CN104545913A - 一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及*** - Google Patents

一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***，该方法包括：采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据；利用长度固定的窗口从初始时刻点开始对所述参考通道数据进行提取，随着初始时刻点从0开始以1为梯度逐渐增加，依次获得多个补偿通道数据；构造包含补偿系数的误差函数，以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数；利用补偿系数对所述信号通道数据进行环境噪声抑制。本发明只需设置窗口长度一个参数，无需设定相减系数的初始值，不存在收敛的过程，即可稳定自适应地获取最佳的相减系数，实现高性能的梯度输出。

Description

一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***
技术领域
本发明属于信号检测技术领域，涉及一种环境磁场抑制方法，特别是涉及一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***。
背景技术
生命活动背后蕴藏着丰富的电磁信息。生物磁，来源于生物电活动产生的空间磁场，其强度非常微弱，如成人心磁的典型强度只有100pT，脑磁则更为微弱，只有百fT量级。相对于生物磁，环境磁场非常强，如地球磁场的典型强度为30-50μT，城市环境磁场的变化也达到了数百nT。为了在如此强的环境磁场中检测微弱的生物磁信号，除了需要高灵敏的磁传感器，还需要有高性能的环境磁场抑制方法。
目前，环境磁场的主要抑制手段有磁屏蔽室和梯度计技术。磁屏蔽室采用高磁导率的μ金属（如坡莫合金）和高电导率的金属（如铝和铜）屏蔽外界的环境磁场，虽然最直接有效，但造价昂贵。相比而言，梯度计技术是最经济和应用最为广泛的。梯度计，类似于一种空间滤波器，是对磁场空间梯度产生响应，根据不同的响应阶数，有一阶、二阶、更高阶等。理想情况下，n阶梯度计对均匀场和直到n-1阶的梯度场响应为零。然而，理想的梯度计是不存在的，由于自身的不平衡误差，实际的硬件梯度计不可避免地对均匀磁场及低阶的梯度磁场产生一定的响应，导致梯度计噪声抑制性能的降低。
为了提高梯度计的探测性能，目前最常用的为合成噪声抑制。考虑一个探测生物磁的信号通道和相隔一定空间距离处基本检测背景磁场的多个参考，合成噪声抑制可以理解为利用相减系数，通过参考输出的线性组合去扣除信号通道的输出，以构筑更好噪声抑制性能梯度计的方法。由此，基于一定的信号和参考通道，相减系数直接决定了合成梯度的噪声抑制性能。目前，相减系数的实现方法是电子相减、软件相减和自适应变系数。电子相减和软件相减是一种固定系数的方式，实现起来最简单，但是当环境磁场特征随时间发生变化时，定系数的性能将大大降低。相比于固定系数，自适应变系数能根据环境磁场变化自动调整相减系数，从而保证一定的噪声抑制性能。然而，目前的自适应变系数采用设定初始值和自动收敛的方法，导致相减系数在初始一段时间内出现很大的误差，且出现不稳定的特性。
以上标定方法各有优缺点，探寻高稳定及自适应的补偿方法，对于环境噪声抑制和生物磁信号检测具有重要的意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***，用于解决现有自适应变系数采用设定初始值和自动收敛的方法，导致相减系数在初始一段时间内出现很大的误差，自适应不稳定的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***，其中：
一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，包括：采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据；利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行提取，随着初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1，依次获得m个补偿通道数据，其中N为单个通道的数据总长度；构造误差函数其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki，1≤i≤m；利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，0≤n0≤m-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。
优选地，所述窗口的长度n固定不变，n为最小均方所用的数据长度。
优选地，以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki的具体过程包括：误差函数f达到最小时，噪声抑制效果最佳，则有由此可获取关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ,
求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki。
优选地，所述探测***包括生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。
优选地，m与n的乘积等于所有参考通道数据的总长度时，即为自适应定系数的情形。
一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，包括：数据采集模块，采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据；滑动搜索模块，与所述数据采集模块相连，利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行滑动搜索提取，每次滑动的距离为1个数据点，依次获得m个补偿通道数据，m与n的乘积小于或等于所述参考通道数据的数据点数；误差函数构造模块，与所述数据采集模块和滑动搜索模块分别相连，构造出的误差函数为其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；1≤i≤m；补偿系数获取模块，与所述误差函数构造模块相连，以最小方差为准则求解所述误差函数获得补偿系数ki；信号补偿模块，与所述补偿系数获取模块相连，利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。
优选地，所述窗口的长度n固定不变，初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加，n为最小均方所用的数据长度。
