（电机与电器专业论文）低场磁共振fid信号放大电路的分析与研究.pdf

a b s t r a c t s i n c et h el o wf i e l dn m r s i g n a li sq u i t ew e a ka n d i so f p o o r s n r s i g n a l t on o i s e r a t i o ) ，t h ed e s i g na n d t e s to f a s i g n a lr e c e p t i o n c i r c u i tu s e df o r d e t e c t i n g s u c has i g n a li s a l w a y sd i f f i c u l t t h ef u n c t i o nb l o c k s o f t h el o wf i e l dn m rc i r c u i ts y s t e ma r ea n a l y z e da t f i r s t t h e nt h es i g n a la m p l i t u d ei sc a l c u l a t e d t h ea n t e n n ai n t e r f a c ea n dt h ep r e a m p l i f i e r a r es t u d i e di nd e t a i la tl a s t a n t e n n ai n t e r f a c ei st h ei n t e r f a c ec i r c u i tf o rt h er f t r a n s m i t t i n gc i r c u i t , t h es i g n a l r e c e p t i o n c i r c u i ta n dt h e p r o b e i t n o to n l yh a st or e a l i z et h es w i t c ho f t h et h r e e s t a t e s ( t r a n s m i t t i n g 、d u m p 、r e c e i v i n g ) ，b u t a l s os 豇 v ea st h e p a s s i v ea m p l i f y i n gs e c t i o n o f t h e s i g n a lr e c e p t i o n c i r c u i t a f t e ra n a l y s i so f t h ef u n c t i o no f t h ea n t e n n ai n t e r f a c e c i r c u i t , t h es i m p l i f i e dc i r c u i tm o d e li sb u i l t t h e nt h ec a l c u l a t i o n sa r ed o n e b a s e do ni t t h et e s tg u i d a n c e p a r a m e t e r s f i tf o rt h eh i g h e s tqv a l u ea n dt h eb a n d w i d t he x p e c t e da r e g o r e n t h ec a l i b r a t i o n c i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do n i t p r e a m p l i f i e r i s u s e d f o r t h e a c t i v e a m p l i f y i n g o f t h e n m r s i g n a l i n v i e w o f t h e w e a k s i g n a la n t i t sp o o rs n r , a p r e a m p l i f i e r c i r c u i ti sg i v e ni nd e t a i la f t e rd i s c u s s i o n s a n d c o m p a r i s o n so f s e v e r a ls c h e m e s t h e nt h eb i a sp o i n ti sc a l c u l a t e da n dd y n a m i c s i m u l a t i o n sa r em a d ef o rt h ea n a l y s i so f t h es t a t e s i t sg a i nc o e f f i c i e n ti sc a l c u l a t e da n d t h e a m p l i t u d e - f r e q u e n c y c h a r a c t e ro f e v e r y s t a g ei sa n a l y z e d a l s ot h e n o i s e a n a l y s e s a r e g i v e n b yi m i