專利名稱：電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號解調(diào)裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于測量類，尤其涉及電磁物質(zhì)空間分布的測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)是一種二十世紀九十年代初期發(fā)展起來的基于電磁感應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磁場從不同的觀測角度掃掠具有某種磁導率物質(zhì)分布或電導率物質(zhì)分布的被測物場，基于電磁感應原理，物場中的導磁物質(zhì)會形成感應磁場，而導電物質(zhì)則會產(chǎn)生電渦流，這些都會對原有激勵磁場產(chǎn)生調(diào)制作用，二者疊加起來會在物場邊界上的檢測線圈中產(chǎn)生不同幅值和相位的感應電勢。
對于電磁層析成像系統(tǒng)，物場對激勵信號的調(diào)制反映在幅度和相位的變化上，這要求信號解調(diào)系統(tǒng)要具有鑒幅、鑒相功能。目前，常用信號解調(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離散化后的序列，使用數(shù)字信號處理算法解調(diào)信號的信息，它對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求高，而且處理機需要很強的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力。但EMT系統(tǒng)對實時性的要求高，層析成像技術(shù)對數(shù)據(jù)信息量要求大，因而激勵與檢測過程對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求也很高，目前純粹數(shù)字信號處理方法中的軟、硬件條件還不適于在EMT系統(tǒng)的信號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信號中的有用信息直接分解出來，經(jīng)過模擬平均電路轉(zhuǎn)換為對應的直流分量，通過A/D轉(zhuǎn)換器由微機系統(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)，它將一個與被檢測信號嚴格同相位的信號與被測信號相乘，從而測得信號的變化。相敏乘法解調(diào)要求標準信號與被解調(diào)信號相位相同，即過零點完全吻合。若只解調(diào)信號的幅度信息，最簡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)準確，而全波整流受二極管導通電壓及二極管壓降的影響，不利于測量精密信號。
在EMT系統(tǒng)中，為獲得物場足夠多的信息，采取旋轉(zhuǎn)激勵磁場的方法按一定角度掃掠物場。由于被測物場中導電和導磁物質(zhì)的調(diào)制以及檢測線圈分布的影響，在不同激勵方向，甚至在同一激勵方向下各個不同檢測線圈的輸出信號都存在不同的相位差，這給信號的解調(diào)帶來困難。例如，在某一固定磁場方向下，檢測信號與激勵信號相移的大小與檢測線圈的位置有關(guān)，這樣必須使用解調(diào)的標準信號才能與檢測線圈的相位同步。而且相位信息本身攜帶了物場信息，必須作為圖像重建的依據(jù)之一。所以對EMT系統(tǒng)檢測線圈信號的解調(diào)，要求同時要獲得其模擬與相位兩種信息，也就是信號的實部與虛部信息。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解調(diào)裝置及方法，以解決上述難題，滿足電磁層析成像時快速、準確檢測的需要。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號解調(diào)裝置，其中的計算機、激勵信號發(fā)生器、激勵信號放大器、傳感器、檢測信號放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計算機由導體順序連接。解調(diào)信號發(fā)生器由導體分別與計算機、乘法器連接，激勵信號發(fā)生器還由導體與多路開關(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，控制激勵信號發(fā)生器和解調(diào)信號發(fā)生器，分別產(chǎn)生、輸出激勵信號E和解調(diào)信號D；3，將激勵信號E經(jīng)放大，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器，由檢測信號放大器接受傳感器輸入的檢測信號X，送至多路開關(guān)；同時，將激勵信號E送至多路開關(guān)；4，由多路開關(guān)依次選通激勵信號E和檢測信號M；5，把解調(diào)信號D與輸入檢測信號X相乘后，進行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，計算記錄結(jié)果U；6，改變解調(diào)信號D的相位θ，重復上述2、3、4、5的過程，尋找U的極值，并記錄此時解調(diào)信號的θ值，這一θ值就是要解調(diào)的相位；7，控制解調(diào)信號D的相位，使解調(diào)信號D與檢測信號X同步后相乘，進行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，得到相乘后新的結(jié)果U，由新的結(jié)果U計算后就可得到檢測信號的幅度值。
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)檢測信號解調(diào)中，能夠完成檢測信號全部解調(diào)，測驗數(shù)據(jù)準確，速度快，并可在200m內(nèi)完成信號的檢測工作。