优选地，所述补偿系数获取模块包括：条件设定模块，矩阵求解模块；条件设定模块与所述误差函数构造模块相连，根据最小方差准则将设定为0，获得关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ;
矩阵求解模块与所述条件设定模块相连，求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki，其中N为单个通道的数据总长度。
优选地，所述探测***包括生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。
如上所述，本发明所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法及***，具有以下有益效果：
本发明只需设置一个参数n，无需设定相减系数ki的初始值，不存在收敛的过程，即可稳定自适应地获取最佳的相减系数ki，实现高性能的梯度输出。
附图说明
图1为本发明所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法的流程示意图。
图2为本发明所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿***的结构示意图。
元件标号说明
210     数据采集模块
220     滑动搜索模块
230     误差函数构造模块
240     补偿系数获取模块
241     条件设定模块
242     矩阵求解模块
250     信号补偿模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例提供一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，如图1所示，该方法包括：
采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据。所述探测***包括但不限于生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。探测***输出的信号通道信号和参考通道信号通常是模拟信号，通过A/D采样，可以将模拟的信号通道信号和参考通道信号转化为数字的信号通道数据和参考通道数据。
利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行提取，随着初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1，依次获得m个补偿通道数据，其中N为单个通道的数据总长度；所述窗口的长度n固定不变，n为最小均方所用的数据长度，m与n的乘积小于或等于所述参考通道数据的数据点数。
构造误差函数其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki，1≤i≤m。进一步，以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki的具体过程包括：误差函数f达到最小时，噪声抑制效果最佳，则有由此可获取关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ,
求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki，其中N为单个通道的数据总长度。
利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，0≤n0≤m-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。
本实施例还提供一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，该***可以实现本发明所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，但该应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法的实现装置包括但不限于本发明提供的补偿***。
如图2所示，所述应用于环境磁场抑制的自适应补偿***包括：数据采集模块210，滑动搜索模块220，误差函数构造模块230，补偿系数获取模块240，信号补偿模块250。
所述数据采集模块210采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据。所述探测***包括但不限于生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。所述数据采集模块210包括但不限于A/D采集板卡。
所述滑动搜索模块220与所述数据采集模块210相连，利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行滑动搜索提取，每次滑动的距离为1个数据点，依次获得m个补偿通道数据，m与n的乘积小于或等于所述参考通道数据的数据点数。所述窗口的长度n固定不变，初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加。m与n的乘积等于所有参考通道数据的总长度时，即为自适应定系数的情形。也就是说，对本发明所述的自适应补偿方法进行扩展，将窗口长度设置为总数据长度，则可获取单一的补偿系数，即为自适应定系数方法。
所述误差函数构造模块230与所述数据采集模块210和滑动搜索模块220分别相连，构造出的误差函数为其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；1≤i≤m；
所述补偿系数获取模块240与所述误差函数构造模块230相连，以最小方差为准则求解所述误差函数获得补偿系数ki。
进一步，所述补偿系数获取模块240包括：条件设定模块241，矩阵求解模块242。条件设定模块241与所述误差函数构造模块230相连，根据最小方差准则将设定为0，获得关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ;
矩阵求解模块242与所述条件设定模块241相连，求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki。
所述信号补偿模块250与所述补偿系数获取模块240相连，利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。当n0+n>总数据量时，即停止进行补偿。
