（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

0 引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）［1］与目前临床上应用普遍的医学影像检查手段X 线CT 检查相比，虽无电离辐射危害但设备所在物理空间有强磁场存在（0.2～3.0T），第一大安全隐患就是铁磁性物质误入造成的设备损坏和人员伤亡事故。由于MRI 区域内强磁环境影响，对于隐藏、植入、附着于患者/工作人员/访客身体的危险细小铁磁金属物体检测更进一步增加了难度［2］。

基于磁通门传感器原理的铁磁探测系统［3］被广泛应用于航空探潜、海洋监测、地下和水下铁磁物体的探测、地震预测以及医学核磁共振等各领域。

磁通门信号常用检测方法［4］有脉冲幅值法、脉冲间隔法等。对于脉冲幅值法［5］，由于磁芯微观磁性能、应变应力、热骚动等外界因素影响，存在一些很难计值的尖峰，会直接威胁脉冲幅值法的零输入稳定性和精确性。而对于脉冲间隔法［6］，被测磁场的横向分量与激励磁场、被测磁场在探头轴向分量的叠加作用使磁芯加深饱和度，干扰了磁通门信号脉冲间隔测量的准确性。

经理论分析，任意偶次谐波都可以反映被测磁场的大小，而二次谐波［7］在各偶次谐波中幅值最大，故选取其作为被测磁场的度量。如果激磁信号是非正弦信号，信号中就会存在偶次谐波成分，偶次谐波成分会给磁通门带来系统噪声。因此，采用正弦信号作为激磁信号，具有较强的抗畸变能力，且不含偶次谐波成分，对提高磁通门灵敏度的激磁电路设计具有重要意义。

目前，国外医用铁磁探测主流产品为英国Metrasens公司的ferroguard 系列MRI 检测系统，其性能优异弥补了传统金属检测仪器在MRI 检测中的缺点和不足，但是其价格高昂，且技术保密性严格。而国内广泛采用的模拟式信号检测处理方法易受电子器件和外部强磁环境影响，系统的稳定性及检测准确性和灵敏度不高。本文在上述理论分析基础上，设计了一种提高MRI 检测区域内强磁场环境下铁磁探测系统灵敏度和整体性能的方法：根据磁通门传感器测磁原理，以FPGA 作为系统主控制器，改变传统模拟信号的检测方式，采用基于二次谐波原理的数字信号处理并尝试增加滤波算法以提高系统铁磁性物质探测灵敏度，可将此处理方法推广到其它弱磁探测领域，应用前景广泛。

1 系统整体方案设计

基于磁通门传感器的铁磁探测系统整体方案如图1所示，主要包括磁通门传感器模块、激励信号模块、信号调理模块、数据采集模块、FPGA 内部数字信号处理和算法模块及报警模块。可编程逻辑器件FPGA 作为主控器驱动外部DDS 模块产生正弦激励信号并传给磁通门探头1，在磁通门探头铁芯到达过饱和后，将外部磁场调制到激励的交变磁场中，经过探头转化为电压信号。转化完成后的电信号经过信号调理后，再由ADC 采集到FPGA 主控中进行数字信号处理：①首先对由探头1 采集到的电压信号做基于数字正交锁相的二次谐波式检波，探头2 的信号处理方式与探头1 完全相同；②将探头1 处理好的信号作为输入信号，探头2 的信号作为参考信号，同时进入滤波模块进行算法处理，最后将数据输出作为评判标准驱动语音灯光报警。

Fig.1 Overall scheme design of ferromagnetic detection system图1 铁磁探测系统总体方案设计

2 硬件系统方案设计

系统硬件从信号传感器端到信号处理端，主要包括：磁通门传感器模块、激励信号模块、信号调理模块以及数据采集模块。系统主控制模块使用可编程逻辑器件FP⁃GA，型号为Xilinx_ZYNQ7000。

2.1 磁通门传感器模块

磁通门现象［8］实际上属于变压器效应的衍生现象，因此磁通门传感器与变压器结构类似。如图2 所示，取高磁导率、易饱和材料作为磁芯，在其上分别绕两组线圈：一组作为激励线圈，另一组作为感应线圈。在交流信号的激励下，使磁芯处于周期性饱和状态，当磁芯处于非饱和磁场中，其磁导率变化缓慢，而当磁芯达到饱和时，其磁导率变化明显，此时被测磁场被调制进感应电势中，可以通过测量磁通门传感器感应电势中能够反映被测磁场的量来度量磁场。磁通门传感器的工作过程中，磁芯的饱和点［9］貌似一道“门”，通过这道“门”，被测磁场被调制成偶次谐波的感应电动势，从而反映待测磁场的大小。