t a t i n g o f t h ed e s i g nc h a r a c t e r so f t h eh i g hf r e q u e n c yc i r c u i t , t h eo r i g i na n dt h e c l a s s i f i c a t i o no f t h en o i s ei n t e r f e r e n c e so f t h el o wf i e l dn m r c i r c u i ts y s t e ma r e a n a l y z e d t h ei t e m st h a tn e e dt ob ef o c u s e do nt h ed e v i c ec h o s e na n dt h ec i r c u i tl a y o u ta r e d i s c u s s e d s o m em e a s l i r e sa r et a k e nt ol o wt h ee f f e c t so f t h en o i s ei n t e r f e r e n c e so nt h e e l e c t r o n i cc i r c u i t t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ec o m p a r e d 、i mt h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o n s ， w h i c h p r o v e t h ec o n c l u s i o n so f a n a l y s e s k e y w o r d s ：l o wf i e l dn u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c ea n t e n n ai n t e r f a c e p r e a m p l i f i e r n o i s ei n t e r f e r e n c e 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 磁共振技术概述 1 9 4 6 年，美国哈佛大学的e m p u r c e l l 和斯坦福大学的f b l o c h 两人所领 导的研究小组在几乎相同的时间，通过不同的方法各自独立发现了核磁共振 ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e 简称n m r ) 现象。 所谓核磁共振就是指在稳定磁场的作用下，自旋核具有一定的能级分布，如 果加以适当频率的交变磁场作用，自旋核可以在能级间产生共振跃迁的现象，它 实际上是稳定磁场、交变磁场、晶格对原子核的弛豫和原子核间弛豫四种作用的 结果。当时e m p u r c e l l 使用的实验方法是吸收法，f b l o c h 使用的是感应法。 他们因此获得1 9 5 2 年的诺贝尔物理奖。为了避免人们联想到核能辐射，核磁共 振也简称为磁共振。 利用磁共振现象在一定的条件下可以区分不同物质以及物质结构，所以它的 发现为研究物质特性提供了一种崭新的技术手段。在发现至今的短短几十年中， 磁共振技术在医学、地质勘探、物质结构研究、地磁场测量等领域中得到了迅速 的发展和广泛的应用。 1 2 磁共振技术的发展和分类 磁共振技术自发现以来，根据其不同的应用环境，己实现了多种不同的磁共 振实验方式。但从根本上看，依据背景磁场强度不同，磁共振技术发展趋势可分 为高场、中场、低场三类( 对应高频、中频和低频) 。 以氢核为例( 1 日的旋磁比，= 2 6 7 5 1 0 7 r a d t 。1 s ，= r b o ) 嘲，磁共振 技术的分类如图1 所示： 0 5 g s2 3 5 g s4 7 0 g s2 t 8 t 找水找油 2 m h z8 5 m h z3 4 0 m h z 图1 高、中、低场磁共振技术的划分 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 ( 1 ) 高场磁共振技术： 为了产生高强磁场，其磁源一般采用超导磁体，对设备环境要求较高，磁体 与样品的位置关系通常是磁体包围样品，信号幅值强，信噪比高，易于接收和处 理。这种技术一般应用于蛋白质、大分子结构分析等方面，对位置分辨率要求高， 设备体积与重量都较大，成本很高。 ( 2 ) 中场磁共振技术： 磁源采用超导磁体、永磁或电磁，信噪比较高，信号比较易于接收和处理， 对位置分辨率要求高。这种技术一般应用于医疗卫生等方面，如医用磁共振成像 仪等。 ( 3 ) 低场磁共振技术： 磁源一般采用永磁体、电磁甚至环境磁场( 如地磁等) ，磁体与样品的位 置关系往往是样品包围磁体或样品在磁体侧面，信号幅值很弱，而且通常应用环 境比较恶劣，信噪比极低，要采用特殊的电路系统来接收处理。另外低场磁共振 的应用要求一般只是求取空间区域内n s r 信号的积分量，对位置分辨率不作要 求。设备体积与重量都较前者小，易于移动。 