對于心磁測量中地鐵電磁干擾分析

1、.對于心磁測量中地鐵電磁干擾分析目前我國城市正處于根底設(shè)施建立快速開展時期,電子設(shè)備種類的不斷增加、汽車的普及和城市軌道交通系統(tǒng)的開通運(yùn)營、空間電磁波頻段不斷拓展,使得電磁環(huán)境日益的復(fù)雜。電子系統(tǒng)有可能受到電磁干擾的影響,給許多現(xiàn)有微弱信號的測量和研究造成嚴(yán)重干擾。 北京地鐵4號線開通以前,北京大學(xué)物理學(xué)院心磁測量實(shí)驗(yàn)室的HTubc SQUID復(fù)合生物磁測量系統(tǒng)測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度T是隨機(jī)磁場噪聲L0T0、工頻磁場LaTa和心動磁場TMCG之和:T=T0+LaTa+TMCG。式中La是復(fù)合生物磁測量系統(tǒng)的簡易磁屏蔽室對工頻磁場的衰減因子。地鐵4號線開通以后,北京大學(xué)生物磁實(shí)驗(yàn)室新出現(xiàn)一個幅度大,頻

2、率低的干擾磁場LdTd。這時復(fù)合生物磁測量系統(tǒng)中的干擾磁場是T=T0+ LaTa+LdTd+TMCG。如圖1所示為地鐵運(yùn)行前后人體心磁信號最強(qiáng)點(diǎn)的波形圖測量地點(diǎn)同為北京大學(xué)物理學(xué)院簡易屏蔽室,測量人為同一個人:22歲男性,身體安康SQUID,無疾病:ab圖1 a 2019年3月b2020年7月心磁測量結(jié)果;測量地點(diǎn):北京大學(xué)物理學(xué)院采樣率1000Hz如今使用地鐵四號線開通之前實(shí)驗(yàn)室采用的數(shù)字信號處理方法分別對兩組測量數(shù)據(jù)進(jìn)展處理1,2,3,處理步驟為:1使用線性回歸的方法對兩組數(shù)據(jù)中兩個SQUID的數(shù)據(jù)進(jìn)展線性回歸或者獨(dú)立變量分析;2采用自適應(yīng)濾波后將信號按照周期進(jìn)展疊加3采用小波變換的隨機(jī)噪

3、聲消除的方法進(jìn)一步去除剩余白噪聲。圖1a的處理結(jié)果無論在時序還是頻域都無法獲得有意義的信息;而圖1b的處理結(jié)果如圖2所示:圖2地鐵運(yùn)行前處理出的心磁信號面對這種不穩(wěn)定的干擾要想繼續(xù)獲得高質(zhì)量的MCG,必須找出減少其影響的技術(shù)途徑和適宜的數(shù)據(jù)處理方法。技術(shù)上消除極低頻干擾磁場對MCG測量影響和的方法很多4,5,6,但都需要對干擾磁場及其場源的特征和不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因有所理解。本文利用北京大學(xué)物理學(xué)院從事生物磁研究的簡易磁屏蔽室,HTc SQUID磁強(qiáng)計(jì)和以計(jì)算機(jī)為平臺的高精度實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成一個磁場分辨率高、動態(tài)范圍大的頻微弱磁場測量系統(tǒng)7,對MCG測量和研究中新出現(xiàn)的極低頻、大振幅干擾磁場

4、進(jìn)展了仔細(xì)測量和研究。干擾磁場測量數(shù)據(jù)的時域、頻域和空間域的分析結(jié)果說明,該干擾磁場與地鐵列車運(yùn)行間存在較高相關(guān)性,從而確定北京大學(xué)物理學(xué)院周邊地區(qū)新出現(xiàn)的極低頻干擾磁場的來源是北京地鐵4號線。測量儀器與方法測量系統(tǒng)包括三部分:簡易屏蔽室、由兩個靈敏度高且低頻響應(yīng)好的HTc rf SQUID磁強(qiáng)計(jì)組成的一階剃度計(jì)以及高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。屏蔽室為有鐵板和硅鋼片組成的造價比較低的2mx2mx2m的立方體;兩個SQUID磁強(qiáng)計(jì)的軸向間隔 為6cm, 測量中,SQUID傳感器的探測平面朝向地面; 數(shù)據(jù)采集部分是我們基于虛擬儀器技術(shù)研制的一個專用數(shù)據(jù)采集、存儲和分析系統(tǒng)。詳細(xì)如圖3所示:圖3,北京大學(xué)