Fig.2 Fluxgate sensor structure图2 磁通门传感器结构

磁通门传感器测量磁场的结构原理如图3 所示。运动的铁磁性物质在交变激励磁场下磁化产生磁性，即为待测磁场信号［10］。当传感器磁芯达到饱和时，待测磁场信号被调制，从而产生反映其磁场强度大小的感应动势（偶次谐波）［11］。信号处理部分完成对偶次谐波的检测和提取。

Fig.3 Structure principle of magnetic field measured by fluxgate图3 磁通门测量磁场结构原理

2.2 激励信号模块

信号激励模块采用主控芯片FPGA 驱动外部直接频率合成芯片AD9833［12］以产生20KHz 的正弦激励信号。AD9833 为ADI 公司生产的一款直接数字频率合成器，其价格功耗低且外围电路简单、频率和相位可编程。FPGA与AD9833 接口配置如图所示，由于AD9833 为三线SPI接口，因此两者之间通过SPI 协议进行通信。在系统时钟和使能信号正常工作后，FPGA 将配置好的16 位命令控制字通过spido 接口写入AD9833 相关的寄存器中，从而在VOUT 端输入所需要的正弦激励信号。由于AD9833 内部集成了10bits 的数模转化器（DAC），直接输出为可用的模拟信号，无需再外置DAC。

2.3 信号调理模块

通常被测的物体体积较小，经磁通门传感器感应出来的信号比较微弱，且检测环境对于被测信号有一定干扰，因此要对被测信号进行信号调理后再由AD 采集到FPGA中作进一步处理。理论上讲，信号调理模块需要对信号进行选频放大［13］，但是增加一级滤波会引入一些随机噪声，且在FPGA 中会对信号作正交锁相放大处理，因此此模块只对信号进行放大处理。如图5 所示，传感器信号放大模块放大部分，分别为一级放大和两级放大，放大倍数都为10 倍，因此整体放大100 倍。

Fig.4 Interface configuration between FPGA and AD9833图4 FPGA 与AD9833 接口配置

Fig.5 Signal amplification module图5 放大模块

2.4 数据采集模块

数据采集模块使用24bits 的AD7760 芯片，具有宽输入带宽、高信噪比（SNR）、集成度高以及适合高速采集等特点。AD7760［14］与FPGA 的接口配置如图6 所示。系统上电复位后，首先等待至少2 个MCLK 周期；然后通过PARD［15：0］接口按照相应的地址写入4 个寄存器的值，先写寄存器地址再写寄存器值以设置正确的时钟频率和数据输出速率；最后进行数据采集，先输出低16 位有效位，再输出高16 位有效位，并且都是低8 位在前，高8 位在后，其中低16 位有效位的低8 位为状态位，因此要从AD 读取一个转换结果，需进行两次16 位读操作。而且每次有新的转换结果，DRDY 引脚则输出一个低电平有效的脉冲，随后严格按给定时序先将nRD/WR 置低，然后将nCS 置低，在其均变为低电平不久，数据总线将变为有效状态，然后输出高16 位有效位，保持一定时间的低电平后先将nCS 电平置高，再将nRD/WR 电平置高，则完成一次16 读操作，高电平需至少保持一个完整的ICLK 周期才能进行第二次低16 位有效位的读取。将读出的数据寄存在FIFO 中作为缓存，以待后续数据处理。

3 信号处理及算法方案设计

从ADC 中采集到的数据先暂存在FIFO 中，然后对其进行数字信号处理和滤波算法处理。此模块对于感应信号的提取和处理采用了基于数字正交锁相的二次谐波法和自适应滤波算法。

Fig.6 Interface configuration between AD7760 and FPGA图6 AD7760 与FPGA 的接口配置

3.1 基于数字正交锁相的二次谐波法

经由交变激励磁场调制的待测磁场经过磁通门传感器感应出电信号，感应信号的偶次谐波可反映磁场大小，但其中二次谐波分量最大，因而一般采用二次谐波提取法表征磁场大小。一般而言，提取特定频率的信号有选频放大和锁相放大［15-16］两种方法。锁相放大的结构和考虑因素较选频放大复杂，但是实际效果要比选频放大好，故本文采用数字式的正交锁相放大。信号来自于ADC 采集的数字信号，全部在FPGA 内进行处理，与模拟式的信号处理相比，受器件性能及外部温度环境影响小，抗干扰能力强。

基于数字正交锁相的二次谐波法如图7 所示。

Fig.7 Second harmonic method based on digital orthogonal phase-locked图7 基于数字正交锁相的二次谐波法

