低场核磁共振信号高速数据采集系统研究
发布时间：2021-07-28 08:15
信号采集是核磁共振（NMR）获得精确信息的关键之一。由于井下地层流体产生的NMR信号非常微弱,并且受到井筒环境及仪器本身产生的各种复杂噪声干扰,使NMR信号采集非常困难,同时由于多维核磁共振测井的提出,井下数据采集的信息量增加数十倍,迫切需要提高数据采集速度。由于低场NMR信号频率低,它的信噪比比其他的场更低,如何采集高质量的核磁共振信号成了仪器设计的首要问题之一。本文基于低场NMR信号数据采集的要求,实现一套可对脉冲序列进行灵活编程设置、适用于不同拉莫尔频率下低场核磁共振信号采集的数字化谱仪主控系统。本系统采用单一主控芯片的设计方案,在一片FPGA芯片内实现时序控制功能与数据处理功能;采用程序编码方式控制生成调频信号、调相信号及调幅信号,然后混频生成所需的脉冲发射信号;采用超外差接收的方案,将信号调制到中频再进行检波,使系统可适用于低场甚至中场领域应用,具有较大的适用范围;采用高参考时钟信号的模数转换器,实现高速核磁共振数据采集;使用数字正交解调的检波算法,增加信噪比;采用目前常用的USB通信方式,在普通的计算机上进行上位机操作。最后用所实现的系统搭建整个核磁共振实验平台,经过实验进...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
低场核磁共振应用范围Figure1.1TheapplicationsrangeoflowfieldNMR
- 10 -图 2.3 系统时序图Figure 2.3 The system timing diagram给系统提供电源供应后，启动系统后，系统所有的数据和寄存器都会清零启，将系统状态进行初始化，然后就通过接口模块接收并解码来自于上位机的令，将指令存储到随机存储 RAM 模块内，使用地址码访问 RAM 然后读取指令据，通过解码指令实现脉冲序列的产生和发射，同时在脉冲间隔时间内控制接电路进行数据采集，将采集的数据进行数字正交检波、存储，最后将要传给上机进行处理核磁共振数据按照通信约定的方式编辑，在一个一个的送给我们的位机。
2N3.2.2 调相信号脉冲生成序列生成的 10 位相位控制字即为 DDS 模块的初始相位，根据 DDS原理，使用 160MHz 的参考时钟输入频率，采用 N=10 相位值（从 0x000 到 0x3FF十六进制）决定了相移的范围从 0 到 2π，分辨率为 2π/210~0.0061rad~0.35°。根据 DDS 原理公式，要想获得我们所需的频率固定为 20MHz 调相信号，需将频率控制字 K 设置为 128，这样得到 8 位二进制的频率控制字 10000000，使用 MATLAB生成一个余弦信号查找表，在 FPGA 内部建立一个存储深度为 1024 的 10 位 ROM模块来存储这个查找表，使用每次相位累加后的相位值作为地址来访问读取 ROM里的数字量化值，一共累加 8 次，这样从 ROM 中共读取了 8 次数值，对应 20MHz正弦信号 8 个重要点幅值量化值，根据奈奎斯特采样定理完全可以恢复成一个完整的正弦信号；驱动 FPGA 外部的同样 160MHz 参考时钟的外部调相硬件电路，进行数模转换最后经过滤波器平滑后得到所需的调相信号。功能仿真图如 3.8：
【参考文献】：
期刊论文
[1]DPSD在低场核磁共振回波信号检测中的应用[J]. 谢庆明,肖立志,于慧俊,朱万里. 波谱学杂志. 2011(01)
[2]基于Matlab/Simulink的幅度调制与解调综合实验设计[J]. 李露,史振威,周付根. 实验室研究与探索. 2011(01)
[3]USB通信协议分析和系统设计[J]. 陈明智,李锋,尚淮. 自动化与仪器仪表. 2006(06)
[4]正弦相位调制自混合干涉微位移测量精度分析[J]. 郭冬梅,谈苏庆,王鸣. 光学学报. 2006(06)
[5]高速乘法器的性能比较[J]. 应征,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2003(01)
[6]实用线性光电隔离放大电路[J]. 陈艳峰,张征平,丘水生. 电子测量技术. 1999(02)
[7]数字频率调制器[J]. ISHIZUKA MITACHI,谷守仁. 通信技术. 1981(05)
博士论文
[1]数字化MRI谱仪系统的研究与设计[D]. 刘正敏.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器的研制[D]. 马月萍.北京化工大学 2013
本文编号：3307557
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
低场核磁共振应用范围Figure1.1TheapplicationsrangeoflowfieldNMR
- 10 -图 2.3 系统时序图Figure 2.3 The system timing diagram给系统提供电源供应后，启动系统后，系统所有的数据和寄存器都会清零启，将系统状态进行初始化，然后就通过接口模块接收并解码来自于上位机的令，将指令存储到随机存储 RAM 模块内，使用地址码访问 RAM 然后读取指令据，通过解码指令实现脉冲序列的产生和发射，同时在脉冲间隔时间内控制接电路进行数据采集，将采集的数据进行数字正交检波、存储，最后将要传给上机进行处理核磁共振数据按照通信约定的方式编辑，在一个一个的送给我们的位机。
2N3.2.2 调相信号脉冲生成序列生成的 10 位相位控制字即为 DDS 模块的初始相位，根据 DDS原理，使用 160MHz 的参考时钟输入频率，采用 N=10 相位值（从 0x000 到 0x3FF十六进制）决定了相移的范围从 0 到 2π，分辨率为 2π/210~0.0061rad~0.35°。根据 DDS 原理公式，要想获得我们所需的频率固定为 20MHz 调相信号，需将频率控制字 K 设置为 128，这样得到 8 位二进制的频率控制字 10000000，使用 MATLAB生成一个余弦信号查找表，在 FPGA 内部建立一个存储深度为 1024 的 10 位 ROM模块来存储这个查找表，使用每次相位累加后的相位值作为地址来访问读取 ROM里的数字量化值，一共累加 8 次，这样从 ROM 中共读取了 8 次数值，对应 20MHz正弦信号 8 个重要点幅值量化值，根据奈奎斯特采样定理完全可以恢复成一个完整的正弦信号；驱动 FPGA 外部的同样 160MHz 参考时钟的外部调相硬件电路，进行数模转换最后经过滤波器平滑后得到所需的调相信号。功能仿真图如 3.8：
【参考文献】：
期刊论文
[1]DPSD在低场核磁共振回波信号检测中的应用[J]. 谢庆明,肖立志,于慧俊,朱万里. 波谱学杂志. 2011(01)
[2]基于Matlab/Simulink的幅度调制与解调综合实验设计[J]. 李露,史振威,周付根. 实验室研究与探索. 2011(01)
[3]USB通信协议分析和系统设计[J]. 陈明智,李锋,尚淮. 自动化与仪器仪表. 2006(06)
[4]正弦相位调制自混合干涉微位移测量精度分析[J]. 郭冬梅,谈苏庆,王鸣. 光学学报. 2006(06)
[5]高速乘法器的性能比较[J]. 应征,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2003(01)
[6]实用线性光电隔离放大电路[J]. 陈艳峰,张征平,丘水生. 电子测量技术. 1999(02)
[7]数字频率调制器[J]. ISHIZUKA MITACHI,谷守仁. 通信技术. 1981(05)
博士论文
[1]数字化MRI谱仪系统的研究与设计[D]. 刘正敏.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器的研制[D]. 马月萍.北京化工大学 2013
本文编号：3307557
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