CN105068030A - 核磁共振谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核磁共振谱仪，包括：天线阵列、功率放大器、前置放大器、以及FPGA；FPGA包括激励信号生成模块和回波信号接收模块；功率放大器的输入端与激励信号生成模块相连接，功率放大器的输出端与天线阵列相连接；前置放大器的输入端与天线阵列相连接，前置放大器的输出端与回波信号接收模块相连接；激励信号生成模块用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据控制信息生成天线激励信号；回波信号接收模块用于从放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给上位机。本发明提供的核磁共振谱仪，硬件模块较少，体积和功耗也大幅减小，提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

核磁共振谱仪

技术领域

本发明涉及核磁共振测录井技术，尤其涉及一种核磁共振谱仪。

背景技术

核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)现象在1946年被发现，之后很快应用在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域。核磁共振谱仪是利用核磁共振技术对井下地层信息或钻井液信息进行探测的仪器，可具体用于核磁共振测井仪或核磁共振录井仪等系统中。

目前，核磁共振谱仪通常包括：数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，FPGA)、直接数字式频率合成器(DirectDigitalSynthesizer，DDS)、刻度器、脉冲采集电路以及天线阵列等。

现有技术的不足之处在于，由于谱仪中硬件模块较多，增大了系统的体积与功耗，也增加了系统硬件的复杂度，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明提供一种核磁共振谱仪，用以解决现有技术中谱仪的体积与功耗较大、可靠性较差的技术问题。

本发明提供一种核磁共振谱仪，包括：天线阵列、功率放大器、前置放大器、以及现场可编程门阵列FPGA；所述FPGA包括激励信号生成模块和回波信号接收模块；

所述功率放大器的输入端与所述激励信号生成模块相连接，所述功率放大器的输出端与所述天线阵列相连接；

所述前置放大器的输入端与所述天线阵列相连接，所述前置放大器的输出端与所述回波信号接收模块相连接；

所述激励信号生成模块用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据所述控制信息生成天线激励信号；

所述功率放大器用于将所述天线激励信号放大后发送给所述天线阵列；

所述前置放大器用于将所述天线阵列接收到的回波信号放大后发送给所述回波信号接收模块；

所述回波信号接收模块用于从所述放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给所述上位机。

进一步地，所述激励信号生成模块具体包括：

控制信息接收单元，用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据所述控制信息确定所述天线激励信号对应的频率、幅度和初始相位值；

相位累加单元，用于根据所述频率、所述幅度和所述初始相位，产生对应的相位字；

变换单元，用于根据所述相位字，通过查表法产生所述天线激励信号。

进一步地，所述回波信号接收模块具体包括：

回波信号接收单元，用于接收前置放大器发送的放大后的回波信号；

正交检波单元，用于产生正弦量和余弦量，并将所述正弦量与所述放大后的回波信号相乘，得到虚部信号，将所述余弦量与所述放大后的回波信号相乘，得到实部信号；

发送单元，用于根据所述实部信号和所述虚部信号获得核磁共振信号，并将所述核磁共振信号发送给所述上位机。

进一步地，所述核磁共振谱仪，还包括：磁体；

所述磁体的充磁方向为轴向，所述天线阵列包括至少一个螺线管天线，所述螺线管天线环绕在所述磁体外侧。

进一步地，所述核磁共振谱仪，还包括：温度传感器；

所述温度传感器与所述FPGA电连接，用于将检测到的温度信号发送给所述FPGA。

进一步地，所述核磁共振谱仪，还包括：隔离电路；

所述功率放大器和所述前置放大器分别通过所述隔离电路与所述天线阵列相连接。

进一步地，所述隔离电路包括第一开关和第二开关；

所述功率放大器的输出端通过所述第一开关与所述天线阵列相连接；

所述前置放大器的输入端通过所述第二开关与所述天线阵列相连接；

所述第一开关的控制端和所述第二开关的控制端分别与FPGA相连接；

所述FPGA还包括：控制命令生成模块，所述控制命令生成模块用于生成第一开关控制命令和第二开关控制命令，所述第一开关控制命令用于控制所述第一开关开通或关断，所述第二开关控制命令用于控制所述第二开关开通或关断。