已经由ADC 采集好的两路探头转化信号：输入信号和参考信号。参考信号通过相移电路之后得到一组正交信号，再将其与输入信号相乘，得到两路信号VI和VQ如式（1）和式（2）所示，将所测频率的频谱搬移到基带上以方便进行预滤波处理。

然后，经过一个窄带的低通滤波器滤掉基带以外的频率分量，得到所需信号；最后将滤波器输出进行平方、求和，再开方，所求频点信号幅度V如式（3）所示。

3.2 自适应滤波算法

在微弱信号检测和信号去噪领域［17］，自适应滤波器［18］在某种程度上可以最优化方式消除包含在有用信号中的未知干扰。有用信号用作自适应滤波器的期望响应，参考信号用作滤波器的输入。其中，参考信号可以来自于定位的某一传感器或一组传感器［19］，并以承载的新信号是微弱的或基本不可预测的方式，供给基本信号。

自适应滤波算法如图8 所示，在本文中，基本输入d（n）中含正交锁相解调后反映磁场大小的信号和背景干扰噪声，参考输入u（n）只含背景干扰噪声。首先计算线性滤波器对输出及输入信号的响应y（n），然后通过比较产生误差e（n），根据误差自动调整滤波器参数［20］，在收敛后，参考输入也即背景噪声便从输入信号中消除。本文调整滤波器参数的校正因子采用最小均方（LMS）更新算法［21］。

Fig.8 Adaptive filtering algorithm module图8 自适应滤波算法模块

4 系统测试与结果分析

实验检测系统如图9 所示，将搭建好的简易检测系统置于MRI 室外进行实验检测，将探头垂直固定，两个探头经由电路系统处理后将数据通过串口连接至PC 端，在上位机波形显示窗口实时观察信号波形，从而判断是否有铁磁性物质通过。在本实验中，分别将手机、小刀（代替手术刀）、钥匙和硬币作为被测物检测系统性能，如图10 所示。

Fig.9 Construction of detection system图9 检测系统搭建

首先排除检测距离对实验结果的影响，统一在离检测系统60cm 处进行标记，实验人员手持被测物从标记处走过，得到不同被测物的信号波形，如图11 所示。为方便观察波形，将ADC 采集得到的信号数字码进行数字信号处理和自适应滤波算法处理，用MATLAB 绘制出波形图。如果没有铁磁物质经过传感器，信号波形比较平稳，近乎为直线输出；当有铁磁物质靠近时，平稳波形会发生波动，从而引发报警系统示警。由图11 可知，在被测物离探测系统60cm 处，手机对传感器的扰动最为明显，硬币最小。而没有进行数字信号和自适应滤波算法处理的系统无法检测到50cm 处的硬币，因此证明此方案对于灵敏度检测有一定提高。

Fig.10 Measured objects图10 被测物

Fig.11 Signal waveforms of different measured objects图11 不同被测物信号波形

本文设计实验检测系统灵敏度，在频率为100～400Hz的激励磁场下，在与传感器平行位置放置数字特斯拉计，用来测量检测物通过时传感器输出的磁场大小，并用FUL⁃KE 5 位半数字电压表测量传感器的输出电压，灵敏度单位为uV/nT。记录如表1 所示。

Table 1 System sensitivity parameters表1 系统灵敏度参数

在100～400Hz 的激励范围内，得到系统的平均灵敏度为1.66uV/nT，相比于原系统1.49uV/nT，灵敏度提高了10.3%。

接下来检验检测距离对结果的影响，在离检测系统40cm、50cm、60cm、70cm、80cm 以及90cm 处做标记，按照上述实验分别做同样检测动作，观察不同被测物在不同检测距离下的波形情况如表2 所示。由测试结果可知，此系统对于磁共振检测中常见的铁磁性物质的探知识别距离可以达到1m 左右，原系统的检测距离只有0.5m。

Table 2 Waveforms of different measured objects at different detection distances表2 不同被测物在不同检测距离下的波形情况

5 结语

本文设计了一种基于数字信号处理方法和滤波算法的可提高核磁共振室外铁磁探测精度和准确度的系统。在众多模拟式信号处理方法原理基础上，采用数字式信号处理方式并通过算法优化极大提高系统精度和可靠性。通过实验结果可知，对于核磁共振检测中常见的铁磁性物质的检测灵敏度提高效果显著，检测距离可达1m。可将该种方法可推广至其它微弱信号检测领域，例如食品金属检测、航空探潜、海洋监测、地下和水下铁磁物体探测等，应用前景广阔。