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摘要：目前，航空电磁法广泛应用于资源勘察及地质结构探测中，而在航空电磁探测系统在工作过程中会受到各种杂波的干扰，其中尤其以50Hz工频干扰最为严重。本课题基于参考噪声的工频模拟降噪装置设计的意义就在于消除50Hz工频干扰的影响。本设计通过空心线圈传感器采集环境中的磁场信号，提取其中工频信号作为参考噪声，通过移相器移相180°，最后通过功率放大器驱动亥姆霍兹线圈，使其内部空间中磁场工频部分因内外抵消，以达到削弱工频干扰的目的。
关键词：工频干扰;参考噪声;补偿线圈;航空电磁勘探
Abstract： At present， Helicopter-borne TEM is widely used in resource exploration and geological structure detection.However， the airborne electromagnetic detection system will be interfered by various clutter in the working process， especially the 50Hz power frequency interference is the most serious. The significance of this design of power frequency analog noise reduction device based on reference noise is to eliminate the influence of 50Hz power frequency interference.This design collects the magnetic field signal in the environment through the hollow coil sensor .extract The 50Hz signal is extracted as the reference noise and transmitted in reverse phase， At last，the Helmholtz coil is driven by a power amplifier to transmit inversion signal.The 50Hzsignal in its internal space is cancelled by internal and external factors， to weaken its interference.
Key words：Power frequency interference; Reference noise; Compensating coil; Helicopter-borne TEM
0 前言
目前，航空电磁法探测系统广泛应用于资源勘察及地质结构探测中。通过研究二次场在时间域上的变化关系，就可以反演出地下导体的电性分布结构进而分析其空间形态和物质构成[1][2]。
为了消除50Hz工频干扰，普遍的做法是在后期数据处理时用数字滤波的方去除50Hz工频干扰，然而这是有明显缺点如采样频率的不足会造成频率信息的丟失。基于参考噪声的工频模拟降噪装置设计就在此背景下提了出来，它能实时地补偿掉环境干扰，使接收线圈接收到的信号本身就没有50Hz干扰或干扰很小。
1 反相补偿法
航空电磁探测系统所探测的信号为高频信号，容易受到工作环境中50Hz电磁波及其谐波的干扰。如果可以生成一种电磁波，它的相位和50Hz干扰电磁波相差180°，就可以将50Hz电磁波噪声减弱甚至抵消掉。将50Hz干扰电磁波作为参考源，设法将它的相位反转180°，可以对噪声源进行抵消。
实现相位反转的方法有模拟电路方法和数字电路方法两大类。而航空电磁探测对实时性要求高。模拟电路方法最小的延迟为某一频率噪声的半个周期，对于工频信号而言是10ms。而数字电路方法必须要进行模数变换和数模变换，相比之下延迟时间要比模拟电路的方式长。
本文从模拟电路方法出发，针对突出的50Hz工频干扰信号，实现消噪装置设计。
2 装置设计
2.1 电路框架
信号采集线圈接收环境中的电磁信号，接入带通滤波器，得到50Hz信号。然后通过级间信号放大器放大后通过移相器把50Hz信号移相180°。最后经过功率放大器驱动信号发送线圈，产生与环境中50Hz干扰等幅同频反相的电磁场，从而削弱甚至消除原来环境中50Hz干扰信号。
2.2 带通滤波器模块
本设计需要从线圈感应信号中提取出工频信号，故需设计以中心频率为50Hz的带通滤波器，希望具有很窄的带宽，抗干扰能力强。其设计指标：
1）滤波器类型：带通;2）滤波器阶数：4阶;3）中心频率fc：50Hz;带宽Bw：3Hz;
