許朋博，王鮮然，歐陽君，楊曉非

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 引言

頻域電磁法是實(shí)現(xiàn)大地電磁探測的重要手段和方法。這種方法在鐵路隧道勘查、工程地質(zhì)問題勘查、淺層巖溶勘查、地下水勘查、煤田水文地質(zhì)勘查、稀有礦床勘查、礦山采空區(qū)探測、深部礦產(chǎn)勘查、金屬探傷、海纜定位、探潛、海底打撈等多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-5]，并取得了很好的效果。一般而言，頻域電磁法中被測磁場頻率范圍從mHz量級(jí)到kHz量級(jí)不等，被測磁信號(hào)幅值范圍從pT量級(jí)到μT量級(jí)不等，跨越的動(dòng)態(tài)范圍和頻率范圍非常廣[6-7]。對于磁傳感器而言，通常動(dòng)態(tài)范圍和頻響范圍有限，不同的磁傳感器適用于不同應(yīng)用場景。例如：常用的光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀只能測量準(zhǔn)直流或低頻磁場。磁通門傳感器低頻噪聲較小，但響應(yīng)頻率一般在1 kHz以內(nèi)。磁阻傳感器頻響范圍寬，最高可到MHz量級(jí)，但低頻噪聲較大。

本文根據(jù)磁通門傳感器和磁阻傳感器各自的特點(diǎn)，提出一種拓寬傳感器工作頻率范圍的方法。文章通過分析數(shù)據(jù)融合算法，并在FPGA平臺(tái)上通過數(shù)字信號(hào)處理加數(shù)據(jù)融合的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低噪聲寬頻帶的混合磁傳感器。通過制作混合寬帶磁傳感器樣機(jī)，并搭建磁傳感器測試平臺(tái)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，最后評估了混合寬帶傳感器的性能。

1 混合磁傳感器的基本原理分析

1.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多傳感器信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)逐漸成為傳感器探測和信息處理領(lǐng)域的重要組成部分[8-9]。多傳感器數(shù)據(jù)融合測量系統(tǒng)一般主要由傳感器(2個(gè)及以上)，數(shù)據(jù)預(yù)處理，特征提取，融合計(jì)算和結(jié)果輸出等部分構(gòu)成,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。信號(hào)預(yù)處理用于信號(hào)傳輸前對信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括放大、濾波等，A/D轉(zhuǎn)換器用于將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，特征提取用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，融合中心一般為計(jì)算機(jī)或者微處理器。

圖1 多傳感器數(shù)據(jù)融合過程

1.2 互補(bǔ)濾波數(shù)據(jù)融合

在多旋翼飛行器的控制中，常常需要控制器實(shí)時(shí)采集陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，并在微處理器上進(jìn)行數(shù)字濾波和姿態(tài)解算。陀螺儀動(dòng)態(tài)性能好，工作頻率高，但存在嚴(yán)重的低頻噪聲。加速度計(jì)對加速敏感，存在低頻噪聲小，而高頻噪聲大的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器在噪聲頻帶上的互補(bǔ)特性，常使用融合算法將2種傳感器數(shù)據(jù)融合在一起，降低了低頻和高頻噪聲對飛行器姿態(tài)測量的影響[10-11]。

針對上述陀螺儀和加速計(jì)來講，當(dāng)多個(gè)傳感器針對同一待測信號(hào)(角度)互相獨(dú)立測量時(shí)，且噪聲互不影響的情況下，互補(bǔ)濾波器提供了一種行之有效的數(shù)據(jù)融合方式。當(dāng)有2個(gè)測量值

y1=x+n1
y2=x+n2

式中：n1為高頻噪聲；n2為低頻噪聲。

假如現(xiàn)有2個(gè)互補(bǔ)的傳遞函數(shù)：

F1(s)+F2(s)=1

式中：F1(s)為低通濾波器；F2(s)為高通濾波器。

則系統(tǒng)狀態(tài)輸出x的估計(jì)傳遞函數(shù)為

X′(s)=F1(s)Y1+F2(s)Y2
=X(s)+F1(s)n1(s)+F2(s)n2(s)

(1)