前两种磁共振技术由于应用较早，理论和技术手段都已比较成熟，在医疗、 工业等各方面都己得到广泛应用，取得了很好的效果，并且显示出了它的技术优 势。而低场磁共振技术由于理论上和技术上的难度较高，直到近些年随着电磁技 术、计算机技术的高速发展，很多新型器件的出现才得以完善和实用化，但其在 应用领域的优势却早已显现出来。 1 3 低场磁共振技术应用的现实意义 低场磁共振技术虽然起步较晚，但它在工农业生产以及日常生活中都有广 泛应用，如石油、天然气、地下水等物质的勘探和堤坝的管涌检测，以及食品化 工行业中的在线无损检测等。 ( 1 ) 石油、天然气等能源物资勘探方面 。 石油作为重要的战略物资和优质能源，它在世界各国的经济发展中一直起 着举足轻重的作用。根据国际能源机构估计，2 0 1 0 年，世界一次性能源需求的 4 0 将由石油来满足。预计到2 0 1 0 年我国的原油产量只有1 7 5 2 0 亿吨，将有 一 苎二皇堕堡 1 亿吨左右的缺口。3 。如何满足这种不断增长的石油需求，是摆在我国石油工业 面前的一大难题。另外，随着近年来我国石油短缺和环保力度的加大，天然气利 用问题已经日益得到重视。因此，天然气需求增长将快于石油和煤炭，同样也是 供不应求。事实上，我国的天然气资源量较为丰富，但探明程度很低。因此，坚 持油气并重，促进油气勘探，提高测井水平，是我国能源产业部门的一项重要任 务。 测井是一种井下地球物理勘探方法。它采用专门的仪器设备，沿井艰测量地 层岩石的电、声、核、热、力等物理特性随深度的变化，用于发现油气藏，评估 油气储量及其产量。磁共振测井( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c el o g g i n g 简称 n m r l ) 是六十年代提出、八十年代发展起来的一种全新的测井方法。它利用地层 孔隙中富含氢原子的液体( 石油、水) 和气体( 天然气) 中氢核受激发后产生的磁 共振信号，通过测井解释获得储层的孔隙度、可动流体指数、渗透率和孔径分布 等油气资源评价所需要的基本参数。除此之外，还能够获得原油粘度、初始含水 饱和度、残余油饱和度等信息。 低场磁共振测井具有不破坏样品、涮量准确可靠、不需对岩石参数进行现场 标定、不受岩性限制、可避开泥质和矿化度的影响、可提供多种储层参数等特点， 是当代唯一能够直接测量储层( 油层、气层、水层) 自由流体孔隙度的新方法。 自出现以来，受到石油业界的高度重视。 ( 2 ) 寻找地下水资源方面 水源危机和能源危机一直是一个世界性的难题，联合国和各国政府都从战略 高度对此给予了充分的重视。 水是人类生存的最基本条件，目前，占世界人口总量4 0 的8 0 个国家受到缺 水威胁，我国水资源总量为2 8 万亿立方米，居世界第6 位。但人均占有量仅为2 3 0 0 立方米，被列为世界1 3 个人均水资源缺乏的国家之一。目前，我国还有7 0 0 0 多万 人没有解决饮水问题，其中的大部分处于边远地区。面对紧缺的水资源，迫切需 要一种有效地探查地下水资源的方法。 。 将磁共振技术用于地下水勘探的想法是1 9 6 2 年由美国的r h v a r i a n 提出 的，它为解决世界范围内的水源危机指出一种有效的技术手段。纵观多种物探找 水方法，它们共同的特点是间接找水。而磁共振技术是目前唯一的直接寻找地下 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 水的新方法。其独特的优点有以下几方面： 可直接寻找各种类型的地下水，圈定找水区域，提供井位情况报告； 可以提供有关的环境地质调查，区分咸、淡水；对水质进行污染监测等： 不用下钻打井就可以确定地下含水层的深度、厚度、含水率等数据资料； 在现有的仪器设备条件下，当探测深度在1 0 0 m 以内时，可提供定量解释 结果：1 0 0 m 以下的可提供定性解释资料“1 ； 探测成本低廉，利用低场磁共振技术探测一个点的费用仅为常规方法下 水文地质勘探钻一个孔费用的十分之一。 ( 3 ) 灾害防治方面 由于我国地域辽阔，江河水道情况复杂，很多地区洪涝灾害严重，相关的防 洪抗灾设施的质量直接关系到了国家财产和人民生命的安全。在洪涝灾害严重时 由于管涌等安全隐患造成堤坝决口带来的损失不计其数，常规堤坝检测方法很难 及时准确找到管涌点等堤坝安全隐患。利用低场磁共振找水技术可快速获得地下 水含量、渗透率和深度分布等关键参数，在应用上稍作改进，就可以准确查找出 堤坝的管涌点以及其他安全隐患，避免由于堤坝溃口给国家和人民生命财产造成 损失。 ( 4 ) 食品化工行业的在线无损检测 在食品化工行业中，针对水的检测和监控是大量的。由于水中富含氢原子， 而氢原子的磁共振信号最容易捕获。所以，利用低场磁共振的技术特点，可以方 便的实现食品化工行业要求的在线无损检测。它具有反应时间快，无破坏性，成 本低、使用方便等优点，例如： 在油料含油、含水量检测方面，用传统分析法检测含油量需十几小时，检测 含水量需几小时，重复性差、误差大，给产品生产和质量监控带来极大的困 难：而利用磁共振技术，将探头可直接放在生产线上，实时监测，具有可重 复性，无破坏性等特点，可极大提高生产率。 在农副产品的质量监测方面，可利用低场磁共振技术对贮存或运输的粮食、 水果等产品的含水量进行实时监测，防止发生霉变，造成损失。 