进一步地，所述核磁共振谱仪，还包括：与所述天线阵列并联的泄放电路；

所述泄放电路包括串联的MOS管和电阻。

进一步地，所述MOS管的输入端与所述FPGA电连接；

相应的，所述控制命令生成模块还用于：生成泄放电路控制命令；所述泄放电路控制命令用于控制所述MOS管开通或关断。

进一步地，所述核磁共振谱仪，还包括：模数转换器和数模转换器；

所述功率放大器的输入端与所述FPGA之间通过所述数模转换器实现连接；所述前置放大器的输出端与所述FPGA之间通过所述模数转换器实现连接。

本发明提供的核磁共振谱仪，包括天线阵列、功率放大器、前置放大器、以及FPGA，其中功率放大器与FPGA相连接，用于将FPGA产生的天线激励信号发送给天线阵列，前置放大器与FPGA相连接，用于将天线阵列接收到的回波信号发送给FPGA，FPGA用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据控制信息生成天线激励信号，还用于从放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给上位机，实现核磁共振测井功能或录井功能，整个谱仪中硬件模块较少，体积和功耗也大幅减小，提高了系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪中激励信号生成模块的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪中回波信号接收模块的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中隔离电路的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中泄放电路的结构示意图；

图7为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中控制命令生成模块生成的多路控制信号的示意图。

附图标记：

1-天线阵列2-功率放大器3-前置放大器

4-激励信号生成模块5-回波信号接收模块41-控制信息接收单元

42-相位累加单元43-变换单元51-回波信号接收单元

52-正交检波单元53-发送单元6-隔离电路

7-泄放电路8-温度传感器61-第一开关

62-第二开关71-MOS管72-电阻

91-第一控制信号92-第二控制信号93-第三控制信号

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供一种核磁共振谱仪。图1为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪的结构示意图。如图1所示，本实施例中的核磁共振谱仪，可以包括：天线阵列1、功率放大器2、前置放大器3、以及现场可编程门阵列FPGA；FPGA包括激励信号生成模块4和回波信号接收模块5；

功率放大器2的输入端与激励信号生成模块4相连接，功率放大器2的输出端与天线阵列1相连接；

前置放大器3的输入端与天线阵列1相连接，前置放大器3的输出端与回波信号接收模块5相连接；

激励信号生成模块4用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据控制信息生成天线激励信号；

功率放大器2用于将天线激励信号放大后发送给天线阵列1；

前置放大器3用于将天线阵列1接收到的回波信号放大后发送给回波信号接收模块5；

回波信号接收模块5用于从放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给上位机。

具体地，FPGA可以与上位机相连接，能够与上位机实现通信。FPGA中的激励信号生成模块4在接收到上位机发送的控制信息后，对控制信息进行编解码处理，并根据编解码处理后得到的信息生成天线激励信号。功率放大器2能够对天线激励信号进行放大，并将放大后的天线激励信号发送给天线阵列1。

天线阵列1在接收到天线激励信号后，能够产生射频磁场，对待测物质中已经被极化的氢质子进行扳转；当停止向天线阵列1发送天线激励信号后，射频磁场消失，氢质子可以沿着磁体产生的静磁场运动，进而产生回波信号。

前置放大器3与天线阵列1相连接，能够将天线阵列1接收到的回波信号放大后发送给FPGA中的回波信号接收模块5，由回波信号接收模块5对回波信号进行处理后发送给上位机。

其中，天线阵列1中可以包括接收天线和发射天线，接收天线用于接收回波信号，发射天线用于产生射频磁场，接收天线可以与前置放大器3相连接，发射天线可以与功率放大器2相连接；或者，天线阵列1中的天线可以不分接收天线和发射天线，全部天线均具有产生射频磁场和接收回波信号的功能，通过时序控制来实现分时段产生射频磁场或者接收回波信号的功能。