5、的心磁測量系統(tǒng)簡易圖下面來分別介紹下它們的技術(shù)指標(biāo):簡易磁屏蔽室對直流磁場9dB和工頻磁場21dB的衰減;磁強(qiáng)計(jì)具有300fT/Hz1/2白噪聲,電壓/磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)30mV/nT,磁感應(yīng)強(qiáng)度分辨率優(yōu)于1皮特,最大量程±330nT,線性動態(tài)范圍大于120dB;采集卡的最大采樣速率為102.4KHz,24位分辨率,電壓最大輸入范圍正負(fù)10V,但輸入量程視SQUID輸出即外場幅度的大小,可在±10V、±5V、±2V、±1V、±0.5V、±0.2V、±0.1V之間自動變化。以上指標(biāo)既可以保證在地鐵附近對與地鐵列車運(yùn)行

6、有關(guān)的宏大磁擾動進(jìn)展高精度的測量8;也能滿足小信號測量對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高分辨率要求,并且能記錄下干擾磁場幅度較大時SQUID磁強(qiáng)計(jì)的較高電壓輸出9。干擾磁場的測量地點(diǎn)為北京大學(xué)物理大樓內(nèi)的生物磁實(shí)驗(yàn)室。它位于地鐵4號線北京大學(xué)東門站附近SQUID,如圖4所示:地鐵4號線為南北走向。生物磁實(shí)驗(yàn)室位于地鐵4號線以東,距地鐵軌道的直線間隔 約為200米。旁邊有兩條城市交通主干道,南邊一百米是成府路,西邊兩百米是白頤路。圖4北京大學(xué)生物磁實(shí)驗(yàn)室所處地理位置測量結(jié)果與分析圖5為地鐵四號線運(yùn)行前后在北京大學(xué)簡易屏 蔽室空載環(huán)境下,我們使用同樣的一階梯度計(jì)進(jìn)展采集時,兩個探測磁強(qiáng)計(jì)的輸出波形的典型比照圖省略了

7、參考磁強(qiáng)計(jì)的輸出結(jié)果,采樣率1000Hz,采樣時間為30秒。a測量于2019年3月15日16:42,b測量于2020年7月10日16:40。圖3a給出的低頻起伏峰峰值高達(dá)150nT。同時也可以看出,相對于圖b,圖a輸出波形具有以下特點(diǎn):低頻起伏幅度大;時間周期和幅度不穩(wěn)定。圖5北京大學(xué)a地鐵運(yùn)行后b地鐵運(yùn)行前探測磁強(qiáng)計(jì)的典型輸出波形為了更加細(xì)致的理解這個頻率比較低幅度很大的磁場的根本特點(diǎn),利用快速傅里葉變換的方法計(jì)算磁場的噪聲譜密度;采用hanning 窗得到的噪聲譜如圖6所示。根據(jù)所得到的兩組噪聲譜進(jìn)展比較分析。ab圖6a地鐵運(yùn)行后b地鐵運(yùn)行前北京大學(xué)簡易屏蔽室環(huán)境噪聲譜通過比照兩圖我們可以

8、看到,a和b輸出磁場噪聲譜密度具有相似形態(tài)。但磁場噪聲幅度大小和1/f噪聲拐點(diǎn)頻率間有明顯差異。例如b和a磁場噪聲譜密度在白噪聲段的最大值分別為:3pT/Hz1/2和320 pT/Hz1/2;1/f噪聲的拐點(diǎn)頻率分別約等于30Hz和80Hz。我們認(rèn)為這些差異代表地鐵運(yùn)行前后測量點(diǎn)處的存在不同的磁干擾源10。2020年10月以后即地鐵4號線開通后北京大學(xué)物理學(xué)院簡易屏蔽室內(nèi)HTcSQUID測量系統(tǒng)的輸出相比地鐵運(yùn)行前有大幅度低頻起伏和最高白噪聲,顯然是白頤路上的車流、地鐵4號線的列車和地鐵列車運(yùn)行驅(qū)動所電流產(chǎn)生磁場共同作用的結(jié)果。但由于地鐵運(yùn)行前后路面的車流量并沒有發(fā)生宏大變化,所以可以排除高幅

9、度低頻噪聲來源于車流的可能性。下面為了進(jìn)一步判斷噪聲來源,我們進(jìn)展了進(jìn)一步的長時間的連續(xù)高精度測量與分析。圖7為連續(xù)測量時典型的波形圖,是我們2019年3月15日23:40到7點(diǎn)之間大約八個小時的連續(xù)測量結(jié)果,根據(jù)北京地鐵4號線的時刻表SQUID,由公益橋西到安河橋北的地鐵經(jīng)過北京大學(xué)東門站的運(yùn)行時刻表為5:50到23:50,那么此測量期間,地鐵列車的運(yùn)行狀態(tài)包含了停運(yùn)前的輕載、入庫檢修、停車、重新和早上頂峰的重載運(yùn)行等狀況。所獲數(shù)據(jù)是對地鐵機(jī)列運(yùn)行、檢修和完全停運(yùn)狀態(tài)下線路附近磁干擾狀況的完好記錄。圖7 地鐵運(yùn)行后2019年3月15日8小時連續(xù)測量結(jié)果從圖7中可以非常明晰地看到,在北京時間2

