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施建立快速開展時期,電子設備種類的不斷增加、汽車的普及和城市軌道交通系統(tǒng)的開通運營、空間電磁波頻段不斷拓展,使得電磁環(huán)境日益的復雜。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重干擾。 北京地鐵4號線開通以前,北京大學物理學院心磁測量實驗室的HTubc SQUID復合生物磁測量系統(tǒng)測得的磁感應強度T是隨機磁場噪聲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,北京大學生物磁實驗室新出現(xiàn)一個幅度大,頻

2、率低的干擾磁場LdTd。這時復合生物磁測量系統(tǒng)中的干擾磁場是T=T0+ LaTa+LdTd+TMCG。如圖1所示為地鐵運行前后人體心磁信號最強點的波形圖測量地點同為北京大學物理學院簡易屏蔽室,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:北京大學物理學院采樣率1000Hz如今使用地鐵四號線開通之前實驗室采用的數(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)進展線性回歸或者獨立變量分析;2采用自適應濾波后將信號按照周期進展疊加3采用小波變換的隨機噪

3、聲消除的方法進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途徑和適宜的數(shù)據(jù)處理方法。技術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。本文利用北京大學物理學院從事生物磁研究的簡易磁屏蔽室,HTc SQUID磁強計和以計算機為平臺的高精度實時數(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、進展了仔細測量和研究。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行間存在較高相關性,從而確定北京大學物理學院周邊地區(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好的HTc rf SQUID磁強計組成的一階剃度計以及高精度的數(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磁強計的軸向間隔 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研制的一個專用數(shù)據(jù)采集、存儲和分析系統(tǒng)。詳細如圖3所示:圖3,北京大學

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指標:簡易磁屏蔽室對直流磁場9dB和工頻磁場21dB的衰減;磁強計具有300fT/Hz1/2白噪聲,電壓/磁感應強度轉(zhuǎn)換系數(shù)30mV/nT,磁感應強度分辨率優(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。以上指標既可以保證在地鐵附近對與地鐵列車運行

6、有關的宏大磁擾動進展高精度的測量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磁強計的較高電壓輸出9。干擾磁場的測量地點為北京大學物理大樓內(nèi)的生物磁實驗室。它位于地鐵4號線北京大學東門站附近SQUID,如圖4所示:地鐵4號線為南北走向。生物磁實驗室位于地鐵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北京大學生物磁實驗室所處地理位置測量結(jié)果與分析圖5為地鐵四號線運行前后在北京大學簡易屏 蔽室空載環(huán)境下,我們使用同樣的一階梯度計進展采集時,兩個探測磁強計的輸出波形的典型比照圖省略了

7、參考磁強計的輸出結(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:低頻起伏幅度大;時間周期和幅度不穩(wěn)定。圖5北京大學a地鐵運行后b地鐵運行前探測磁強計的典型輸出波形為了更加細致的理解這個頻率比較低幅度很大的磁場的根本特點,利用快速傅里葉變換的方法計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展比較分析。ab圖6a地鐵運行后b地鐵運行前北京大學簡易屏蔽室環(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噪聲的拐點頻率分別約等于30Hz和80Hz。我們認為這些差異代表地鐵運行前后測量點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物理學院簡易屏蔽室內(nèi)HTcSQUID測量系統(tǒng)的輸出相比地鐵運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。下面為了進一步判斷噪聲來源,我們進展了進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)過北京大學東門站的運行時刻表為5:50到23:50,那么此測量期間,地鐵列車的運行狀態(tài)包含了停運前的輕載、入庫檢修、停車、重新和早上頂峰的重載運行等狀況。所獲數(shù)據(jù)是對地鐵機列運行、檢修和完全停運狀態(tài)下線路附近磁干擾狀況的完好記錄。圖7 地鐵運行后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磁強計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?？紤]到末列車的運行時間,列車入庫等因素,地鐵完全停運時間估計在午夜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號線北京大學東門站的列車運行時刻表符合很好。圖8 地鐵運行后下班時間的典型測量圖考慮到地鐵列車運行的啟動、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,因此會導致不同時段的干擾磁場的幅度、頻率發(fā)生變化。為了進一步的進展證明地鐵與大幅度低頻干擾的相關度,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點附近的長達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,遠低于上下班時間的輸出幅度;這更進一步的證明了干擾磁場和地鐵運行之間具有較強的關聯(lián),這些強關聯(lián)性提示我們:北京大學生物磁測量系統(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度?？紤]到長直載流導線附近磁場強度隨場源到觀察點的間隔 衰減很快,加上HTc rf SQUID復合生物磁測量系統(tǒng)對極低頻磁場具有約9dB屏蔽因子,SQUID磁強計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行有關的大幅度變化的磁

13、場進展精細測量。為了使得心磁測量繼續(xù)正常進展,我們需要進一步對地鐵供電系統(tǒng)進展分析和討論,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)學的理論與認識?,402019,1185王倩,馬平,華寧,陸宏,唐雪正,唐發(fā)寬,?物理學報?,592019,28826汝鴻羽,齊亮,馬平,謝飛翔,聶瑞娟,王福仁,戴遠東,實用高溫超導MCG系統(tǒng)研究,低溫物理學報,272019,690sp; 7Ono Y,Ishiyama A, Kasai N, Odawara A,IEEE Transactions On Appl