对于心磁测量中地铁电磁干扰分析.docx

对于心磁测量中地铁电磁干扰分析目前我国城市正处于基础设施建设快速发展时期电子设备种类的不断增加、汽车的普及和城市轨道交通系统的开通运营、空间电磁波频段不断拓展使得电磁环境日益的复杂。电子系统有可能受到电磁干扰的影响给许多现有微弱信号的测量和研究造成严重干扰。北京地铁4号线开通以前北京大学物理学院心磁测量实验室的HTub>cSQUID复合生物磁测量系统测得的磁感应强度T是随机磁场噪声L0T0、工频磁场LaTa和心动磁场TMCG之和:T=T0+LaTa+TMCG。式中La是复合生物磁测量系统的简易磁屏蔽室对工频磁场的衰减因子。地铁4号线开通以后北京大学生物磁实验室新出现一个幅度大频率低的干扰磁场LdTd。这时复合生物磁测量系统中的干扰磁场是T=T0+LaTa+LdTd+TMCG。如图1所示为地铁运行前后人体心磁信号最强点的波形图(测量地点同为北京大学物理学院简易屏蔽室测量人为同一个人:22岁男性身体健康SQUID无已知疾病):(a)(b)图1(a)2010年3月(b)2009年7月心磁测量结果;测量地点:北京大学物理学院采样率1000Hz现在使用地铁四号线开通之前实验室采用的数字信号处理方法分别对两组测量数据进行处理[123]处理步骤为:(1)使用线性回归的方法对两组数据中两个SQUID的数据进行线性回归或者独立变量分析;(2)采用自适应滤波后将信号按照周期进行叠加(3)采用小波变换的随机噪声消除的方法进一步去除残余白噪声。图1(a)的处理结果无论在时序还是频域都无法获得有意义的信息;而图1(b)的处理结果如图2所示:图2地铁运行前处理出的心磁信号面对这种不稳定的干扰要想继续获得高质量的MCG必须找出减少其影响的技术途径和合适的数据处理方法。技术上消除极低频干扰磁场对MCG测量影响和的方法很多[456]但都需要对干扰磁场及其场源的特征和不稳定性产生的原因有所了解。本文利用北京大学物理学院从事生物磁研究的简易磁屏蔽室HTcSQUID磁强计和以计算机为平台的高精度实时数据采集系统组成一个磁场分辨率高、动态范围大的频微弱磁场测量系统[7]对MCG测量和研究中新出现的极低频、大振幅干扰磁场进行了仔细测量和研究。干扰磁场测量数据的时域、频域和空间域的分析结果表明该干扰磁场与地铁列车运行间存在较高相关性从而确定北京大学物理学院周边地区新出现的极低频干扰磁场的来源是北京地铁4号线。测量仪器与方法测量系统包括三部分:简易屏蔽室、由两个灵敏度高且低频响应好的HTcrfSQUID磁强计组成的一阶剃度计以及高精度的数据采集系统。屏蔽室为有铁板和硅钢片组成的造价比较低的2mx2mx2m的立方体;两个SQUID磁强计的轴向距离为6cm测量中SQUID传感器的探测平面朝向地面;数据采集部分是我们基于虚拟仪器技术研制的一个专用数据采集、存储和分析系统。具体如图3所示:图3北京大学的心磁测量系统简易图下面来分别介绍下它们的技术指标:简易磁屏蔽室对直流磁场9dB和工频磁场21dB的衰减;磁强计具有~300fT/Hz1/2(白噪声)电压/磁感应强度转换系数~30mV/nT磁感应强度分辨率优于1皮特最大量程±330nT线性动态范围大于120dB;采集卡的最大采样速率为102.4KHz24位分辨率电压最大输入范围正负10V但输入量程视SQUID输出(即外场)幅度的大小可在±10V、±5V、±2V、±1V、±0.5V、±0.2V、±0.1V之间自动变化。以上指标既能够保证在地铁附近对与地铁列车运行有关的巨大磁扰动进行高精度的测量[8];也能满足小信号测量对数据采集系统高分辨率要求并且能记录下干扰磁场幅度较大时SQUID磁强计的较高电压输出[9]。干扰磁场的测量地点为北京大学物理大楼内的生物磁实验室。它位于地铁4号线北京大学东门站附近SQUID如图4所示:地铁4号线为南北走向。生物磁实验室位于地铁4号线以东距地铁轨道的直线距离约为200米。旁边有两条城市交通主干道南边一百米是成府路西边两百米是白颐路。图4北京大学生物磁实验室所处地理位置测量结果与分析图5为地铁四号线运行前后在北京大学简易屏蔽室空载环境下我们使用同样的一阶梯度计进行采集时两个探测磁强计的输出波形的典型对比图(省略了参考磁强计的输出结果)采样率1000Hz采样时间为30秒。(a)测量于2010年3月15日16:42(b)测量于2009年7月10日16:40。图3(a)给出的低频起伏峰峰值高达150nT。同时也可以看出相对于图(b)图(a)输出波形具有以下特点:低频起伏幅度大;时间周期和幅度不稳