电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置及方法 技术领域
本发明属于测量类，尤其涉及电磁物质空间分布的测量处理装置及控制方法。
背景技术
电磁层析成像技术(Electromagnetic Tomography，EMT)是一种二十世纪九十年代初期发展起来的基于电磁感应原理新型过程的层析成像技术，它是采用外加的交流激励磁场从不同的观测角度扫掠具有某种磁导率物质分布或电导率物质分布的被测物场，基于电磁感应原理，物场中的导磁物质会形成感应磁场，而导电物质则会产生电涡流，这些都会对原有激励磁场产生调制作用，二者叠加起来会在物场边界上的检测线圈中产生不同幅值和相位的感应电势。
对于电磁层析成像系统，物场对激励信号的调制反映在幅度和相位的变化上，这要求信号解调系统要具有鉴幅、鉴相功能。目前，常用信号解调主要方法有：数字解调和模拟解调。
1，数字解调，采用微处理器处理信号离散化后的序列，使用数字信号处理算法解调信号的信息，它对A/D转换器转换速度要求高，而且处理机需要很强的数据处理和传输能力。但EMT系统对实时性的要求高，层析成像技术对数据信息量要求大，因而激励与检测过程对数据稳定性要求也很高，目前纯粹数字信号处理方法中的软、硬件条件还不适于在EMT系统的信号采集与处理单元中使用。
2，模拟解调，使用模拟器件将被测信号中地有用信息直接分解出来，经过模拟平均电路转换为对应的直流分量，通过A/D转换器由微机系统采集。目前使用的模拟解调方法包括开关解调、正弦波解调、自相乘解调等。
模拟解调中的方波解调和正弦波解调是一种相敏乘法解调，它将一个与被检测信号严格同相位的信号与被测信号相乘，从而测得信号的变化。相敏乘法解调要求标准信号与被解调信号相位相同，即过零点完全吻合。若只解调信号的幅度信息，最简单的方法是使用开关解调或自相乘解调。开关解调效果类似于全波整流，区别是开关解调准确，而全波整流受二极管导通电压及二极管压降的影响，不利于测量精密信号。
在EMT系统中，为获得物场足够多的信息，采取旋转激励磁场的方法按一定角度扫掠物场。由于被测物场中导电和导磁物质的调制以及检测线圈分布的影响，在不同激励方向，甚至在同一激励方向下各个不同检测线圈的输出信号都存在不同的相位差，这给信号的解调带来困难。例如，在某一固定磁场方向下，检测信号与激励信号相移的大小与检测线圈的位置有关，这样必须使用解调的标准信号才能与检测线圈的相位同步。而且相位信息本身携带了物场信息，必须作为图像重建的依据之一。所以对EMT系统检测线圈信号的解调，要求同时要获得其模拟与相位两种信息，也就是信号的实部与虚部信息。一般的解调方法难以满足这种要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置及方法，以解决上述难题，满足电磁层析成像时快速、准确检测的需要。
本发明的目的是这样实现的：一种电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置，其中的计算机、激励信号发生器、激励信号放大器、传感器、检测信号放大器、多路开关、乘法器、滤波器、A/D转换器与计算机由导体顺序连接。解调信号发生器由导体分别与计算机、乘法器连接，激励信号发生器还由导体与多路开关连接。
一种电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置的解调方法，包括下列步骤：
1，开始；
2，控制激励信号发生器和解调信号发生器，分别产生、输出激励信号E和解调信号D；
3，将激励信号E经放大，输入电磁层析成像系统传感器，由检测信号放大器接受传感器输入的检测信号X，送至多路开关；
同时，将激励信号E送至多路开关；
4，由多路开关依次选通激励信号E和检测信号M；
5，把解调信号D与输入检测信号X相乘后，进行滤波，A/D转换，计算记录结果U；
