Детектирование сигналов импульсного ядерного квадрупольного резонанса в условиях сильных помех

УДК 539.107

Г.В. Мозжухин, Г.С. Куприянова, А.В. Бодня,

С.В. Молчанов, Д.А. Лукьянов

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ИМПУЛЬСНОГО ЯДЕРНОГО КВАДРУПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСА В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ПОМЕХ

Описана методика выделения сигналов дистанционного ядерного квадрупольного резонанса на фоне сильных помех. Проверка методики проведена на примере сигналов, полученных от детектора ядерного квадрупольного резонанса в диапазоне частот от 1 до З МГц.

The methods of extraction of remote NQR signals in the conditions of strong interference are presented. The method was tested on the signals extracted by NQR detector in the frequency range of 1—З MHz.

Одна из важных проблем, которые возникают при регистрации низкочастотных сигналов в ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР), —

Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. З. Физико-математические науки. С. З4 — З9.

это повышение отношения сигнал/шум на фоне внешних помех. Особенно актуальной эта задача является при дистанционном детектировании азотсодержащих соединений. В таких ЯКР-детекторах приемопередающая система только частично экранирована от внешних помех. Решение этой проблемы во многом усложняется тем, что возникает необходимость идентификации слабого полезного сигнала на фоне сильных внешних помех. Высокий уровень помехи также затрудняет использовать возможности проведения накопления сигнала для повышения отношения сигнал/шум [1].

Кроме того, одним из необходимых условий для широкого внедрения детекторов ЯКР с целью диагностики азотсодержащих соединений является возможность регистрации сигнала за время порядка нескольких секунд. Однако релаксационные параметры ряда азотсодержащих веществ не позволяют сократить время эксперимента. Решение вышеназванных проблем может быть получено при комплексном применении методов адаптивной аппаратной двухканальной фильтрации сигнала и использовании математической обработки сигнала ядерной индукции, а именно при использовании методик очищения сигнала от шума. Это позволяет осуществить частотную фильтрацию спектра, повысить отношение сигнал/шум, выявить паразитные сигналы и повысить достоверность обнаружения полезного сигнала ЯКР.

При детектировании ЯКР-сигналов в открытом контуре большое влияние на результат оказывают внешние сигналы, источники которых находятся достаточно далеко от детектора. При этом источники сигналов имеют основную частоту, близкую к частоте ЯКР, ибо частота ЯКР близка к гармоникам и субгармоникам мешающих сигналов (табл.).

Источники основных помех при детектирование азотсодержащих соединений на основе таблицы распределения радиочастот РФ

Назначение диапазона Диапазоны, кГц

Радионавигация морская и воздушная 85—526,5

Радиовещание 526,5—1606,5

Радиолокация, морское радио, любительское радио 1606,5 — 2173,5

Стандарты, морское радио, сигналы бедствия, воздушная связь 2173,5 — 3400

Воздушная связь, любительское радио, стандарты времени, подвижная морская и сухопутная связь 3400—5050

Возможно применение двух методов: пассивной защиты и активной защиты. Примером пассивной защиты является градиометр, разработанный Naval Research Laboratory [2]. Данный градиометр имеет коэффициент подавления внешней помехи 17—30 дБ. Но существенными недостатками является более низкая чувствительность устройства и резкое ослабление радиочастотного магнитного поля с увеличением расстояния. Метод активной защиты, предложенный компанией "Quantum Magnetic" [1], состоит из эффективной катушки и внешней

56

антенны, специально сконструированной для регистрации только внешних помех. Для внешней антенны используется дополнительный канал, подключенный к системе обработки данных и управления детектором. Для обработки канала используются дополнительные вычислительные ресурсы.

Для нашего устройства была применена система из двух каналов, которые затем объединяются в общей канал, поступающий на приемник консоли "Apollo" (рис. 1). Канал 1 (основная антенна) представляет катушку с предусилителем, которые частично экранированы и непосредственно улавливают сигнал ЯКР и помеху. В канале 2 имеется также приемный контур и собственный предусилитель, как и в канале 1, но располагается он вне экрана. Канал 2 регистрирует только внешние помехи. Основная задача при настройке — добиться совпадения фаз и амплитуд обоих сигналов и помех с двух каналов таким образом, чтобы достичь максимально большого подавления помех. Наилучшие результаты удается получить при использовании устройства адаптивной фильтрации во втором канале, где подбирается амплитуда и фаза помехи. При этом удалось добиться коэффициента подавления синфазной помехи не менее 20 дБ.

Рис. 1. Двухканальная система подавления внешних помех

Проверка, проведенная на частотах 5190 кГц и 3410 кГц, показала высокую эффективность данной методики, которая окончательно включает следующие шаги: а) регистрация сигналов в основном канале без регистрации сигнала ЯКР; б) регистрация сигналов во вспомогательном канале; в) сложение противофазных сигналов от двух каналов в суммирующем устройстве; г) регулировка в адаптивном фильтре усиления, частотной полосы и фазы по минимуму выходного сигнала; д) возбуждение сигнала ЯКР с помощью многоимпульсной последовательности с регистрацией суммарного сигнала; е) цифровая обработка сигналов. Результаты при однократном прохождении на азоте 14N в C3H6N6O6 при комнатной температуре показаны на рисунке 2. Результаты получены при использовании консоли "Apollo" производства американской компании "Tecmag".

