(jì)算機(jī)、乘法器連接,激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器還由導(dǎo)體與多路開關(guān)連接。本發(fā)明為非接觸、非介入和無危害的測(cè)量儀器,使用時(shí)將電磁層析成像系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)及其幅度,通過被測(cè)信號(hào)的激勵(lì)、解調(diào)、計(jì)算、處理等,從而完成了電磁層析成像系統(tǒng)的基于相位反饋搜索的信號(hào)解調(diào)任務(wù)和過程?？捎迷谝苯疬^程中的檢測(cè)、控制、異物監(jiān)測(cè)和定位,化工分離過程中的檢測(cè),生物醫(yī)學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域。儀器測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,速度快,并可在200m內(nèi)完成全部信號(hào)的檢測(cè)工作。
文檔編號(hào)G01N27/72GK1380545SQ0211690
公開日2002年11月20日 申請(qǐng)日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月26日
發(fā)明者徐苓安, 劉澤 申請(qǐng)人:天津大學(xué)