6，改变解调信号D的相位θ，重复上述2、3、4、5的过程，寻找U的极值，并记录此时解调信号的θ值，这一θ值就是要解调的相位；
7，控制解调信号D的相位，使解调信号D与检测信号X同步后相乘，进行滤波，A/D转换，得到相乘后新的结果U，由新的结果U计算后就可得到检测信号的幅度值。
由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有：
1.在EMT系统检测信号解调中，能够完成检测信号全部解调，测验数据准确，速度快，并可在200m内完成信号的检测工作。
2.开辟了利用物质的电磁性态对其分布进行在线检测技术的新领域，且为非接触、非介入和无危害的测量，易于构成现场工作状况下长期可靠的检测系统。
3.广阔的应用领域，可用在冶金过程中的检测、控制、异物监测和定位，化工分离过程中的检测，生物医学研究等领域。
附图说明
图1是本发明的一种解调装置的结构原理框图；
图2是本发明的一种解调方法的流程示意图。
图中：
1，计算机 2，激励信号发生器 3，激励信号放大器 4，传感器
5，检测信号放大器 6，多路开关 7，乘法器 8，滤波器
9，A/D转换器 10，解调信号发生器
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施详述如下：
在图1中，计算机1、激励信号发生器2、激励信号放大器3、传感器4、检测信号放大器5、多路开关6、乘法器7、滤波器8、A/D转换器9与计算机1由导体顺序连接。解调信号发生器10由导体分别与计算机1、乘法器7连接，激励信号发生器2还由导体与多路开关6相连接。其中，
1.计算机1：用于产生激励信号发生器2的控制信号CE和解调信号发生器10的控制信号CD，同时完成A/D转换器9输出结果的读取。
2.激励信号发生器2：可采用AD7008等电子元器件构成，用于产生传感器4用的激励信号E。
3.激励信号放大器3：可采用运放LF411，用于将激励信号发生器2产生的激励信号E放大为AE，使AE有较强的激励强度。
4.传感器4：用于通过激励信号E产生的磁场，与导电和导磁物质的作用来感应被测物质。
5.检测信号放大器5：可采用运放LF411，用于将传感器4检测到的微小检测信号m放大为检测信号M。
6.多路开关6：可采用MAX313型号，用于选择激励信号E与检测信号M的通过，信号X等于通过的信号。
7.乘法器7：可选用AD734型号，用于将信号X与D进行乘法，输出为信号Y。
8.滤波器8：可选用四阶有源巴特沃斯滤波器，用于对Y进行滤波，输出结果为F。
9.信号A/D转换器9：可采用AD1674型号，用于将信号F的模拟信号转换为数字信号，输出结果U送入计算机1。
10.解调信号发生器10：可采用AD7008型号等电子元器件构成，用于产生解调信号D。
在图2中，电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置的解调方法，其实施流程说明如下：
1.开始，在计算机1内设置控制程序指令，用于控制激励信号发生器2和解调信号发生器10，分别产生、输出激励信号E和解调信号D。
2.计算机1输出控制程序指令，控制激励信号发生器2和解调信号发生器10，分别产生激励信号E和解调信号D。
3.激励信号发生器2和解调信号发生器10，接受计算机1输入的控制程序指令，分别向激励信号放大器2、乘法器7输出频率为187.5KHz、幅度为2V、相位为0的激励信号E和解调信号D，并分别连接输送至激励信号放大器3、乘法器7。
4.激励信号放大器3，对激励信号发生器2输入的激励信号E经过放大后，输入电磁层析成像系统传感器4，并由检测信号放大器5接受传感器4输入的检测信号M放大后，输送至多路开关6。
同时由解调信号发生器10，向乘法器7输出频率为187.5KHz、幅度为2V、相位为0的解调信号D。