通過式(1)可以看出信號(hào)X(s)不受濾波器的影響，完全通過。但是對于噪聲n1(s)卻只有低頻部分可以通過，而對于噪聲n2(s)只有高頻部分可以通過，因?yàn)樾盘?hào)X(s)不受濾波器的影響，所以這樣的濾波器也稱為無損濾波器?；パa(bǔ)濾波器常用于融合一階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的低帶寬的位置數(shù)據(jù)和高帶寬的速度數(shù)據(jù)。

1.3 混合磁傳感器的數(shù)據(jù)融合方案分析

由于穿隧磁阻效應(yīng)(TMR)傳感器較其他磁阻傳感器優(yōu)越的性能，文中用到的磁阻傳感器以TMR為例。磁通門具有低頻噪聲小、頻響范圍小的特點(diǎn)，而TMR具有低頻噪聲大、高頻噪聲小，頻響范圍大的特點(diǎn)，磁通門和TMR在整個(gè)測量頻帶內(nèi)兩傳感器的噪聲和工作頻帶也具有互補(bǔ)的特點(diǎn)。

圖2為磁通門和TMR混合傳感器的噪聲譜分析示意圖，圖2(a)是磁通門傳感器的噪聲譜，磁通門的低頻噪聲相對TMR而言較小，但磁通門的工作頻率低。圖2(c)是TMR傳感器的噪聲譜，其噪聲主要集中在低頻段且比磁通門噪聲大，在高頻段噪聲比磁通門小。如果對磁通門傳感器和TMR傳感器的輸出分別加上低通濾波器和高通濾波器，就分別得到圖2(b)和圖2(d)對應(yīng)的噪聲分布圖，可見磁通門的輸出噪聲進(jìn)一步減小，濾除了高頻噪聲，而TMR的低頻噪聲被濾除。如果將經(jīng)過濾波后的磁通門傳感器和TMR傳感器的輸出信號(hào)在頻帶上進(jìn)行“拼接”，即數(shù)據(jù)融合，就可以得到如圖2(e)中所示兩傳感器數(shù)據(jù)融合后的噪聲譜曲線，可以看出融合后的輸出噪聲具備磁通門在低頻處噪聲低的特點(diǎn)，TMR在高頻處噪聲低的特點(diǎn)，達(dá)到了兩傳感器的性能上揚(yáng)長避短的效果。

圖2 磁通門和TMR數(shù)據(jù)融合的噪聲分析

目前對于數(shù)據(jù)融合的處理的方式通常是先將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于待測磁場信號(hào)頻率范圍較寬，為保證混合磁傳感器對待測信號(hào)的實(shí)時(shí)處理以及輸出有較好的噪聲性能，本文在互補(bǔ)濾波數(shù)據(jù)融合算法的基礎(chǔ)上提出了一種行之有效的數(shù)據(jù)融合方式，其算法原理如圖3所示。圖3中GC為磁通門傳感器的輸出增益，GT為TMR傳感器的輸出增益，fp1為磁通門傳感器經(jīng)過低通濾波器后的通帶截至頻率，通帶范圍0～fp1，fp2為TMR傳感器的經(jīng)過高通濾波后的通帶截至頻率，通帶范圍fp1～fn，VC為磁通門輸出電壓，VT為TMR輸出電壓，VO為融合后混合傳感器的輸出電壓。

如圖3(c)所示，現(xiàn)假設(shè)磁通門的通帶截至頻率fp1大于TMR的通帶截至頻率fp2，即fp2

圖3 數(shù)據(jù)融合算法分析

2 混合磁傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

上一小節(jié)分析了磁通門和TMR的融合原理，但其原理分析是簡化的分析方法，忽略了一些條件限制，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)分析，數(shù)據(jù)融合前還存在以下問題：

(1)磁通門和TMR輸出的信號(hào)本身都是模擬信號(hào)，對噪聲敏感，且同一磁場輸出電壓大小不同。

(2)由于磁通門傳感器內(nèi)部有多處慣性環(huán)節(jié)，使得輸出相對于輸入有延時(shí)，進(jìn)而使得磁通門和TMR在測量同一磁場時(shí)輸出存在相位差。

(3)在信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、輸出時(shí)都會(huì)引入一定量的噪聲。