电路拓扑结构选用无限增益多端负反馈带通滤波电路[3]。
采用查表归一快速设计方法[4]，选择Q为10，Kp为1，fc为50Hz，根据经验选择电容C1=C2=0.3μF，由电阻换标系数计算得K=6.67，查表选择相应的电阻值为R1=15.915kΩ，R2=0.08kΩ，R3=31.831kΩ，以上阻值乘以K=6.67得实际电阻值R1=106.15kΩ，R2=0.5336kΩ，R3=212.31kΩ。
运放芯片选用LT1007系列，单运放噪音很低，是目前可用于单片操作的高性能放大器：2.5nV/√Hz宽带噪声（小于400Ω电阻器），1/f角频率为2Hz和60nv峰间频率0.1赫兹至10赫兹噪声。拥有低噪音与卓越的精度和速度。
将两个多端负反馈带通滤波器级联构成四阶带通滤波器，级联后的品质因数 Q1为单级二阶带通滤波器品质因数，故本滤波器理论品质因数为Q=15.5。
滤波器中心频率点为50Hz，3db带宽为6Hz（fL=47Hz，fH=53Hz），完全满足设计目的和要求。
2.3极间放大模块
空间内的工频噪声较小时，带通滤波器提取出的参考噪声信号非常弱小，可达毫伏级，易受干扰，且可能会造成输出信号交越失真，要求设计一低噪声、抗干扰能力强、增益稳定的级间放大器。
滤波器类型为有源滤波器，输出阻抗小，故放大器采用输入阻抗小的反相比例放大器。如此，前后级阻抗匹配，信号驱动能力强。
2.4移相器
选用RC移相电路再接同相放大电路，电路具有结构较简单、调节方便的优点。
传递函数是：
工作频率为50Hz，选择C1=0.1μF，R1=1kΩ，R3=1MΩ，理论移相范围0～-176°。
将两级移相器串联，实物图如图11所示。测试表明移相器的移相范围为0～310°，两级移相器的移相范围可以实现所需要的180°相位移动。
2.5完整信号处理电路
综合滤波、放大以及移项电路的设计，最终得到的信号处理电路图13所示。电容C6、C7、C8为耦合电容，用于隔绝直流。
3 其他硬件构成
3.1功率放大电路
功率放大器实物图如如15所示，采用由功放芯片TDA2030A组成的典型功放电路。TDA2030A能在最低±6V、最高±22V的电压下工作。在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，总谐波失真≤0.1%[6]。
3.2空心线圈传感器
本设计的接收线圈选择圆形线圈对环境中的电磁信号进行采集。发射线圈为亥姆霍兹线圈。由于接收线圈与发射线圈空间位置较近，可以认为两处的电磁干扰相同，因而可以达到对消降噪效果。由法拉第电磁感应定律可得空心线圈产生的感应电动势为：
式4.1中：μ为真空磁导率，其值为4π×10^-7H/m、A为单匝线圈的面积，单位为m?、B为磁感应强度，单位为T、H为磁场强度，单位为A/m[7]。空心线圈传感器通常采用木质或塑料的骨架，线圈的直径根据不同用途而选择，而且其绕制的方式完全相同。
3.3亥姆霍兹补偿线圈
亥姆霍兹线圈轴线上形成的磁场B（x）在（-R/2，R/2）范围内是均匀的。
两正对线圈区域内部充满竖直方向的均匀磁场，适合作为发射装置。
4 测试实验
测试装置整体效果。以信号发生器发出的正弦信号模拟亥姆霍兹线圈所处空间的磁电信号，信号进入电路，通过第一级信号放大（实际放大能力为1～160倍）后进入带通滤波器，之后进入两级移相器，再通过功率放大器驱动亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈内的传感器接收空间内的磁场信号。改变输入信号的频率，得到下列测试结果：
图13-15中通道1是信号发生器发出的正弦信号模拟亥姆霍兹线圈所处空间的磁电信号，通道2是亥姆霍兹线圈内的传感器接收空间内的磁场信号。
由图21可知，亥姆霍兹线圈装置对50Hz的信号发出了较强的反相磁场，由图22、图23可知分別在54Hz、46Hz信号衰减≈3dB，品质因数Q为=6.25。由图24、图25可知在61Hz衰减≈15dB，在38Hz衰减≈13.7dB。
5 结论
装置实现对环境50Hz干扰信号进行跟踪，并对它移相180°，移相频率误差1°以内;能够通过亥姆霍兹线圈对环境50Hz干扰的补偿;亥姆霍兹线圈装置对50Hz的信号发出了较强的反相磁场，分别在54Hz、46Hz信号衰减3dB，品质因数Q为6.25。在61Hz衰减15dB，在38Hz衰减13.7dB。可以用于航空电磁法探测系统，有效降低工频噪音造成的影响，为后续的反演工作带来便利。
参考文献
[1]薛国强，李貅，底青云，等.瞬变电磁法理论与应用研究进展[J].地球物理学进展，2007，22（4）：1195—1200.Xue Guo—qiang，Li Xiu，Di Qing yun，at a1.The progress of TEM in theory and application[-J].Pro—gress in Geophysics，2007，22（4）：1195—1200.