在建筑施工方面，可以通过低场磁共振技术对水泥、混凝土的水分含量、凝 结硬度等质量进行即时检钡啦制，提高建筑和道路质量。 第一章绪论 综上所述，低场磁共振技术虽然应用较晚，技术实现上还有一定难度，但 它已经在各个行业中表现出了极大的优势，所以掌握低场磁共振技术，为相关产 业服务，具有非常重要的现实意义。 1 4 低场磁共振技术国内外应用情况 ( 1 ) 国外情况 国外有关低场的磁共振技术起步较早，自从磁共振现象发现以来，国外很 多科学家就对低场磁共振技术的应用作了大量的科学研究。经过多年的研究发 展，目前很多外国公司都有了自己成型的产品。 这些产品在全球各地都有广泛应用，在石油、天然气和地下水的勘探等方 面已取得了很好效果。如西方三大测井公司s c h l u m b e r g e r 、w e s t e r na t l a s 和 h a l l i b u r t o n 公司，现在都已向世界各大油田提供磁共振测井服务。地面磁共振 找水技术也已成为欧洲各国寻找地下水的方法。 目前，可以生产磁共振测井仪的国家有美国、以色列和俄罗斯等。以俄罗斯 为例，磁共振测井已在俄罗斯成为油气勘探的主导方法，大油田9 0 的油井都采 用了磁共振测井技术，提高了确定油层采收率的精度。加拿大等国家的现代磁共 振测井技术也发展迅速。 1 9 9 6 年法国地调局( b r g m ) 与俄罗斯科学院新西伯利亚分院化学动力和燃烧 研究所( i c k c ) 合作，由法国i r i s 公司制造了6 台磁共振找水系统，被称为核 磁感应系统( n u c l e a rm a g n e t i ci n d u c t i o ns y s t e m 简称n u m i s ) ，并迅速应用 于全球，但探测深度受到限制，一般只有l o o m - - - 1 5 0 m 。目前拥有磁共振找水仪 的国家有俄罗斯、法国、中国和德国等。 目前国外在其他方面的应用也还没有完全展开，已知有日本在农副产品的含 水量检测等方面的成功应用，他们已经实现了应用低场磁共振技术对西瓜等水果 的质量进行监测。另外以色列的科研人员在利用低场磁共振技术对水泥、混凝土 等建筑施工材料质量监测的方面已申请了专利，但没见到专利实施的报道。低场 磁共振技术在其它方面应用的产品还在研制过程中。 ( 2 ) 国内情况 低场磁共振技术在国内应用虽然也较早，但发展缓慢。1 9 6 5 年，我国的张 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 昌达教授等人就进行过磁共振找水实验，但由于当时技术条件的限制，未能接收 到信号。目前国内低场磁共振技术基本还处于作解释工作阶段，主要应用还只集 中在测井和找水上，仪器设备研制工作没有完全展开。其它方面的应用研究只是 刚刚起步。 我国目前实际应用的测井和找水设备都是国# t - 日l 进的，还无自主知识产权的 仪器设备。随着我国经济建设对原油需求量的不断增大，测井对油田开发的重要 性日益突出：我国东部油田的持续稳产和西部及海洋油田的飞速开发，使我国成 为测井仪器的潜在市场之一。国外主要的磁共振测井仪生产商n u m a r 和 s c h l u m b e r g e r 以及主要的测井服务公司s c h l u m b e r g e r 、w e s t e r na t l a s 都正在 将产品或服务推向中国。从国外引进的测井和找水设备不但价格极其昂贵，而且 售后服务很难及时跟上，设备维护、维修成本高。 另外，由于在我国已探明的石油地质储量中，属于低渗透油藏的储量约占三 分之一。在使用国外设备对这样的油层进行测试对发现，国外主要针对高、中渗 透层的设备有严重局限性，测井功效大大降低；而且我国某些油田的地层中含有 富含铁或其他顺磁性物质的矿石，国外磁共振测井仪对这些地层的分析与实际情 况差距很大。因此，中国的磁共振测井完全依赖国外不是长远之举，如何尽快生 产出自己的磁共振测井仪并同国外测井公司竞争市场是摆在我国产业部门面前 的主要问题。 低场磁共振技术在我国工农业其它方面的应用更加广阔。由于我国人口众 多，面向国内需求的食品和化工产业本身就极其庞大；加之我国的外贸产品主要 以纺织品、化工品等为主要产品。随着我国加入w t 0 组织，传统产业( 化工、纺 织、食品等) 仍将在我国国民生产总值中占很大的比重，这一局面将会维持相当 长的一段历史时期。这些产业中对含水量检测的需求是大量的，所以自行研制、 开发、生产适合我国情况的低场磁共振检测仪器是我国科研、产业部门共同面临 的挑战。 1 5 低场磁共振技术的发展趋势 从目前情况来看，低场核磁共振系统的发展趋势主要集中在以下几个方面 ( 1 ) 降低系统成本，使系统小型化 第一章绪论 小型化是现代科学仪器发展的一个重要趋势。仪器只有轻巧、便宜才有可能 得到更好的普及和推广。庞大、笨重、开放性差以及价格昂贵的系统很难得到普 及。所以，开发轻便、便宜和开放性好的低场磁共振系统就成为必然。 ( 2 ) 提高系统的性能 目前，磁性材料与工艺、电子技术、信号处理技术和计算机技术发展十分迅 速。因此，及时将这些方面的成果引入到磁共振技术的更新、升级和改造中，可 以大大提高系统的性能。