CN107843936B - 一种核磁共振信号发射方法及系统 - Google Patents

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    • G01V3/32Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with electron or nuclear magnetic resonance

Abstract

本发明公开了一种核磁共振信号发射方法及系统。本发明的方法包括:生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列;向发射线圈供电以在所述发射线圈中生成信号电流;根据所述脉冲或者所述脉冲序列改变所述发射线圈与供电的信号电源间的通路以改变所述信号电流的流向从而在所述发射线圈中生成核磁共振信号。相较于现有技术,根据本发明的方法以及系统的受到温度变化和工作介质环境变化影响较少,更加适合在井筒内工作。

Description

一种核磁共振信号发射方法及系统
技术领域
本发明涉及地质开发领域,具体说涉及一种核磁共振信号发射方法及系统。
背景技术
核磁共振岩性分析仪器测量来自在地层中岩石的自旋核,通常是H元素的质子的核磁共振信号的幅度和衰变常数。初始信号的幅度主要指示总孔隙度的大小,而时间衰变,被分解成为指数衰变,表示横向驰豫时间。驰豫时间1~2是自旋-自旋相互作用的度量,它提供有关形成物的孔隙尺寸,流体类型,和渗透率。这些参数是重要的岩石物理量,这也是核磁广泛应用在石油勘探开发领域的原因。
核磁共振测量系统一般由发射部分和接收部分组成,为了提高信号输出功率和信噪比,这两部分大多采用线圈(等效成电感)和一个或多个电容构成谐振电路的结构。发射部分首先由微处理器或可编程器件,结合必要的模拟电路,生成需要的脉冲或者脉冲序列。该脉冲序列再经过功率放大电路进行功率放大,最后连接到发射天线和电容构成的谐振电路,这里需要对输出阻抗进行匹配,达到最佳输出效率。
功率放大电路在核磁共振测量系统中起到重要作用,对脉冲信号进行线形放大,为系统提供稳定增益的功率输出信号。现有技术的功率放大电路一般包括三级放大电路:初级驱动放大、次级放大和输出级放大。初级驱动放大多采用集成运算放大器;次级放大电路大多包括两个射频金属氧化物半导体场效应晶体管;输出级放大由射频MOS管构成;初级驱动放大与次级放大之间通过变压器耦合,第次级放大与输出级放大之间通过变压器耦合。
此外现有技术中输出级放大采用全桥放大输出都需要进行滤波或者匹配才能达到需要的输出效果。
但是在钻探过程中,随着井深变化,井筒内的温度变化比常规在室内工作的核磁测量系统工作环境的温度变化大很多。此外井筒内会充满各种不同类型的钻井液介质。在上述工作环境中,现有技术的核磁共振信号发射设计在井筒内温度变化非常大、并充满不确定的钻井液介质的条件下,极为容易达不到最佳工作状态,甚至发生失效,最终影响测量结果。
发明内容
本发明提供了一种核磁共振信号发射方法,所述方法包括:
生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列;
向发射线圈供电以在所述发射线圈中生成信号电流;
根据所述脉冲或者所述脉冲序列改变所述发射线圈与供电的信号电源间的通路以改变所述信号电流的流向从而在所述发射线圈中生成核磁共振信号。
在一实施例中,根据所述脉冲或者所述脉冲序列改变所述发射线圈与供电的信号电源间的通路,其中:
将所述脉冲或者所述脉冲序列转换为相应的开关信号;
基于所述开关信号控制电路开关的通断以改变所述发射线圈与所述信号电源间的通路。
本发明还提出了一种核磁共振信号发射系统,所述系统包括:
发射线圈;
信号电源,其配置为向所述发射线圈供电以在所述发射线圈中生成信号电流;
发射脉冲生成模块,其配置为生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列;
电流通路控制模块,其配置为根据所述脉冲或者所述脉冲序列改变所述发射线圈与所述信号电源间的通路以改变所述信号电流的流向从而在所述发射线圈中生成核磁共振信号。
在一实施例中所述电流通路控制模块包含:
开关信号生成单元,其配置为将所述脉冲或者所述脉冲序列转换为相应的开关信号;