本实施例提供的核磁共振谱仪，包括天线阵列1、功率放大器2、前置放大器3、以及FPGA，其中功率放大器2与FPGA相连接，用于将FPGA产生的天线激励信号发送给天线阵列1，前置放大器3与FPGA相连接，用于将天线阵列1接收到的回波信号发送给FPGA，FPGA用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据控制信息生成天线激励信号，还用于从放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给上位机，实现核磁共振测井功能或录井功能，整个谱仪中硬件模块较少，体积和功耗也大幅减小，提高了系统的稳定性和可靠性。

图2为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪中激励信号生成模块4的结构示意图。如图2所示，本实施例中的激励信号生成模块4，具体可以包括：

控制信息接收单元41，用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据控制信息确定天线激励信号对应的频率、幅度和初始相位值；

相位累加单元42，用于根据频率、幅度和初始相位，产生对应的相位字；

变换单元43，用于根据相位字，通过查表法产生天线激励信号。

其中，相位累加单元42可以根据频率、幅度和初始相位，在参考时钟的控制下对频率控制字进行累加，产生对应的相位字；变换单元43，即相位幅度转换器，可以根据相位字产生的对应的天线激励信号，这里的天线激励信号是数字量化的正弦波。变换单元43和功率放大器2的输入端之间可以通过数模转换器实现连接，数模转换器能够根据数字量化的正弦波生成相应的模拟信号，其输出经过低通滤波器后，发送给功率放大器2。

图3为本发明实施例一提供的核磁共振谱仪中回波信号接收模块5的结构示意图。如图3所示，本实施例中的回波信号接收模块5，具体可以包括：

回波信号接收单元51，用于接收前置放大器3发送的放大后的回波信号；

正交检波单元52，用于产生正弦量和余弦量，并将正弦量与放大后的回波信号相乘，得到虚部信号，将余弦量与放大后的回波信号相乘，得到实部信号；

发送单元53，用于根据实部信号和虚部信号获得核磁共振信号，并将核磁共振信号发送给上位机。

其中，回波信号包括核磁共振信号以及噪声信号，前置放大器3的输出端与回波信号接收单元51之间通过模数转换器实现连接。模数转换器能够将前置放大器3输出的放大后的回波信号转换为FPGA能够处理的数字信号，并发送给FPGA中的回波信号接收单元51。

本实施例中可以通过数字正交检波的方法来从回波信号中提取出核磁共振信号。具体地，正交检波单元52能够产生正弦量和余弦量，并根据正弦量、余弦量和放大后的回波信号，得到实部信号和虚部信号，发送单元53能够根据实部信号和虚部信号得到核磁共振信号，并将核磁共振信号发送给上位机，由上位机对核磁共振信号进行分析，当然，也可以在正交检波单元52生成实部信号和虚部信号后，发送单元53直接将实部信号和虚部信号发送至上位机，由上位机根据实部信号和虚部信号获得核磁共振信号。

本实施例中，天线激励信号的生成和核磁共振信号的确定均由FPGA完成，整个谱仪系统的体积较小，稳定性较好。

实施例二

本发明实施例二提供一种核磁共振谱仪。图4为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪的结构示意图。本实施例是在实施例一提供的技术方案的基础上，增加了隔离电路6、泄放电路7以及温度传感器8。如图4所示，本实施例中的核磁共振谱仪，可以包括：天线阵列1、功率放大器2、前置放大器3、FPGA、隔离电路6、泄放电路7以及温度传感器8。

其中，天线阵列1、功率放大器2、前置放大器3和FPGA的连接关系以及功能均与实施例一类似，此处不再赘述。

本实施例中，功率放大器2和前置放大器3分别通过隔离电路6与天线阵列1相连接，前文所述的通过时序控制来实现分时段产生射频磁场或者接收回波信号的功能，可以具体通过隔离电路6来实现。