比如，高分辨率的多位一a a o 变换器降低了对抗混 迭滤波器的要求，改善了信噪比并大大提高了模数转换的速度，新型滤波器可以 更好地压制噪声、放大信号，高速d s p 可以实现电路的快速集中控制和信号的快 速采集，数控振荡器( n c o ) 便于数字化调整共振频率、能够自动跟踪和检测， 等等。 ( 3 ) 系统功能模块化 将低场磁共振系统的各部分功能界定清楚，将其模块化，不但便于系统的安 装、调试和维修，而且根据应用目的、环境不同更换相关模块，只进行简单参数 调整，可将低场磁共振技术应用于更多的行业。 1 6 论文的主要工作内容 低场核磁共振系统主要由探头部分( 磁场发生装置和天线) 、电路以及解释 软件三大部分组成。 探头部分由主磁体和射频线圈组成，用来产生磁场和接收磁共振信号； 解释软件通常由高级语言编制，完成数据的计算分析等功能； 电路部分一般由电源电路、脉冲程序发生器、射频发射电路以及信号放大接 收和处理电路组成，完成射频场的产生以及磁共振信号的接收处理等功能。 低场磁共振的系统中，电路部分的性能直接关系到了系统运作状态，是整个 系统能否正常运作的关键。因为系统场强低，能接收到的磁共振信号非常微弱， 另外由于其应用的环境一般比较恶劣，信噪比极低，所以对电路的设计就提出了 很高的要求。目前国内还很少有对低场磁共振的电路部分的系统分析、研究，这 对进一步推广低场磁共振技术的应用造成了根本的技术困难。 本文的主要工作就是针对低场磁共振电路的技术特点，对其信号接收放大电 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 路进行了分析研究，具体内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 前提基础工作 根据低场磁共振的技术特点，对磁共振电路进行功能分析，划分各功能模块， 给出电路系统的构架框图； 对能够接收到的磁共振信号幅值进行估算，为磁共振信号放大电路的设计、 参数计算以及调试确立前提条件。 ( 2 ) 天线接口电路分析研究 天线接口电路是射频发射部分、信号接收部分与磁体天线的接口电路，实现 天线的三态切换，是信号接收电路的最前端，也是信号的无源放大部分。 本文在完成了天线接口电路的功能分析后对具体电路进行了简化，建立了天 线接口电路的简化模型。 利用m a t l a b 对其参数进行了计算分析，得出了实验调试指导参数。 为了试验调试，设计了校验信号发生电路。 ( 3 ) 前置放大电路分析研究 前置放大电路应是一个低噪声、增益稳定的放大器电路，用以实现接收磁共 振信号。 针对接收信号弱、信噪比低的情况，本文在进行了方案讨论比较后，给出了 前置放大器的具体电路，并利用p s p i c e 软件对其进行了工作状态分析，计算了 其增益系数以及带宽，并作了电路噪声分析。 ( 4 ) 信号放大电路的抗噪声干扰分析 首先分析了低场磁共振电路系统噪声干扰来源、种类，然后参照高频电路的 设计特点，针对不同的噪声干扰给出了降低噪声干扰对放大电路影响的具体措 施。 ( 5 ) 实验结果比较 最后将实验结果与理论分析结论进行了比较验证，得出验证结论。并指出本 文有待改进完善之处。 。 第二章低场磁共振电路概述 第二章低场磁共振电路概述 2 1 磁共振基本原理 所谓磁共振就是指处于某个静磁场中的物质的自旋核系统受到相应频率的 射频磁场作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。 实验证明，自旋量子数不为零的原子核都将围绕着某个轴作自旋运动，由此 产生磁距，使原子核具有微磁性( 图2 1 ) 。当没有外加磁场时，单个核磁矩是 随机取向的，所以宏观上表现为没有磁性( 图2 2 ) 。 图2 - 1 原子核自旋具有微磁性 图2 - 2 宏观表现没有磁性 将原子核置于一个稳定的静磁场雪。中时，本来随机取向的磁矩受磁场作用， 企图与磁场作同一取向。例如，对于氢核( 质子) 来说，取向只能有与磁场平行 或反向平行两种，分别对应低能级和高能级两个状态，数量上按波尔兹曼规律分 布( 图2 3 ) 。分析证明，自旋取向与磁场取向存在夹角，类似于陀螺的进动， 即原子核在磁场中以磁场方向为轴向作进动( 图2 4 ) 。 图2 - 3 自旋核( 氢) 的两种取向图2 4 原子核的进动 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 原子核的进动角频率( 称 a r m o r 频率) 与磁场强度雪。及原子核固有的旋磁 比y 有关，即：面。= 厩( 2 - 1 ) 在作进动的磁矩集合中，单个磁矩的相位是随机的，各磁矩矢量构成双向锥 面。因而它们的合成取向就形成宏观磁化，以磁化强度矢量府表示( 图2 5 ) 。 向磁矩露施加l a r m o r 频率的射频磁场亘( 雪。与鼠方向垂直) ，在雪。的作用 下，砑将偏离原来位置。若豆的持续时间能使霸旋转9 0 0 ，庸即落在与静磁场 或垂直的平面内( 图2 6 ) 。射频磁场雪。的频率等于l a r m o r 频率是产生磁共振 的前提条件，也被称为l a r m o r 条件“1 。 图2 - 5 宏观磁化矢量厨 图2 - 6 在豆作用下a 7 睫转9 0 。与或垂直 切除射频场豆后，宏观磁化强度肪将在垂直于或的平面内衰减，同时在鼠 的方向上增长，呈螺旋状( 图2 7 ) ，从而在相应的接收线圈内就会产生感生电 压。