开关单元,其配置为基于所述开关信号控制内部的电路开关的通断以改变所述发射线圈与所述信号电源间的通路。
在一实施例中所述开关单元包含第一输出端、第二输出端、第一输入端、第二输入端,其中:
所述第一输出端以及所述第二输出端分别连接到所述发射线圈的两端;
所述第一输入端以及所述第二输入端分别连接到所述信号电源的两个输出端;
所述开关单元配置为在所述开关信号控制下连通:
所述第一输入端和所述第一输出端、所述第二输入端和所述第二输出端;
所述第二输入端和所述第一输出端、所述第一输入端和所述第二输出端。
在一实施例中所述开关信号生成单元包含第一开关信号输出端以及第二开关信号输出端,所述开关单元包含控制端信号有效时导通的第一电路开关、第二电路开关、第三电路开关以及第四电路开关,其中:
所述第一电路开关连接所述第一输入端和所述第一输出端;
所述第二电路开关连接所述第二输入端和所述第一输出端;
所述第三电路开关连接所述第一输入端和所述第二输出端;
所述第四电路开关连接所述第二输入端和所述第二输出端;
所述第一开关信号输出端连接到所述第二电路开关以及所述第三电路开关的控制端;
所述第二开关信号输出端连接到所述第一电路开关以及所述第四电路开关的控制端。
在一实施例中所述开关信号生成单元配置为分别利用所述第一开关信号输出端以及所述第二开关信号输出端生成第一开关信号以及第二开关信号,其中,所述第一开关信号以及所述第二开关信号不存在重叠有效。
在一实施例中所述电流通路控制模块还包含隔离单元,所述隔离单元连接在所述开关信号生成单元与所述开关单元之间。
在一实施例中所述隔离单元采用光电隔离。
在一实施例中所述信号电源包含电池以及限流电阻。
相较于现有技术,根据本发明的方法以及系统的受到温度变化和工作介质环境变化影响较少,更加适合在井筒内工作。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且,本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见,或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是根据本发明一实施例的方法流程图;
图2和图3是根据本发明实施例的系统结构简图;
图4-图7是根据本发明实施例的部分系统结构简图;
图8是根据本发明一实施例的开关单元的开关信号示意图;
图9是根据本发明一实施例的发射线圈电流变化仿真图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在钻探过程中,随着井深变化,井筒内的温度变化比常规在室内工作的核磁测量系统工作环境的温度变化大很多。此外井筒内会充满各种不同类型的钻井液介质。在上述工作环境中,现有技术的核磁共振信号发射设计在井筒内温度变化非常大、并充满不确定的钻井液介质的条件下,极为容易达不到最佳工作状态,甚至发生失效,最终影响测量结果。
针对现有技术存在的问题,本发明提出了一种核磁共振信号发射方法。在本发明的方法中,通过改变发射线圈内的电流的方向来生成脉冲信号并发射。接下来结合附图详细描述本发明的实施例的方法的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本发明一实施例中,如图1所示,在需要发射核磁共振信号时,生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列(步骤S110);向发射线圈供电以在发射线圈中生成信号电流(步骤S120);同时,根据脉冲或者脉冲序列改变发射线圈与供电的信号电源间的通路以改变信号电流的流向从而在发射线圈中生成核磁共振信号(步骤S130)。
由于发射线圈内的信号电流的电流方向是由于电流通路改变而被改变的,而电流通路的变化是完全与核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列匹配的。因此,在本发明的实施例中,发射信号无需进行滤波和匹配,就能实现高效率信号发射。也就是说,相较于现有技术,在本发明的方案中,发射线圈可以仅仅由发射线圈构成,不需要匹配电容和滤波电路。这样就使得根据本发明的方法进行核磁共振信号发射受到温度变化和工作介质环境变化影响较少,本发明的方法更加适合在井筒内工作。