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到以上問題，為保證融合方法的可行性，分析設(shè)計(jì)了混合磁傳感器的硬件電路，其硬件系統(tǒng)電路框圖如圖4所示。

圖4 混合傳感器的系統(tǒng)框圖

磁傳感器主要由磁通門和TMR組成，放大電路用于調(diào)理傳感器輸出信號(hào)。低通濾波器用于濾除磁通門的高頻噪聲，高通濾波器用于濾除TMR的低頻噪聲，全通濾波器用于調(diào)整兩信號(hào)相位差。ADC電路包括ADC轉(zhuǎn)換器、信號(hào)衰減電路、抗混疊濾波器等。數(shù)據(jù)處理電路主要由FPGA系統(tǒng)構(gòu)成，用于數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)融合和電路控制。DAC和重構(gòu)濾波器電路用于模擬輸出，還原待測磁場信號(hào)，UART-USB電路用于和其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信。

2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合傳感器的數(shù)據(jù)融合在FPGA系統(tǒng)內(nèi)部完成，采用Verilog語言對算法進(jìn)行編程，經(jīng)過編譯下載可以在FPGA內(nèi)部映射成實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)并行處理能力，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在FPGA系統(tǒng)中，算法和控制部分由圖5所示的模塊組成。

圖5 FPGA算法與控制模塊組成框圖

ADC驅(qū)動(dòng)用于控制ADC對來自磁通門和TMR的模擬信號(hào)進(jìn)行同步采樣，DAC驅(qū)動(dòng)用于控制DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。前級(jí)FIFO用于隔離FPGA內(nèi)部前后級(jí)時(shí)鐘并緩存ADC送來的數(shù)據(jù)，后級(jí)FIFO用于緩存融合后的數(shù)據(jù)?；瑒?dòng)平均濾波用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，初步濾除數(shù)據(jù)噪聲。在數(shù)據(jù)融合中絕對值電路用于對雙極性信號(hào)進(jìn)行求絕對值運(yùn)算，后級(jí)滑動(dòng)平均濾波模塊用于深度平滑數(shù)據(jù)波形，為數(shù)據(jù)融合中的判斷提供依據(jù)，融合與決策用于數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和輸出。FIR濾波器用于對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)濾波，進(jìn)一步降低系統(tǒng)輸出噪聲。UART邏輯用于對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)控制，保證與其他設(shè)備的正常通信。

3 系統(tǒng)測試分析

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)并制作了混合傳感器的樣機(jī)，其中圖6為磁通門傳感器和TMR傳感器的樣機(jī)，圖7為基于FPGA的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)樣機(jī)。

圖6 磁通門和TMR傳感器樣機(jī)

圖7 FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 測試平臺(tái)介紹

傳感器在設(shè)計(jì)和制作完成后，其性能指標(biāo)需要通過測試進(jìn)行分析和評估。通過對系統(tǒng)軟件和硬件的測試，可以分析出系統(tǒng)的性能，進(jìn)而不斷的對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。為了真實(shí)可靠的評估和分析混合磁傳感器的性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器，搭建了磁傳感器測試平臺(tái)，測試平臺(tái)組成框圖如圖8所示，實(shí)物平臺(tái)如圖9所示。

圖8 磁傳感器測試平臺(tái)框圖

圖9 磁傳感器測試設(shè)備

將磁通門和TMR傳感器放入帶有螺線管的磁屏蔽筒中，并通過電纜連接至屏蔽筒外的FPGA系統(tǒng)板。磁屏蔽筒是由高導(dǎo)磁率的磁性材料內(nèi)外多層組成，可以為外界干擾磁場提供一個(gè)低磁阻的磁通路，使磁力線都通過鐵殼短路而不影響屏蔽體里面的部件，達(dá)到屏蔽目的[5]。周圍環(huán)境磁場經(jīng)過磁屏蔽筒的屏蔽，桶內(nèi)的剩磁小于5 nT，可以忽略不計(jì)，近似為零磁場環(huán)境。屏蔽筒內(nèi)有用于產(chǎn)生磁場的螺線管線圈，通過高精度交直流電流源為螺線管線圈提供電流激勵(lì)，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)磁場。電源采用線性可編程直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓精度高，紋波小。計(jì)算機(jī)通過USB接口與FPGA板進(jìn)行數(shù)字通信，用于對FPGA進(jìn)行編程和獲取磁場數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)軟件直接進(jìn)行分析和處理。示波器用于測試傳感器的頻率響應(yīng)。電壓表采用納伏表，用于測量傳感器輸出電壓，信號(hào)發(fā)生器用于測試和調(diào)整電路各項(xiàng)參數(shù)。