感生电压表现为自由感应衰减信号( f r e ei n d u c t i o nd e c a y ，简称f i d 信号) ( 图2 8 ) 。这个信号也被称为回波信号。 ah h l 蛳q a n ，、，、一一 v v 一一一 t 图2 7 切除豆后庸呈螺线状回位图2 - 8 自由感应衰减信号f i d 第二章低场磁共振电路概述 f i d 信号的初始幅值与特定体积内受激励的核子数目成比例。f i d 信号的衰 减还与弛豫时间( 即原子核从不平衡态向平衡态恢复所需时间) 有关，因此根据 对f i d 信号的反演计算，就可获得有关被测物质特性的核磁共振参数。 磁共振仪器正是利用这一原理，通过对获得的f i d 信号放大后分析处理，得 到被测样品的性质特征参数，以便其它分析解释利用。 由于氢的磁矩较大，所以氢原子的磁共振信号比较容易获得。这样对含有氢 原子较多的物质的监测就比较容易。这一点在低场磁共振技术应用领域中的体现 最为突出。 例如在石油、地下水勘探方面，由于地层中的石油、天然气和水富含氢原子， 所以通过对地层中氢原子磁共振信号的幅值、衰减时间常数的分析可以得到地层 孔隙度、渗透率、束缚水饱和度、原油粘度、地层孔隙大小分布等重要参数“1 。 在食品化工行业应用方面，因为食品、化工产品的含水量直接或间接的反映了其 质量的好坏，所以通过低场磁共振技术，在不中断生产过程和不破坏样品的前提 下可对其成分、质量进行在线监测。 2 2 低场磁共振的技术特点 从应用方面看，低场磁共振技术应用于油气勘探和找寻地下水方面具有测量 准确可靠、不需对岩石参数进行现场标定、不受岩性限制、可避开泥质和矿化度 的影响、可提供多种储层参数等特点，是当代唯一能够直接测量储层( 油层、气 层、水层) 自由流体孔隙度的新方法。自出现以来，在世界各地受到高度重视。 在化工食品检测等其它应用方面，相对于传统的检测方法具有不破坏样品、可在 线实时监测，反应速度快，仪器造价成本低等特点。 从技术方面看，普通的磁共振系统场值较高，能够接收到的磁共振信号较强， 信噪比较高，所以在电路系统上比较容易实现；而低场磁共振系统应用环境复杂， 信号非常微弱，根据其静磁场的场强不同，从几纳伏( 1 0 1 伏) 到几百微伏( 1 0 1 伏) 不等。所以低场磁共振电路的信号接收电路应具有很高的灵敏度。 与一般磁共振系统相比，由于低场磁共振系统使用环境特殊，尤其在勘探测 井方面，通常为野外或井下，所以受到外部的干扰很大，测量的信噪比往往要比 一般情况低得多。研究表明，磁共振信号的信噪比与静磁场强度以及被测样品的 低场磁共振f i e ) 信号放大电路的分析与研究 共振区域大小有如下关系“1 ： 喜8 0 5 ”口： ( 2 - 2 ) 其中b 0 为静磁场的磁感应强度，a 表示样品的特征直径，在低场情况下，这二者 的值都相对于高、中场磁共振小得多。以低场磁共振测井系统为例，实际在井下 工作时，由于受地层环境和仪器运动的影响，测量信噪比往往很低，甚至会出现 小于l ：1 的情况。另外，在找水等其它应用方面，由于利用地磁场作为背景场， 很容易受到电磁噪声等信号干扰，准确提取有效信号难度很大。 所以具备很高的防干扰、抗噪声能力是低场磁共振电路系统必备的另一个显 著特点。 2 3 低场磁共振电路的实现途径 早期由于相关技术条件的限制，如微处理器的运算速度不够快，放大器对噪 声的抑制不够理想等，使得低场核磁共振的应用还只停留在理论上。例如利用地 面核磁共振系统勘探地下水，由于只能利用地磁场( o 5 高斯左右) 作为静磁场， 磁共振信号的幅值只有几十纳伏左右，以前的技术条件很难把它从噪声中有效地 分辨出来，因此尽管在六十年代就有人提出了这种设想，但当时还无法实现。 近年来，随着大规模集成电路芯片技术、d s p 技术和计算机技术的高速发展， 使磁共振电路实现都已日趋数字化，各种元器件的性能也得到了很大的改进。与 早期的模拟电路相比，数字电路的稳定性较好，不易受温度影响，有助于提高电 路的信噪比。 而低场磁共振电路中的一些关键元器件的更新换代，比如，高分辨率一 a d 变换器大大提高了模数转换的精度和速度；新型滤波器可以更好地抑制噪声 放大信号；高速数字信号处理器( d s p ) 、可编程逻辑门阵列( f p g a ) 芯片可以实 现电路的快速集中控制和信号的快速采集；应用数控振荡器( n c o ) 便于数字化 调整共振频率、能够自动跟踪和检测，等等。为电路性能的改善打下了基础。 因此，将这些新技术和新器件引入低场磁共振电路系统的设计中，将可以大 大提高了低场磁共振电路系统的性能。这些技术的应用可使得低场磁共振电路设 计中的众多技术难点一一得到解决，另外在现代数字技术和信号处理的平台上实 现用d s p 进行集中控制的高性能低场磁共振电路系统，使得系统小型化、数字化 第二二章低场磁共振电路概述 和低成本化变为可能，从而使得低场核磁共振技术服务于人类社会成为现实。 2 4 低场磁共振信号的估算 对低场磁共振放大电路来说，可能接收到的f d 信号的能量和幅值决定了电 路的方案设计和器件选择，下面根据我们现有的实验条件，对f i d 信号的幅值进 行估算。 ( 1 ) 信号幅值估算 根据电磁感应原理，接收线圈能检测的电压信号为 v ( f ) = 一n 掣= 一n s f u d t。