[2]王世隆，林君，王言章，随阳轶，孟慧，刘丽敏.直升机式航空时间域电磁法全波收录[J].吉林大学学报（工学版），2011，41（03）：776-781.
[3]张国雄，金篆芷主编，测控电路，北京：机械工业出版社，2000.
[4]宋保业，白星振，公茂法.电气测量中电桥移相电路的分析与仿真[J].实验技术与管理， 2015，（6）： 117-119
[5]符磊. 感应式空心线圈传感器关键技术研究[D].吉林大学，2013.
[6]张石磊. 音频功率放大器设计与实现[D].湖南大学，2018.
[7]中国船舶重工集团公司第七一〇研究所.一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统：中国，CN201711448923.3[P].2018-07-10.
[8]计炜梁，凌强，朱学俊，等.基于 DSP 的主动降噪系统设计与实现[J].微型机与应用，2015，34（24）：32-34，37.
[9]李超.基于相位抵消法的 MR信号抗工频谐波干扰方法研究[D].长春：吉林大学，2018.
[10]任鹏飞.基于对消法的核磁共振找水仪工频谐波干扰滤除模块的设计[D].长春：吉林大学，2009
吉林大学仪器科学与电气工程学院 吉林长春 130026
关键词：工频干扰;参考噪声;补偿线圈;航空电磁勘探
Abstract： At present， Helicopter-borne TEM is widely used in resource exploration and geological structure detection.However， the airborne electromagnetic detection system will be interfered by various clutter in the working process， especially the 50Hz power frequency interference is the most serious. The significance of this design of power frequency analog noise reduction device based on reference noise is to eliminate the influence of 50Hz power frequency interference.This design collects the magnetic field signal in the environment through the hollow coil sensor .extract The 50Hz signal is extracted as the reference noise and transmitted in reverse phase， At last，the Helmholtz coil is driven by a power amplifier to transmit inversion signal.The 50Hzsignal in its internal space is cancelled by internal and external factors， to weaken its interference.