2.開辟了利用物質(zhì)的電磁性態(tài)對其分布進行在線檢測技術(shù)的新領域，且為非接觸、非介入和無危害的測量，易于構(gòu)成現(xiàn)場工作狀況下長期可靠的檢測系統(tǒng)。
3.廣闊的應用領域，可用在冶金過程中的檢測、控制、異物監(jiān)測和定位，化工分離過程中的檢測，生物醫(yī)學研究等領域。


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，計算機 2，激勵信號發(fā)生器 3，激勵信號放大器 4，傳感器5，檢測信號放大器 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)信號發(fā)生器具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施詳述如下在圖1中，計算機1、激勵信號發(fā)生器2、激勵信號放大器3、傳感器4、檢測信號放大器5、多路開關(guān)6、乘法器7、濾波器8、A/D轉(zhuǎn)換器9與計算機1由導體順序連接。解調(diào)信號發(fā)生器10由導體分別與計算機1、乘法器7連接，激勵信號發(fā)生器2還由導體與多路開關(guān)6相連接。其中，1.計算機1用于產(chǎn)生激勵信號發(fā)生器2的控制信號CE和解調(diào)信號發(fā)生器10的控制信號CD，同時完成A/D轉(zhuǎn)換器9輸出結(jié)果的讀取。
2.激勵信號發(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用的激勵信號E。
3.激勵信號放大器3可采用運放LF411，用于將激勵信號發(fā)生器2產(chǎn)生的激勵信號E放大為AE，使AE有較強的激勵強度。
4.傳感器4用于通過激勵信號E產(chǎn)生的磁場，與導電和導磁物質(zhì)的作用來感應被測物質(zhì)。
5.檢測信號放大器5可采用運放LF411，用于將傳感器4檢測到的微小檢測信號m放大為檢測信號M。
6.多路開關(guān)6可采用MAX313型號，用于選擇激勵信號E與檢測信號M的通過，信號X等于通過的信號。
7.乘法器7可選用AD734型號，用于將信號X與D進行乘法，輸出為信號Y。
8.濾波器8可選用四階有源巴特沃斯濾波器，用于對Y進行濾波，輸出結(jié)果為F。
9.信號A/D轉(zhuǎn)換器9可采用AD1674型號，用于將信號F的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出結(jié)果U送入計算機1。
10.解調(diào)信號發(fā)生器10可采用AD7008型號等電子元器件構(gòu)成，用于產(chǎn)生解調(diào)信號D。
在圖2中，電磁層析成像的基于相位反饋搜索信號解調(diào)裝置的解調(diào)方法，其實施流程說明如下1.開始，在計算機1內(nèi)設置控制程序指令，用于控制激勵信號發(fā)生器2和解調(diào)信號發(fā)生器10，分別產(chǎn)生、輸出激勵信號E和解調(diào)信號D。
2.計算機1輸出控制程序指令，控制激勵信號發(fā)生器2和解調(diào)信號發(fā)生器10，分別產(chǎn)生激勵信號E和解調(diào)信號D。
3.激勵信號發(fā)生器2和解調(diào)信號發(fā)生器10，接受計算機1輸入的控制程序指令，分別向激勵信號放大器2、乘法器7輸出頻率為187.5KHz、幅度為2V、相位為0的激勵信號E和解調(diào)信號D，并分別連接輸送至激勵信號放大器3、乘法器7。
4.激勵信號放大器3，對激勵信號發(fā)生器2輸入的激勵信號E經(jīng)過放大后，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器4，并由檢測信號放大器5接受傳感器4輸入的檢測信號M放大后，輸送至多路開關(guān)6。
同時由解調(diào)信號發(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D。
在其過程中，激勵信號放大器3可采用運放LF411型號，將激勵信號E放大為5V、187.5kHz的信號，相位仍然為0。傳感器4在激勵信號和物場信號的作用下輸出微小的正弦電壓信號，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。
檢測信號放大器5可采用運放LF411型號。
5.由多路開關(guān)6對送入的檢測信號M、激勵信號E進行選通。多路開關(guān)6用于完成信號的選擇，使檢測信號X等于激勵信號E。
在其控制過程中，計算機1控制多路開關(guān)6使其選通E；E為激勵信號發(fā)生器2產(chǎn)生的信號，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X，與解調(diào)信號發(fā)生器10接受計算機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D，輸送至乘法器7相乘，然后進行濾波和A/D轉(zhuǎn)換，并由計算機1計算、記錄結(jié)果U。
乘法器7可選用AD734型號，實現(xiàn)信號X和信號D的模擬相乘，乘法輸出結(jié)果Y仍然為正弦波信號，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進行平滑，得到近似的直流信號F，然后A/D轉(zhuǎn)換器9在計算機1的控制下完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換器9可采用AD1674型號。
7.解調(diào)信號發(fā)生器10輸出改變相位θ的解調(diào)信號D，重復上述2、3、4、5的步驟，尋找U的極值。U的極值所對應的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的極大值所對應的相位即為本發(fā)明要解調(diào)的相位θ。