10、3:50分以前,SQUID磁強(qiáng)計(jì)輸出的低頻起伏有著與白天完全相似的形狀和幅度。但到北京時間23:50,低頻起伏的幅度突然減小,約在24:00分左右時低頻起伏完全消失,并且一直到維持到凌晨5:40點(diǎn)?？紤]到末列車的運(yùn)行時間,列車入庫等因素,地鐵完全停運(yùn)時間估計(jì)在午夜24:00至臨晨5:40之間。在這個時間段,輸出波形和幅度與地鐵4號線開通前輸出幾乎一樣。在5:40附近低頻起伏重新出現(xiàn),并且具有與消失前完全一樣的特征即與白天有著相似的特征如圖5a所示。這一現(xiàn)象和地鐵4號線北京大學(xué)東門站的列車運(yùn)行時刻表符合很好。圖8 地鐵運(yùn)行后下班時間的典型測量圖考慮到地鐵列車運(yùn)行的啟動、加速、減速和滑行以及夜晚和

11、清晨列車載客量的不同都會改變流過地鐵輸電系統(tǒng)中電流大小和變化速率,因此會導(dǎo)致不同時段的干擾磁場的幅度、頻率發(fā)生變化。為了進(jìn)一步的進(jìn)展證明地鐵與大幅度低頻干擾的相關(guān)度,我們給出了一個例子即上下班時刻的典型測量結(jié)果,圖8為地鐵四號線開通后某日下午6點(diǎn)附近的長達(dá)70分鐘的測量結(jié)果,其平均幅度為200nT,相比較而言,圖7中23點(diǎn)40附近以及5:40附近SQUID輸出的低頻起伏最大值只有100nT附近SQUID,遠(yuǎn)低于上下班時間的輸出幅度;這更進(jìn)一步的證明了干擾磁場和地鐵運(yùn)行之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián),這些強(qiáng)關(guān)聯(lián)性提示我們:北京大學(xué)生物磁測量系統(tǒng)新出現(xiàn)的極低頻干擾磁場來源是地鐵4號線?？偨Y(jié)本文工作說明,地鐵輸

12、電線路產(chǎn)生的磁場對我們現(xiàn)有微弱磁場測量系統(tǒng)和正在開展的工作有很大影響。盡管它的頻率較低,但由于干擾磁場的頻率、幅度和出現(xiàn)時間上明顯得不穩(wěn)定性,要想在測量工作中要完全消除它的影響存在一定困難。由于在直流輸電線路經(jīng)過區(qū)域或附近安排新的磁測工作或建立新的MCG測量系統(tǒng),必須充分考慮附近直流輸電線路磁場影響的范圍和強(qiáng)度。考慮到長直載流導(dǎo)線附近磁場強(qiáng)度隨場源到觀察點(diǎn)的間隔 衰減很快,加上HTc rf SQUID復(fù)合生物磁測量系統(tǒng)對極低頻磁場具有約9dB屏蔽因子,SQUID磁強(qiáng)計(jì)具有的較高磁場分辨率和±370nT的線性動態(tài)范圍,這個測量系統(tǒng)可用于在距地鐵較近的地方對與地鐵運(yùn)行有關(guān)的大幅度變化的磁

13、場進(jìn)展精細(xì)測量。為了使得心磁測量繼續(xù)正常進(jìn)展,我們需要進(jìn)一步對地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)展分析和討論,并且嘗試其他的信號處理方法,以使得心磁信號的研究得以繼續(xù)。1D. Koelle,R. Kleiner,F. Ludwig,E. Dantsker, and J. Clarke,Reviews of Modern Physics,712019,6702Enpuku K., K. Soejima, et al.,172019,8163M. Bick,K. Sternickel, et al.,112019,6734劉俊宏,楊萬利,錢振鵬,?數(shù)學(xué)的理論與認(rèn)識?,402019,1185王倩,馬平,華寧,陸宏,唐雪正,唐發(fā)寬,?物理學(xué)報?,592019,28826汝鴻羽,齊亮,馬平,謝飛翔,聶瑞娟,王福仁,戴遠(yuǎn)東,實(shí)用高溫超導(dǎo)MCG系統(tǒng)研究,低溫物理學(xué)報,272019,690sp; 7Ono Y,Ishiyama A, Kasai N, Odawara A,IEEE Transactions On Appl