图5为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中隔离电路6的结构示意图。如图5所示，隔离电路6可以包括第一开关61和第二开关62；功率放大器2的输出端通过第一开关61与天线阵列1相连接；前置放大器3的输入端通过第二开关62与天线阵列1相连接；第一开关61的控制端和第二开关62的控制端可以分别与FPGA相连接。

相应的，FPGA还可以包括：控制命令生成模块，控制命令生成模块用于生成第一开关控制命令和第二开关控制命令，第一开关控制命令用于控制第一开关61开通或关断，第二开关控制命令用于控制第二开关62开通或关断。

第一开关61和第二开关62的开通或关断由FPGA来控制，当第一开关61开通、第二开关62关断时，FPGA可以通过功率放大器2向天线阵列1发送天线激励信号，当第一开关61关断、第二开关62开通时，FPGA可以通过前置放大器3接收天线阵列1发送回波信号。第一开关61和第二开关62可以起到隔离作用，防止功率放大器2发射时，输出的大功率射频信号将前置放大器3烧坏，同时防止天线阵列1与前置放大器3导通时受到来自功率放大器2的噪声的影响。

本实施例中，天线阵列1可以与泄放电路7相连接，具体地，天线阵列1可以与泄放电路7并联连接。图6为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中泄放电路7的结构示意图。如图6所示，泄放电路7可以包括串联的MOS管71和电阻72，MOS管71的输入端Vin可以与FPGA电连接；

相应的，控制命令生成模块还用于：生成泄放电路控制命令；泄放电路控制命令用于控制MOS管71开通或关断。

具体地，通过改变Vin的大小可以改变MOS管71的开关状态。在FPGA向天线阵列1发送天线激励信号时，MOS管71处于关断状态，天线阵列1能够产生射频磁场；当FPGA停止向天线阵列1发送激励信号时，可以打开MOS管71，通过电阻72泄放天线阵列1中存储的能量，防止因天线阵列1自由衰减时间过长而淹没核磁共振信号。

温度传感器8可以与FPGA电连接，用于将检测到的温度信号发送给FPGA。将温度信号发送给FPGA，能够使FPGA在分析回波信号的同时，建立回波信号与环境温度的对应关系，更深层次地反映当前地层信息或钻井液信息。

本实施例提供的核磁共振谱仪，包括天线阵列1、功率放大器2、前置放大器3、FPGA、隔离电路6、泄放电路7以及温度传感器8，通过隔离电路6可以实现天线阵列1与放大器之间的隔离作用，防止天线阵列1与前置放大器3导通时受到来自功率放大器2的噪声的影响，泄放电路7能够及时泄放天线阵列1中存储的能量，防止因天线阵列1自由衰减时间过长而淹没核磁共振信号。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，FPGA中的控制命令生成模块还用于：生成多路控制信号，用以控制功率放大器2、前置放大器3等器件的工作。

图7为本发明实施例二提供的核磁共振谱仪中控制命令生成模块生成的多路控制信号的示意图。如图7所示，第一控制信号91可以作为功率放大器2的工作控制命令与第一开关61的控制命令，当第一控制信号91为高电平时功率放大器2工作，第一开关61开通，功率放大器2与天线阵列1之间导通，当第一控制信号91为低电平时，功率放大器2停止工作，第一开关61关断，功率放大器2与天线阵列1之间断开；第二控制信号92可以为第二开关62控制命令，当第二控制信号92为高电平时，第二开关62关断，当第二控制信号92为低电平时，第二开关62开通；第三控制信号93可以为泄放电路控制命令，当第三控制信号93为高电平时，泄放电路7工作，当第三控制信号93为低电平时，泄放电路7停止工作。

通过FPGA来生成各路控制信号，实现对各个器件工作状态的控制，能够进一步减小核磁共振谱仪的体积和功耗，增加谱仪的稳定性和抗干扰性。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，核磁共振谱仪还可以包括：磁体；磁体的充磁方向为轴向，相应的，天线阵列1包括至少一个螺线管天线，螺线管天线环绕在磁体外侧。磁体能够产生静磁场，极化地层中的氢质子，为产生核磁共振信号提供必要条件。