Рис. 2. Сигналы после Фурье-преобразования в двухканальной системе подавления внешних помех: а — сигнал помехи и шума в основном канале без подключения второго канала без усреднения; б — сигнал помехи и шума после аналогового сумматора без усреднения

В результате проведенных работ удалось получить сигналы ЯКР от 150-граммового образца (3000 накоплений) на расстоянии более 15 см в условиях отсутствия экранирования приемной системы (рис. 3).

9.5626Ь+005

7.9688^+005

6.3750Ь+005

4.781 Зр+005 1

3.1875Є+005

1.5938^+005

-1,593е+005 160ЬО.О 801 о.о о! -80С 0.0 -16С га о:

3.187& 1005 С 3 С

Рис. 3. Сигнал ЯКР от 150 г С^й^Ой при условии отсутствия экранирования приемной системы и образца

После фильтрации сигнала ЯКР от внешней помехи следующим шагом желательно провести обработку сигнала с целью выделения слабого сигнала ЯКР из шума. В качестве источников шума предполагаются тепловые шумы образца и системы, радиотехнические шумы самого устройства, любые статистические шумы. Наиболее распространенный алгоритм очищения сигнала от шума, позволяющий значительно попытать отношение сигнал/шум, — это так называемый алгоритм Кад-зофа (Сад80ш де-по18и^ а^оп1т, СБЛ) [3], основанный на разложении временного сигнала по определенному вейвлет-базису.

Как правило, предполагается, что спад свободной индукции можно представить в виде двух компонентов: спадающих синусоид и белого гауссова шума:

^ \р\ = ''^скхп*г +е[п]=5[«] + е[«],

к=1

где п = 0, ..., N ск = ак ехр(/да) —комплексная амплитуда к-ого комплексного сигнала; хк = ехр[(- с +/2яук)Т\ — к-ая составляющая сигнала; Т — вре-

58

менной интервал; ак — постоянная распада к-ого компонента; ц — частота к-компонента; 8 — задержка времени Ь = 81; е[п] — гауссов шум; К — число затухающих синусоид э[п]; э[п] — сигнал индукции; 5[п] — зашумленный сигнал индукции. Предполагается, что сигнал и шум не коррелированы.

При обработки временных сигналов ЯКР применена процедура разложения сигнала по различным базисным функциям. С этой целью использовались разнообразные вейвлеты, при этом варьировались различные уровни разложения (так называемой декомпозиции) сигнала. За нулевой уровень декомпозиции принимался сам сигнал, а более низкие уровни декомпозиции образуют так называемое вейвлет-дерево разных видов. Точность представления сигнала по мере перехода на более низкие уровни декомпозиции снижается, но зато появляется возможность вейвлет-фильтрации сигналов, удаления из сигналов шумовой компоненты. Процедуру обработки сигнала можно осуществить в рамках математического пакета МаАаЪ при правильном подборе параметров обработки сигнала. Были исследованы сигналы ЯКР 14М в СэИвМбОб на частотах 5193 кГц и 3410 кГц.

С целью исследования зависимости процедуры очищения от выбора базиса использованы различные вейвлеты для разложения сигнала, но одинаковые методики очищения сигнала от шума. На рисунке 4 представлены спектры сигналов, подвергнутых обработке. Несмотря на то что применялась одинаковая для всех сигналов процедура «очищения», восстановленные спектры различаются по форме и по присутствию шумовых компонент. Однако во всех случаях следует отметить значительный рост отношения сигнал/шум.

в

Рис. 4. Спектр ЯКР C3HeN6O6, полученный после применения методики очищения сигнала от шума. Метод определения порога — minimax, режим — мягкий (soft), структура шума — белый гауссов шум (unsealed white noise): а — использован вейвлет Хаара, уровень разложения — 5; б — использован вейвлет Симплета, уровень разложения — 5; в — использован вейвлет Коифлетса,

уровень разложения — 5

Таким образом разработана и проверена на реальных образцах методика выделения слабого сигнала ЯКР из шумов в условиях сильных внешних помех промышленного и иного происхождения.

Авторы выражают благодарность сотрудникам Китайского института распространения радиоволн за помощь в проведении экспериментов.

Список литературы

1. Garroway A.N., Buess M.L., Miller J.B., Suits B.H., Hibbs A.D., Barrall G.A., Matthews R., Burnett L.J. // IEEE transaction on geoscience and remote sensing. Vol. 39. N 6, 1108-1117 (2001).

2. Suits B.H., Garroway A.N., Miller J.B. // Journal of Mag. Res. 131, 154—158 (1998).

3. Cancino-de-Greiff H.F., Ramos-Garcia R., Lorenzo-Ginori J.V. // Concepts in Magnetic Resonance. Vol. 14(6). 388—401(2002).

Об авторах

Г.В. Мозжухин — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, mgeorge@gazinter.net

Г.С. Куприянова — д-р физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, mgeorge@gazinter.net

А.В. Бодня — ст. преп., РГУ им. И. Канта.

С.В. Молчанов — ст. преп., РГУ им. И. Канта.

Д. А. Лукьянов — соискатель, РГУ им. И. Канта.