本发明基于探测***的信号通道和参考通道数据，构筑补偿函数，设定一定的窗长并随时间滑动，计算每个窗长内的补偿系数，利用补偿系数实现高性能的梯度输出。具体是从初始点n0开始取固定窗口长度n的数据，以最小方差为准则计算相减系数（即补偿系数），逐点向后滑动窗口（即固定n，调整n0），计算各窗口内的相减系数ki，即可获取随时间变化而自适应变化的补偿系数ki，从而获取随时间变化高性能的梯度输出，实现优化的噪声抑制性能。本发明的特点是利用窗口滑动的方式计算补偿系数，其优势是只有唯一的参数设置，实现起来简单，且能获取自适应稳定的补偿系数。
本发明与现有技术相比，只有一个需要设置的参数n，无需设定相减系数ki的初始值，不存在收敛的过程，即可稳定自适应地获取最佳的相减系数ki，实现高性能的梯度输出。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，其特征在于，所述应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法包括：
采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据；
利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行提取，随着初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1，依次获得m个补偿通道数据，其中N为单个通道的数据总长度；
构造误差函数其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki，1≤i≤m；
利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，0≤n0≤m-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。
2.根据权利要求1所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，其特征在于：所述窗口的长度n固定不变，n为最小均方所用的数据长度。
3.根据权利要求2所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，其特征在于，以最小方差为准则求解误差函数获得补偿系数ki的具体过程包括：
误差函数f达到最小时，噪声抑制效果最佳，则有
∂ f ∂ k i = 0 ,
由此可获取关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ,
求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki。
4.根据权利要求1所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，其特征在于：所述探测***包括生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。
5.根据权利要求1所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿方法，其特征在于：m与n的乘积等于所有参考通道数据的总长度时，即为自适应定系数的情形。
6.一种应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，其特征在于，所述应用于环境磁场抑制的自适应补偿***包括：
数据采集模块，采集一探测***输出的信号通道信号和参考通道信号获得信号通道数据和参考通道数据；
滑动搜索模块，与所述数据采集模块相连，利用长度为n的窗口从初始时刻点n0开始对所述参考通道数据进行滑动搜索提取，每次滑动的距离为1个数据点，依次获得m个补偿通道数据，m与n的乘积小于或等于所述参考通道数据的数据点数；
误差函数构造模块，与所述数据采集模块和滑动搜索模块分别相连，构造出的误差函数为其中，Vsj为信号通道数据的第j个数据点，Vrij为第i个补偿通道数据的第j个数据点，ki为第i个补偿通道数据对应的补偿系数；1≤i≤m；
补偿系数获取模块，与所述误差函数构造模块相连，以最小方差为准则求解所述误差函数获得补偿系数ki；
信号补偿模块，与所述补偿系数获取模块相连，利用补偿系数ki对所述信号通道数据Vs进行环境噪声抑制，获得补偿后的信号通道数据0≤a≤n-1，为补偿后的信号通道数据的第n0+a个数据点。
7.根据权利要求6所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，其特征在于：所述窗口的长度n固定不变，初始时刻点n0从0开始以1为梯度逐渐增加，n为最小均方所用的数据长度。
8.根据权利要求7所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，其特征在于，所述补偿系数获取模块包括：
条件设定模块，与所述误差函数构造模块相连，根据最小方差准则将设定为0，获得关于补偿系数ki的矩阵
Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j 2 Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V r 2 j Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j 2 . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . . . . . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V rmj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V rmj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj 2 k 1 k 2 . . . k m = Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 1 j · V sj Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V r 2 j · V sj . . . Σ j = n 0 n + n 0 - 1 V rmj · V sj ;
矩阵求解模块，与所述条件设定模块相连，求解所述补偿系数矩阵，获得以n0为起点，数据长度为n的补偿系数ki；数据长度n固定，在n0从0开始以1为梯度逐渐增加至N-n+1时，即可获取随时间变化的自适应补偿系数ki，其中N为单个通道的数据总长度。
9.根据权利要求6所述的应用于环境磁场抑制的自适应补偿***，其特征在于：所述探测***包括生物磁检测***，所述生物磁检测***设有信号通道和参考通道。
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