Key words：Power frequency interference; Reference noise; Compensating coil; Helicopter-borne TEM
0 前言
目前，航空电磁法探测系统广泛应用于资源勘察及地质结构探测中。通过研究二次场在时间域上的变化关系，就可以反演出地下导体的电性分布结构进而分析其空间形态和物质构成[1][2]。
为了消除50Hz工频干扰，普遍的做法是在后期数据处理时用数字滤波的方去除50Hz工频干扰，然而这是有明显缺点如采样频率的不足会造成频率信息的丟失。基于参考噪声的工频模拟降噪装置设计就在此背景下提了出来，它能实时地补偿掉环境干扰，使接收线圈接收到的信号本身就没有50Hz干扰或干扰很小。
1 反相补偿法
航空电磁探测系统所探测的信号为高频信号，容易受到工作环境中50Hz电磁波及其谐波的干扰。如果可以生成一种电磁波，它的相位和50Hz干扰电磁波相差180°，就可以将50Hz电磁波噪声减弱甚至抵消掉。将50Hz干扰电磁波作为参考源，设法将它的相位反转180°，可以对噪声源进行抵消。
实现相位反转的方法有模拟电路方法和数字电路方法两大类。而航空电磁探测对实时性要求高。模拟电路方法最小的延迟为某一频率噪声的半个周期，对于工频信号而言是10ms。而数字电路方法必须要进行模数变换和数模变换，相比之下延迟时间要比模拟电路的方式长。
本文从模拟电路方法出发，针对突出的50Hz工频干扰信号，实现消噪装置设计。
2 装置设计
2.1 电路框架
信号采集线圈接收环境中的电磁信号，接入带通滤波器，得到50Hz信号。然后通过级间信号放大器放大后通过移相器把50Hz信号移相180°。最后经过功率放大器驱动信号发送线圈，产生与环境中50Hz干扰等幅同频反相的电磁场，从而削弱甚至消除原来环境中50Hz干扰信号。
2.2 带通滤波器模块
本设计需要从线圈感应信号中提取出工频信号，故需设计以中心频率为50Hz的带通滤波器，希望具有很窄的带宽，抗干扰能力强。其设计指标：
1）滤波器类型：带通;2）滤波器阶数：4阶;3）中心频率fc：50Hz;带宽Bw：3Hz;
电路拓扑结构选用无限增益多端负反馈带通滤波电路[3]。
采用查表归一快速设计方法[4]，选择Q为10，Kp为1，fc为50Hz，根据经验选择电容C1=C2=0.3μF，由电阻换标系数计算得K=6.67，查表选择相应的电阻值为R1=15.915kΩ，R2=0.08kΩ，R3=31.831kΩ，以上阻值乘以K=6.67得实际电阻值R1=106.15kΩ，R2=0.5336kΩ，R3=212.31kΩ。
运放芯片选用LT1007系列，单运放噪音很低，是目前可用于单片操作的高性能放大器：2.5nV/√Hz宽带噪声（小于400Ω电阻器），1/f角频率为2Hz和60nv峰间频率0.1赫兹至10赫兹噪声。拥有低噪音与卓越的精度和速度。
将两个多端负反馈带通滤波器级联构成四阶带通滤波器，级联后的品质因数 Q1为单级二阶带通滤波器品质因数，故本滤波器理论品质因数为Q=15.5。
滤波器中心频率点为50Hz，3db带宽为6Hz（fL=47Hz，fH=53Hz），完全满足设计目的和要求。
2.3极间放大模块
空间内的工频噪声较小时，带通滤波器提取出的参考噪声信号非常弱小，可达毫伏级，易受干扰，且可能会造成输出信号交越失真，要求设计一低噪声、抗干扰能力强、增益稳定的级间放大器。
滤波器类型为有源滤波器，输出阻抗小，故放大器采用输入阻抗小的反相比例放大器。如此，前后级阻抗匹配，信号驱动能力强。
2.4移相器
选用RC移相电路再接同相放大电路，电路具有结构较简单、调节方便的优点。
传递函数是：
工作频率为50Hz，选择C1=0.1μF，R1=1kΩ，R3=1MΩ，理论移相范围0～-176°。
将两级移相器串联，实物图如图11所示。测试表明移相器的移相范围为0～310°，两级移相器的移相范围可以实现所需要的180°相位移动。
2.5完整信号处理电路
综合滤波、放大以及移项电路的设计，最终得到的信号处理电路图13所示。电容C6、C7、C8为耦合电容，用于隔绝直流。
3 其他硬件构成
3.1功率放大电路
