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HT

ubc SQUID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[1,2,3],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[4,5,6],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,HTc SQUID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HTc rf SQUID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102.4KHz,24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定。

图5北京大学(a)地铁运行后(b)地铁运行前探测磁强计的典型输出波形

为了更加细致的了解这个频率比较低幅度很大的磁场的基本特点,利用快速傅里叶变换的方法计算磁场的噪声谱密度;采用hanning 窗得到的噪声谱如图6所示。根据所得到的两组噪声谱进行比较分析。

(a)

(b)

图6(a)地铁运行后(b)地铁运行前北京大学简易屏蔽室环境噪声谱

通过对比两图我们可以看到,(a)和(b)输出磁场噪声谱密度具有相似形态。但磁场噪声幅度大小和1/f噪声拐点频率间有明显差异。例如(b)和(a)磁场噪声谱密度在白噪声段的最大值分别为:~3pT/Hz1/2和320 pT/Hz1/2;1/f噪声的拐点频率分别约等于30Hz和80Hz。我们认为这些差异代表地铁运行前后测量点处的存在不同的磁干扰源[10]。

2009年10月以后(即地铁4号线开通后)北京大学物理学院简易屏蔽室内HTcSQUID测量系统的输出相比地铁运行前有大幅度低频起伏和最高白噪声,显然是白颐路上的车流、地铁4号线的列车和地铁列车运行驱动所电流产生磁场共同作用的结果。但由于地铁运行前后路面的车流量并没有发生巨大变化,所以可以排除高幅度低频噪声来源于车流的可能性。

下面为了进一步判断噪声来源,我们进行了进一步的长时间的连续高精度测量与分析。图7为连续测量时典型的波形图,是我们2010年3月15日23:40到7点之间大约八个小时的连续测量结果,根据北京地铁4号线的时刻表SQUID,由公益桥西到安河桥北的地铁经过北京大学东门站的运行时刻表为5:50到23:50,那么此测量期间,地铁列车的运行状态包含了停运前的轻载、入库检修、停车、重新和早上高峰的重载运行等状况。所获数据是对地铁机列运行、检修和完全停运状态下线路附近磁干扰状况的完整记录。

图7 地铁运行后2010年3月15日8小时连续测量结果

从图7中可以非常清晰地看到,在北京时间23:50分以前,SQUID磁强计输出的低频起伏有着与白天完全相似的形状和幅度。但到北京时间23:50,低频起伏的幅度突然减小,约在24:00分左右时低频起伏完全消失,并且一直到维持到凌晨5:40点。考虑到末列车的运行时间,列车入库等因素,地铁完全停运时间估计在午夜24:00至临晨5:40之间。在这个时间段,输出波形和幅度与地铁4号线开通前输出几乎相同。在5:40附近低频起伏重新出现,并且具有与消失前完全相同的特征即与白天有着相似的特征如图5(a)所示。这一现象和地铁4号线北京大学东门站的列车运行时刻表符合很好。

图8 地铁运行后下班时间的典型测量图

考虑到地铁列车运行的启动、加速、减速和滑行以及夜晚和清晨列车载客量的不同都会改变流过地铁输电系统中电流大小和变化速率,因此会导致不同时段的干扰磁场的幅度、频率发生变化。为了进一步的进行证明地铁与大幅度低频干扰的相关度,我们给出了一个例子即上下班时刻的典型测量结果,图8为地铁四号线开通后某日下午6点附近的长达70分钟的测量结果,其平均幅度为200nT,相比较而言,图7中23点40附近以及5:40附近SQUID输出的低频起伏最大值只有100nT附近SQUID,远低于上下班时间的输出幅度;这更进一步的证明了干扰磁场和地铁运行之间具有较强的关联,这些强关联性提示我们:北京大学生物磁测量系统新出现的极低频干扰磁场来源是地铁4号线。

总结

本文工作表明,地铁输电线路产生的磁场对我们现有微弱磁场测量系统和正在开展的工作有很大影响。尽管它的频率较低,但由于干扰磁场的频率、幅度和出现时间上明显得不稳定性,要想在测量工作中要完全消除它的影响存在一定困难。

由于在直流输电线路经过区域或附近安排新的磁测工作或建设新的MCG测量系统,必须充分考虑附近直流输电线路磁场影响的范围和强度。

考虑到长直载流导线附近磁场强度随场源到观察点的距离衰减很快,加上HTc rf SQUID复合生物磁测量系统对极低频磁场具有约9dB屏蔽因子,SQUID磁强计具有的较高磁场分辨率和±370nT的线性动态范围,这个测量系统可用于在距地铁较近的地方对与地铁运行有关的大幅度变化的磁场进行精细测量。

为了使得心磁测量继续正常进行,我们需要进一步对地铁供电系统进行分析和讨论,并且尝试其他的信号处理方法,以使得心磁信号的研究得以继续。

参考文献

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