此外，核磁共振谱仪中还可以包括外部存储器，外部存储器可以与FPGA电连接，用于暂存FPGA发送的数据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种核磁共振谱仪，其特征在于，包括：天线阵列、功率放大器、前置放大器、以及现场可编程门阵列FPGA；所述FPGA包括激励信号生成模块和回波信号接收模块；

所述功率放大器的输入端与所述激励信号生成模块相连接，所述功率放大器的输出端与所述天线阵列相连接；

所述前置放大器的输入端与所述天线阵列相连接，所述前置放大器的输出端与所述回波信号接收模块相连接；

所述激励信号生成模块用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据所述控制信息生成天线激励信号；

所述功率放大器用于将所述天线激励信号放大后发送给所述天线阵列；

所述前置放大器用于将所述天线阵列接收到的回波信号放大后发送给所述回波信号接收模块；

所述回波信号接收模块用于从所述放大后的回波信号中提取出核磁共振信号发送给所述上位机。

2.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，其特征在于，所述激励信号生成模块具体包括：

控制信息接收单元，用于接收用户通过上位机发送的控制信息，并根据所述控制信息确定所述天线激励信号对应的频率、幅度和初始相位值；

相位累加单元，用于根据所述频率、所述幅度和所述初始相位，产生对应的相位字；

变换单元，用于根据所述相位字，通过查表法产生所述天线激励信号。

3.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，其特征在于，所述回波信号接收模块具体包括：

回波信号接收单元，用于接收前置放大器发送的放大后的回波信号；

正交检波单元，用于产生正弦量和余弦量，并将所述正弦量与所述放大后的回波信号相乘，得到虚部信号，将所述余弦量与所述放大后的回波信号相乘，得到实部信号；

发送单元，用于根据所述实部信号和所述虚部信号获得核磁共振信号，并将所述核磁共振信号发送给所述上位机。

4.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，其特征在于，还包括：磁体；

所述磁体的充磁方向为轴向，所述天线阵列包括至少一个螺线管天线，所述螺线管天线环绕在所述磁体外侧。

5.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，其特征在于，还包括：温度传感器；

所述温度传感器与所述FPGA电连接，用于将检测到的温度信号发送给所述FPGA。

6.根据权利要求1-5任一项所述的核磁共振谱仪，其特征在于，还包括：隔离电路；

所述功率放大器和所述前置放大器分别通过所述隔离电路与所述天线阵列相连接。

7.根据权利要求6所述的核磁共振谱仪，其特征在于，所述隔离电路包括第一开关和第二开关；

所述功率放大器的输出端通过所述第一开关与所述天线阵列相连接；

所述前置放大器的输入端通过所述第二开关与所述天线阵列相连接；

所述第一开关的控制端和所述第二开关的控制端分别与FPGA相连接；

所述FPGA还包括：控制命令生成模块，所述控制命令生成模块用于生成第一开关控制命令和第二开关控制命令，所述第一开关控制命令用于控制所述第一开关开通或关断，所述第二开关控制命令用于控制所述第二开关开通或关断。

8.根据权利要求7所述的核磁共振谱仪，其特征在于，还包括：与所述天线阵列并联的泄放电路；

所述泄放电路包括串联的MOS管和电阻。

9.根据权利要求8所述的核磁共振谱仪，其特征在于，所述MOS管的输入端与所述FPGA电连接；

相应的，所述控制命令生成模块还用于：生成泄放电路控制命令；所述泄放电路控制命令用于控制所述MOS管开通或关断。

10.根据权利要求6所述的核磁共振谱仪，其特征在于，还包括：模数转换器和数模转换器；

所述功率放大器的输入端与所述FPGA之间通过所述数模转换器实现连接；所述前置放大器的输出端与所述FPGA之间通过所述模数转换器实现连接。