功率放大器实物图如如15所示，采用由功放芯片TDA2030A组成的典型功放电路。TDA2030A能在最低±6V、最高±22V的电压下工作。在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，总谐波失真≤0.1%[6]。
3.2空心线圈传感器
本设计的接收线圈选择圆形线圈对环境中的电磁信号进行采集。发射线圈为亥姆霍兹线圈。由于接收线圈与发射线圈空间位置较近，可以认为两处的电磁干扰相同，因而可以达到对消降噪效果。由法拉第电磁感应定律可得空心线圈产生的感应电动势为：
式4.1中：μ为真空磁导率，其值为4π×10^-7H/m、A为单匝线圈的面积，单位为m?、B为磁感应强度，单位为T、H为磁场强度，单位为A/m[7]。空心线圈传感器通常采用木质或塑料的骨架，线圈的直径根据不同用途而选择，而且其绕制的方式完全相同。
3.3亥姆霍兹补偿线圈
亥姆霍兹线圈轴线上形成的磁场B（x）在（-R/2，R/2）范围内是均匀的。
两正对线圈区域内部充满竖直方向的均匀磁场，适合作为发射装置。
4 测试实验
测试装置整体效果。以信号发生器发出的正弦信号模拟亥姆霍兹线圈所处空间的磁电信号，信号进入电路，通过第一级信号放大（实际放大能力为1～160倍）后进入带通滤波器，之后进入两级移相器，再通过功率放大器驱动亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈内的传感器接收空间内的磁场信号。改变输入信号的频率，得到下列测试结果：
图13-15中通道1是信号发生器发出的正弦信号模拟亥姆霍兹线圈所处空间的磁电信号，通道2是亥姆霍兹线圈内的传感器接收空间内的磁场信号。
由图21可知，亥姆霍兹线圈装置对50Hz的信号发出了较强的反相磁场，由图22、图23可知分別在54Hz、46Hz信号衰减≈3dB，品质因数Q为=6.25。由图24、图25可知在61Hz衰减≈15dB，在38Hz衰减≈13.7dB。
5 结论
装置实现对环境50Hz干扰信号进行跟踪，并对它移相180°，移相频率误差1°以内;能够通过亥姆霍兹线圈对环境50Hz干扰的补偿;亥姆霍兹线圈装置对50Hz的信号发出了较强的反相磁场，分别在54Hz、46Hz信号衰减3dB，品质因数Q为6.25。在61Hz衰减15dB，在38Hz衰减13.7dB。可以用于航空电磁法探测系统，有效降低工频噪音造成的影响，为后续的反演工作带来便利。
参考文献
[1]薛国强，李貅，底青云，等.瞬变电磁法理论与应用研究进展[J].地球物理学进展，2007，22（4）：1195—1200.Xue Guo—qiang，Li Xiu，Di Qing yun，at a1.The progress of TEM in theory and application[-J].Pro—gress in Geophysics，2007，22（4）：1195—1200.
[2]王世隆，林君，王言章，随阳轶，孟慧，刘丽敏.直升机式航空时间域电磁法全波收录[J].吉林大学学报（工学版），2011，41（03）：776-781.
[3]张国雄，金篆芷主编，测控电路，北京：机械工业出版社，2000.
[4]宋保业，白星振，公茂法.电气测量中电桥移相电路的分析与仿真[J].实验技术与管理， 2015，（6）： 117-119
[5]符磊. 感应式空心线圈传感器关键技术研究[D].吉林大学，2013.
[6]张石磊. 音频功率放大器设计与实现[D].湖南大学，2018.
[7]中国船舶重工集团公司第七一〇研究所.一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统：中国，CN201711448923.3[P].2018-07-10.
[8]计炜梁，凌强，朱学俊，等.基于 DSP 的主动降噪系统设计与实现[J].微型机与应用，2015，34（24）：32-34，37.
[9]李超.基于相位抵消法的 MR信号抗工频谐波干扰方法研究[D].长春：吉林大学，2018.
[10]任鹏飞.基于对消法的核磁共振找水仪工频谐波干扰滤除模块的设计[D].长春：吉林大学，2009
吉林大学仪器科学与电气工程学院 吉林长春 130026