進行相位解調(diào)時，可首先預設相關(guān)系數(shù)為0，即設定基準信號與解調(diào)信號同步，然后根據(jù)反饋相關(guān)系數(shù)與設定相關(guān)系數(shù)的差，調(diào)整解調(diào)信號與基準信號的相位差，直到兩個信號同步。此時解調(diào)信號相對于基準信號的相移就是被測信號的相位。
搜索尋找極大值的過程中是采用信號相關(guān)性的原理，其搜索尋找過程中極大值所對應的點表明兩個信號相似性最大。
在搜索尋找過程中，可將解調(diào)信號D的相位設置為解調(diào)出的θ值，控制多路開關(guān)6使被測信號M被選通，即檢測信號X等于被測信號M；然后，將解調(diào)信號D與新輸入的檢測信號X相乘后，進行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，并計算、記錄結(jié)果U。
這一步驟的細節(jié)和前幾步驟大部分相同。區(qū)別這次選通的解調(diào)信號與被測信號的相位應相同，這樣才能求出被測信號的幅度值。被測信號的幅度值可由下列公式求出m(t)＝Acos(ωt+φ)被測信號d(t)＝Acos(ωt+φ)解調(diào)信號Y(t)=limnT→∞1nT∫0nTm(t)d(t)dt=limnT→∞1nT∫0nTA2cos2(ωt+φ)dt=12A2]]>其中Y(t)是信號經(jīng)過乘法器7和濾波器8的輸出結(jié)果。由此，可計算出被側(cè)信號的幅度值A=2×Y(t).]]>由上就得到了電磁層析成像系統(tǒng)中被測信號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解調(diào)任務和過程。
由上所述，本發(fā)明將激勵信號視為基準相位的參照信號，預設一個與基準信號頻率、相位一致的解調(diào)信號，通過控制解調(diào)信號的相位使得解調(diào)信號與被測信號進行相位卷積，并通過計算機1分析相位相關(guān)性，從而確定基準信號與被測信號的相位差；然后控制解調(diào)信號與被測信號同步，利用乘法解調(diào)確定被測信號的幅值。
由以上方法解調(diào)得到EMT傳感器4輸出信號的幅度和相位后，用于圖像重建的計算機就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出分布在傳感器4中的被測物質(zhì)的空間分布位置，從而完成了在空間中有導電或?qū)Т盘匦缘谋粶y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磁材料的存在。EMT技術(shù)也可用于“不破壞、非介入”的檢測方法，如檢測建筑結(jié)構(gòu)中鋼材的用量及分布情況，可為房屋建筑質(zhì)量的評價提供科學依據(jù)。在食品工業(yè)中，EMT技術(shù)還可作為異物檢測的一種手段，檢測出食品中的異物。如面包生產(chǎn)線上，應用本發(fā)明可快速檢測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解調(diào)裝置，其特征在于，計算機、激勵信號發(fā)生器、激勵信號放大器、傳感器、檢測信號放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計算機由導體順序連接，解調(diào)信號發(fā)生器由導體分別與計算機、乘法器連接，激勵信號發(fā)生器還由導體與多路開關(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)控制激勵信號發(fā)生器和解調(diào)信號發(fā)生器，分別產(chǎn)生、輸出激勵信號E和解調(diào)信號D；3)將激勵信號E經(jīng)放大，輸入電磁層析成像系統(tǒng)傳感器，由檢測信號放大器接受傳感器輸出的檢測信號X，送至多路開關(guān)；同時，將激勵信號E送至多路開關(guān)；4)由多路開關(guān)依次選通激勵信號E和檢測信號M；5)把解調(diào)信號D與輸入檢測信號X相乘后，進行濾波，A/D轉(zhuǎn)換，計算記錄結(jié)果U；6)改變解調(diào)信號D的相位θ，重復上述2、3、4、5的過程，尋找U的極值，并記錄此時解調(diào)信號的θ值，這一θ值就是要解調(diào)的相位；7)控制解調(diào)信號D的相位，使解調(diào)信號D與檢測信號X同步后相乘，進行濾波、A/D轉(zhuǎn)換，得到相乘后新的結(jié)果U，由新的結(jié)果U計算后就可得到檢測信號的幅度值。
全文摘要
本發(fā)明中的計算機、激勵信號發(fā)生器、激勵信號放大器、傳感器、檢測信號放大器、多路開關(guān)、乘法器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器與計算機由導體順序連接。解調(diào)信號發(fā)生器由導體分別與計算機、乘法器連接,激勵信號發(fā)生器還由導體與多路開關(guān)連接。本發(fā)明為非接觸、非介入和無危害的測量儀器,使用時將電磁層析成像系統(tǒng)中被測信號及其幅度,通過被測信號的激勵、解調(diào)、計算、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解調(diào)任務和過程?？捎迷谝苯疬^程中的檢測、控制、異物監(jiān)測和定位,化工分離過程中的檢測,生物醫(yī)學研究等應用領域。儀器測驗數(shù)據(jù)準確,速度快,并可在200m內(nèi)完成全部信號的檢測工作。
文檔編號G01N27/72GK1380545SQ0211690
公開日2002年11月20日 申請日期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 申請人:天津大學