掣a t ( 2 3 ) 则f i d 信号的最大幅值 = n s f l o c o o m o = n s f v o y b o 幽等盟 ( 2 - 4 ) 式2 4 中，r l 为接收线圈匝数，在我们的实验系统中n = l o 匝； s 为接收线圈截面积，实验中接收线圈直径d = 5 c m ， 枞( 爿2 “啾”3 m 2 u 。为真空中的磁导率，u 。= 4 x1 0 h m ： y 为自旋核的旋磁比，氢核的y f 2 6 7 5 2 x l o s t 1 s ： 寿为普朗克常数，i t = h 2 玎= l0 5 4 5 8 8 7 _ 1 0 3 0 s i b o 为背景场强，在我们的系统中b o = 3 0 9 g s ； k 为玻尔兹蔓常数，k = 1 3 8 l o - 8 2 k ： i 为自旋量子数，i = 1 2 ； t 为绝对温度，般取室温( 2 9 8 k ) ； n 为单位体积内自旋核的个数，在实验中取纯水作为样品， 则n = 6 6 6 9 1 0 ”： f 为填充因子，即被测物质体积与共振区域的体积比。 根据式2 - 4 ，通过m a t l a b 可以绘出在我们的实验条件下的磁共振信号的最 大幅值v 一与填充因子f 的关系曲线图，如图2 9 所示。图中f 的取值范围为0 1 ， v 。的单位为v ( 伏) 。 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 因为实验系统中，样 品是置于接收线圈内的， 所以f 可用被测样品的 有效体积v 。与线圈的内 腔体积v ，之比来表示， l 则： 厂：选：每( 2 5 ) v ，s l 其中1 为线圈的纵 向长度，实验中l = 1 2 c m 。 为实验方便，我们取 图2 - 9v 眦一f 关系曲线图 样品体积为线圈内腔体积的1 4 ，由式2 5 可得出样品水的体积为5 8 m l 。从图 2 - 9 中可以看出对应f = o 2 5 时能接收到f d 信号的最大幅值v 一* l o t v ( 2 ) 信号频率 由于背景场强b o = 3 0 9 g s ，所以由式2 一l 可知我们接收到的磁共振信号频率 f = 1 3 m h z ，波形是强度逐渐减弱的正弦波信号。 ( 3 ) 信号带宽 在我们的磁共振实验条件下，为了获得更多的实验参数资料，希望允许背景 场强鼠在一定范围内变化，这样就会引起磁共振频率在一定范围内变化。我们 期望或变化的范围一般在3 以内。 从式2 - 1 可知，面o = 威，在固定样品为水时，y f 2 6 7 5 2 x 1 0 叮。s 1 固定不 变，则有： 面0 = 墙瓯 ( 2 5 ) 由此可以估算出磁共振信号的带宽巩= 厶一正= f x 6 * 8 0 k h z 2 5 低场磁共振的电路构架框图 ( 1 ) 低场磁共振电路系统要求 低场磁共振系统在技术实现上，电路部分是关键，尤其是信号接收电路，它 的性能直接关系到整个系统的准确性、灵敏度等性能指标。所以根据低场磁共振 第二章低场磁共振电路概述 系统的技术特点，对电路系统设计提出了以下要求： 1 )由于低场磁共振系统的特殊使用条件，使得电路系统的稳定性和可靠性成 为电路设计的首要要求。 2 )低场磁共振电路系统中，为了避免耦合干扰，一般采用发射和接收用同 一线圈的方案( 这个线圈也被称为“天线”) ，即在同一个线圈上首先加 一个高电压和大电流的射频脉冲，用来产生射频场豆，然后迅速将线圈 中的残余能量泄放掉，最后通过天线接口电路将接收到的f i d 信号供给有 源放大电路进行放大处理。所以应用数字化技术实现快速切换前后落差巨 大不同信号，保证天线三个状态能够准确完成且互不干扰是核心技术之 一o 3 )接收信号很弱( 微伏或纳伏级) 、时间短( 微秒级) ，而且环境干扰大，如 何准确实现接收信号放大、采集、滤波，提高信噪比，以便后续电路处理 分析，这是信号接收电路部分设计的重点要求。 4 )由于只有在满足l a r m o r 条件下，才能接收到有效的磁共振信号，所以通 过硬件和软件的方法设计出既能让有效信号通过，又能过滤其它频率噪声 的滤波器是电路设计的另一个要求。 由此可见，如何在保证系统稳定性和可靠性的前提下，利用现代化数字技术 平台有效地提取和处理这种本身很弱、信噪比又很低的信号，是低场磁共振电路 设计的主导思想。 ( 2 ) 低场磁共振电路系统框图 在经过大量国内外相关资料调研分析的基础上，我们的低场核磁共振电路系 统原理框图如图2 一1 0 所示。各模块功能简介如下： 1 ) 电源模块 主要功能是把交流电压转换为直流电压，为其他各功能模块提供高精度的直 流电源，并且为射频发射产生射频场提供能量。要求输出电压精度高，稳定性好， 高频谐波噪声低。 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 圜n-1口奔豸亥磕l潍赫母舔粼辫洵瞄丰匡llj 第二章低场磁共振电路概述 2 ) 射频激励模块 射频激励模块接收来自d s p 模块的射频脉冲发生控制信号，经过电平转换、 放大处理，为射频发射模块产生合适的输入驱动信号。 3 ) 射频发射模块 射频发射模块功能类似功率放大器，接收来自射频激励器内产生的驱动电平 信号，并产生互补的方波输出电压。 