3.2 混合傳感器性能測試

3.2.1 靈敏度

靈敏度(靜態(tài)靈敏度)是傳感器或檢測儀表在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出量的變化Δy與輸入量的變化Δx之比，用k表示：

k=Δy/Δx

(2)

如果輸入輸出特性為線性的傳感器或者儀表，則有：

k=y/x

(3)

根據(jù)上述對傳感器靈敏度的定義，通過搭建的測試平臺(tái)對混合磁傳感器的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。將混合磁傳感器放入磁屏蔽筒中，將其敏感軸和螺線管產(chǎn)生磁場的方向?qū)?zhǔn)，將輸出與納伏表相連，電流源輸出和螺線管輸入相連。調(diào)整電流源的輸出為直流，改變電流源輸出電流的大小，即改變屏蔽筒內(nèi)螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場的大小。每次調(diào)整電流源使電流每次步進(jìn)5 mA，從60 mA至-60 mA變化，記錄每次改變電流值時(shí)磁通門輸出的電壓值。根據(jù)螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場值和混合傳感器對應(yīng)的輸出電壓值列出數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1，利用最小二乘法擬合混合磁傳感器輸入輸出數(shù)據(jù)，得到圖10所示的輸入輸出擬合曲線，并得出混合傳感器的輸出電壓對應(yīng)的磁場值大小的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其轉(zhuǎn)換公式為

VH=0.000 113×BH-0.030 664

(4)

式中：VH為混合磁傳感器的輸出電壓，V；BH為螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場值，nT。

表1 混合磁傳感器輸入輸出數(shù)據(jù)

圖10 混合磁傳感器輸入輸出曲線

由此可以得到靈敏度系數(shù)k=0.113 mV/nT，偏置為-0.030 664 V，測量范圍為±0.8 Gs(1 Gs=105nT)。

3.2.2 磁傳感器噪聲

本底噪聲是磁傳感器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，噪聲的大小決定著磁傳感器能夠測量的最小磁場。本底噪聲的定義：當(dāng)外磁場不變時(shí)，磁通門傳感器的示值在短時(shí)間內(nèi)的變化，磁場噪聲的峰峰值范圍通常為0.1～100 nT。測試方法為：取測量峰峰值為噪聲指標(biāo)，將混合磁傳感器置于磁屏蔽筒內(nèi)，在一段時(shí)間內(nèi)，記錄傳感器輸出值。令測量的最大值為Bn1，最小值為Bn2，則噪聲Bn為

Bn=Bn1-Bn2

(5)

根據(jù)上述測試方法，在10 s內(nèi)對磁通門傳感器的輸出值采樣10個(gè)數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

用高精度數(shù)據(jù)采集卡對混合磁傳感器、磁通門傳感器和TMR的輸出進(jìn)行連續(xù)采樣，并對采樣得到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行噪聲譜分析，可得如圖11所示的噪聲譜曲線圖。通過圖中曲線可以看出，TMR傳感器在低頻處噪聲密度比磁通門傳感器大，在高頻處，較磁通門的噪聲密度小。而混合磁傳感器的噪聲密度在低頻處較TMR傳感器的噪聲小，和磁通門的接近，在高頻處，噪聲密度進(jìn)一步減小，主要原因是混合傳感器在數(shù)據(jù)融合的過程中采用了數(shù)字濾波器的結(jié)果。

表2 混合磁傳感器本底噪聲數(shù)據(jù)

圖11 混合磁傳感器噪聲譜

3.2.3 混合磁傳感器的頻率響應(yīng)