在其过程中，激励信号放大器3可采用运放LF411型号，将激励信号E放大为5V、187.5kHz的信号，相位仍然为0。传感器4在激励信号和物场信号的作用下输出微小的正弦电压信号，频率不变，幅度在0到2mV之间，相位发生了变化，范围大约在-70到+70度之间。
检测信号放大器5可采用运放LF411型号。
5.由多路开关6对送入的检测信号M、激励信号E进行选通。多路开关6用于完成信号的选择，使检测信号X等于激励信号E。
在其控制过程中，计算机1控制多路开关6使其选通E；E为激励信号发生器2产生的信号，其幅度为2V，频率为187.5KHz，相位为0。
6.将多路开关6输出的幅度为2V、频率为187.5KHz、相位为0的选通信号X，与解调信号发生器10接受计算机1控制程序指令后，发出的频率为187.5KHz，幅度为2V，相位为0的解调信号D，输送至乘法器7相乘，然后进行滤波和A/D转换，并由计算机1计算、记录结果U。
乘法器7可选用AD734型号，实现信号X和信号D的模拟相乘，乘法输出结果Y仍然为正弦波信号，幅度相位由X和D决定，滤波器8可选为四阶有源巴特沃斯滤波器，其作用是将输入信号进行平滑，得到近似的直流信号F，然后A/D转换器9在计算机1的控制下完成模拟信号到数字信号的转换；A/D转换器9可采用AD1674型号。
7.解调信号发生器10输出改变相位θ的解调信号D，重复上述2、3、4、5的步骤，寻找U的极值。U的极值所对应的θ值即为本发明要解调的相位值。
寻找U的过程就是搜索过程，即采用通过改变解调信号D相位θ的方法来寻找U的极值。相位值的改变可从0到360度搜索。其中，U的极大值所对应的相位即为本发明要解调的相位θ。
进行相位解调时，可首先预设相关系数为0，即设定基准信号与解调信号同步，然后根据反馈相关系数与设定相关系数的差，调整解调信号与基准信号的相位差，直到两个信号同步。此时解调信号相对于基准信号的相移就是被测信号的相位。
搜索寻找极大值的过程中是采用信号相关性的原理，其搜索寻找过程中极大值所对应的点表明两个信号相似性最大。
在搜索寻找过程中，可将解调信号D的相位设置为解调出的θ值，控制多路开关6使被测信号M被选通，即检测信号X等于被测信号M；然后，将解调信号D与新输入的检测信号X相乘后，进行滤波，A/D转换，并计算、记录结果U。
这一步骤的细节和前几步骤大部分相同。区别这次选通的解调信号与被测信号的相位应相同，这样才能求出被测信号的幅度值。被测信号的幅度值可由下列公式求出：
m(t)＝Acos(ωt+φ) 被测信号
d(t)＝Acos(ωt+φ) 解调信号Y(t)=limnT→∞1nT∫0nTm(t)d(t)dt=limnT→∞1nT∫0nTA2cos2(ωt+φ)dt=12A2]]>其中Y(t)是信号经过乘法器7和滤波器8的输出结果。由此，可计算出被侧信号的幅度值A=2×Y(t).]]>
由上就得到了电磁层析成像系统中被测信号m(t)的幅度A，从而完成了电磁层析成像系统的基于相位反馈搜索的信号解调任务和过程。
由上所述，本发明将激励信号视为基准相位的参照信号，预设一个与基准信号频率、相位一致的解调信号，通过控制解调信号的相位使得解调信号与被测信号进行相位卷积，并通过计算机1分析相位相关性，从而确定基准信号与被测信号的相位差；然后控制解调信号与被测信号同步，利用乘法解调确定被测信号的幅值。
由以上方法解调得到EMT传感器4输出信号的幅度和相位后，用于图像重建的计算机就可以根据这些数据计算出分布在传感器4中的被测物质的空间分布位置，从而完成了在空间中有导电或导磁特性的被测物质的分布位置。例如，在矿石精选过程中，本发明可用于分辨金属矿石中非金属导磁材料的存在。EMT技术也可用于“不破坏、非介入”的检测方法，如检测建筑结构中钢材的用量及分布情况，可为房屋建筑质量的评价提供科学依据。在食品工业中，EMT技术还可作为异物检测的一种手段，检测出食品中的异物。如面包生产线上，应用本发明可快速检测到面包中混有的金属异物等。