4 ) 发射滤波模块 对射频发射模块的输出方波信号进行处理，将处理整形后的信号送给天线接 口模块，传递给天线。 5 ) 天线接口模块： 是射频发射与信号接收电路与磁体天线系统的接口电路，实现天线的三态切 换，主要完成以下功能： 完成射频能量传递； 在发射脉冲期间，防止射频能量流入接收电路中； 发射脉冲完成之后，迅速泻放天线中的残余能量； 把天线回波信号传送给接收电路的前置放大部分。 6 ) 前置放大模块 前置放大模块是一个具有低噪声、增益稳定、带宽相对较大( 允许磁共振频 率在一定范围内变化，而不需要重新调节) 的放大器模块，用以实现接收磁共振 回波信号和校准信号。 7 ) 射频接收模块 射频接收模块接收来自前置放大器的输出信号，通过内部的多路选择器及开 关选择所需信号，送给后续的接收滤波模块，保证工作期间只有被放大过的信号 被处理。 8 ) 接收滤波模块 将前级输入的信号进行有效滤波，进一步降低噪声，提高信号的信噪比。 9 ) 数字信号处理( d s p ) 模块 是整个电路系统的控制模块，主要完成与上位机的通讯；产生射频场控制信 低场磁共振f | d 信号放大电路的分析与研究 号；对接收来的回波信号经过a o 转换采样后进行数字处理，并将处理过的数据 传递给上位机；同时产生各种控制信号，控制其他各个模块协调统一的工作。 1 0 ) p c 上位机 与d s p 模块进行通讯，输出以控制参数值；将d s p 模块预处理过的数据进行 最终分析解释，以数据、表格、图形、图像等形式直观的表达出来，作为对被测 对象评价的最终依据。 ( 3 ) 电路系统方案特点 与传统的磁共振电路系统相比，我们的线路系统方案具有如下主要特点： 1 ) 电路系统核心采用高速d s p 及f p g a 芯片配合，以此作为电路核心的优势在 于： 电路系统具有很高的灵活性和可扩展性； 使硬件整体可靠性提高； 电路以及相关软件可以在一般p c 机上开发： 系统容易在不同环境下进行测试； 系统效率高，随着d s p 等芯片的处理速度的提高，很多传统的由硬件电 路实现的功能可由软件来实现，在很大程度上提高了系统的整体效率。 2 ) 脉冲射频调制电路采用数控振荡器( n c o ) ，便于数字化调整共振频率，能够 自动跟踪和检测。与传统的混频方法调制相比，控制精度大幅增高，其控制精度 为 ：f ( 2 6 ) 2 。 其中f 为n c o 的工作频率，n 为n c o 的精度位数。例如采用3 2 位的数控振荡器， 在n c o 频率为1 0 删z 的前提下，其控制精度可达到：塑兰：堡：o 0 0 2 胁。 3 ) 采用高分辨率的多位a d 变换器大大提高了a d 转换的速度。对后续的信号 分析处理的准确进行提供了前提条件。 4 ) 对回波信号采样后送交d s p 芯片进行数字滤波处理，利用d s p 高速运算的特 点，减少硬件电路滤波负担，提高滤波效果，使电路简化。 第三章天线接口电路分析 第三章天线接口电路分析 3 1 天线接口电路功能 ( 1 ) 天线线圈的三种工作状态 在低场磁共振电路系统中，为了避免耦合干扰，一般采用发射和接收用同一 线圈的方案，这样天线线圈就会有三种工作状态：射频发射、残余能量泄放、磁 共振信号接收。天线线圈的具体工作过程如图3 1 所示： b i ( 虹1 0 ) 发射泄放接收 图3 1 天线线圈发射、泄放、接收示意图 1 ) 射频发射 首先在天线线圈上加一个高电压和大电流的射频脉冲，用来产生射频场雪， 并持续一段时间，使线圈内样品的宏观磁化矢量庸翻转到与鼠垂直的位置。 2 ) 残余能量泄放 由于天线线圈是一个电感元件，在切断射频发射信号后内部会留有一定的残 余能量，为了正常接收信号，必须在接收信号前把线圈储有的能量快速泄放掉。 3 ) 磁共振信号接收 最后通过天线接口电路将接收到的磁共振回波信号经无源谐振放大后传递 给后面的前置放大电路放大处理。 ( 2 ) 天线接口电路功能 从以上分析可以看出，天线接口电路主要完成以下两个功能： 低场磁共振f i d 信号放大电路的分析与研究 1 ) 天线三种状态间的切换 由于以上每一个过程时间都很短，为几十到几百us ，所以要求接口电路能 够快速切换天线的三种状态。另外，后续的前置放大电路是个高增益的微弱信号 放大器，所以要确保在射频发射和泄放时，较大的电流不会漏入前放电路中，对 信号接收电路造成破坏。这就要求在除信号接收的时刻外，天线接口电路能够可 靠关断信号接收通路，保护后续放大电路。 2 ) 磁共振信号的放大传递 射频发射和泄放后，天线接口应快速切断发射部分，将天线连通前置放大电 路，接收由样品发出的自由感应衰减信号。所以在天线接收信号时，接口电路应 该是一个具有谐振放大性能的无源信号传递网络，另外它还应该具有一定的滤波 作用，即要求其工作带宽应符合信号的带宽。 在低场情况下我们能接收到的回波信号十分微弱，根据第二章的估算，需传 递的信号幅值为1 0 u v ，频率f = 1 3 m h z ，带宽b w z 8 0 k h z 。 ( 3 ) 天线接口电路结构框图 根据以上情况，参考类似接口电路，我们的天线接口放大电路，也可以说是 信号的无源放大电路的电路结构框图如图3 2 所示： k 射 k i 频 革 _ 发 射 j l “i p l l 广 l b 8。，8卜 c 月 图3 - 2 无源放大电路的结构框图 前 置 放 大 第三章天线接