將混合磁傳感器置于測試平臺(tái)中，使其敏感軸和螺線管中磁場的方向?qū)?zhǔn)，使混合磁傳感器的電壓輸出端接到數(shù)字示波器的輸入端，調(diào)整電流源的輸出電流大小，使得輸出一個(gè)固定的電流值，使得螺線管輸出一個(gè)固定峰值的磁場大小。改變電流源的信號(hào)輸出頻率，讀取數(shù)字示波器輸入信號(hào)的峰峰值，從一個(gè)較低頻率開始，逐步增加電流源輸出信號(hào)頻率，并記錄傳感器輸出電壓隨頻率變化的數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)做出磁通門磁傳感器輸出的頻率響應(yīng)曲線。

通過以上方法可以測得磁通門傳感器，TMR傳感器以及混合磁傳感器的頻率響應(yīng)曲線，圖12為磁通門傳感器經(jīng)過低通濾波器后的頻響曲線，圖13為TMR傳感器經(jīng)過高通濾波器后的頻響曲線，圖14為混合磁傳感器的輸出頻響曲線。

由于磁通門傳感器外部接有低通濾波器，這就使得磁通門傳感器的工作頻率受到限制，從圖12中可以看出磁通門在100 Hz處輸出開始衰減，在500 Hz處輸出(Vo)為輸入(Vi)的0.707倍左右，符合低通濾波器的特點(diǎn)。TMR傳感器的工作頻帶較寬，可以從直流到很高頻率，TMR傳感器連接高通濾波器，可以濾除信號(hào)低頻噪聲，其頻率響應(yīng)曲線在圖13中可以看出，符合高通濾波器的特點(diǎn)，同時(shí)看出TMR的響應(yīng)頻率可以達(dá)到10 kHz。根據(jù)磁通門和TMR的頻響曲線，結(jié)合數(shù)據(jù)融合算法測得混合磁傳感器的頻率響應(yīng)曲線如圖14所示，由圖14可以看出混合傳感器的頻率響應(yīng)范圍達(dá)到了10 kHz，且曲線平坦度較高，達(dá)到了拓展單一磁傳感器頻帶的目的，使得混合傳感器可測量較寬頻帶范圍的磁場信號(hào)。

圖12 磁通門傳感器的頻響曲線

圖13 TMR傳感器通過HPF的頻響曲線

圖14 混合磁傳感器的頻響曲線

4 結(jié)束語

在地磁探測領(lǐng)域，被測磁場信號(hào)幅值范圍和頻率都較廣，但還沒有一類磁傳感器能較好的同時(shí)覆蓋如此寬的動(dòng)態(tài)范圍和頻響范圍。本文的重點(diǎn)就是針對此問題設(shè)計(jì)并制作出一種能夠測量頻率范圍相對較寬，且量程相對較大，同時(shí)噪聲又盡可能低的磁傳感器，以滿足多領(lǐng)域磁場測量的應(yīng)用需求。在本文提出的數(shù)據(jù)融合算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，可得如下結(jié)論：

(1)多傳感器數(shù)據(jù)融合基于多個(gè)傳感器分別測量和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，通過信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將不同傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起。本文通過將磁通門傳感器與TMR傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和測試，證明了這種方法的可行性。

(2)互補(bǔ)濾波算法將磁通門噪聲低，工作頻帶窄和TMR高頻噪聲小，頻帶寬的特點(diǎn)充分結(jié)合起來，利用FPGA強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)的能力，采用比較、判斷和濾波的方式將兩傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，拓展單一磁傳感器的工作頻帶，這種方式可以有效減小系統(tǒng)噪聲，為微弱磁探測和寬頻帶磁探測提供了一種行之有效的方法。

(3)通過設(shè)計(jì)和制作混合傳感器樣機(jī)，并搭建系統(tǒng)測試平臺(tái)，測試了混合磁傳感器的靈敏度、噪聲和頻率響應(yīng)等參數(shù)。通過測試和分析可以看出混合磁傳感器較單一磁傳感器優(yōu)越的性能。但混合磁傳感器在實(shí)際設(shè)計(jì)和制作中需要反復(fù)調(diào)試參數(shù)，靈活度不夠高，如何改進(jìn)數(shù)據(jù)融合算法以提高混合傳感器的自適應(yīng)能力，將是后續(xù)進(jìn)一步研究和解決的問題。