进一步的,在本发明一实施例中,在步骤S130中,首先将脉冲或者脉冲序列转换为相应的开关信号;然后基于开关信号控制电路开关的通断以改变发射线圈与信号电源间的通路。这样的设计大大简化了电路结构,使得发射线圈与信号电源间的通路的改变情况可以与核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列更加完美的匹配。
基于本发明的方法,本发明还提出了一种核磁共振信号发射系统。在本发明一实施例中,如图2所示,系统包括:
发射线圈210;
信号电源220,其配置为向发射线圈210供电以在发射线圈210中生成信号电流(具体的,在一实施例中,信号电源220采用72V电源);
发射脉冲生成模块240,其配置为生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列(具体的,在一实施例中,发射脉冲生成单元240由微控制器或者可编程器件,结合必要的外围数字和模拟电路,生成需要的脉冲或者脉冲序列);
电流通路控制模块230,其配置为根据来自发射脉冲生成模块240的脉冲或者脉冲序列改变发射线圈210与信号电源220间的通路以改变发射线圈210中的信号电流的流向从而在发射线圈210中生成核磁共振信号。
具体的,在本发明一实施例中,如图3所示,电流通路控制模块330包含开关单元331以及开关信号生成单元332。
开关信号生成单元332连接到发射脉冲生成模块340,配置为将发射脉冲生成模块340生成的脉冲或者脉冲序列转换为相应的开关信号。开关单元331的输入输出端分别连接发射线圈310以及信号电源320,控制端连接开关信号生成单元332。开关单元331配置为基于开关信号生成单元332输出的开关信号控制其内部的电路开关的通断以改变发射线圈310与信号电源320间的通路。
由于开关单元331是在开关信号生成单元332控制下改变电路通路从而改变电流方向的,并且开关信号生成单元332的输出是与发射脉冲生成模块340生成的脉冲或者脉冲序列匹配的,这样就在保证电路简洁程度的基础上实现了电流方向变化与发射脉冲生成模块340生成的脉冲或者脉冲序列的匹配。
具体的,在一实施例中,如图3所示,开关单元331包含输出端A1、输出端A2、输入端B1、输入端B2,其中:
输出端A1以及输出端A2分别连接到发射线圈310的两端;
输入端B1以及输入端B2分别连接到信号电源320的两个输出端。
开关单元331配置为在开关信号生成单元332输出的开关信号控制下连通:
(1)输出端A1和输入端B1、输出端A2和输入端B2;
(2)输出端A1和输入端B2、输出端A2和输入端B1。
假设输入端B1以及输入端B2分别连接到信号电源320的正极和负极。
则在(1)中,发射线圈310与信号电源320间的通路顺序为B1、A1、A2、B2,发射线圈310内的电流方向是由A1到A2。在(2)中,发射线圈310与信号电源320间的通路顺序为B1、A2、A1、B2,发射线圈310内的电流方向是由A2到A1。这样就实现了发射线圈310内的信号电流的电流方向的改变。
进一步的,在本发明一实施例中,开关单元采用H桥型结构。如图4所示,开关信号生成单元包含两个开关信号输出端(第一开关信号输出端以及第二开关信号输出端),其分别输出开关信号SW1以及SW2。开关单元包含控制端信号(SW1或SW2)有效时导通的电路开关401、电路开关402、电路开关403以及电路开关404,其中:
开关单元的输出端A1以及输出端A2分别连接发射线圈400的两端;
开关单元的输入端B1以及输入端B2分别连接信号电源的两端;
电路开关401连接输入端B1和输出端A1;
电路开关402连接输入端B2和输出端A1;
电路开关403连接输入端B1和输出端A2;
电路开关404连接输入端B2和输出端A2;
第一开关信号输出端(开关信号SW1)连接到电路开关402以及电路开关403的控制端;
第二开关信号输出端(开关信号SW2)连接到电路开关401以及电路开关404的控制端。
这样,当SW1有效时,电路开关402以及电路开关403导通,输入端B2和输出端A1连通,输入端B1和输出端A2连通。当SW2有效时,电路开关401以及电路开关404导通,输入端B1和输出端A1连通,输入端B2和输出端A2连通。这样就实现了通过开关信号SW1以及SW2改变电路通路的目地。
进一步的,为了防止电路短路,开关单元中的四个电路开关不能同时打开,也就是说,开关信号SW1以及SW2不存在重叠有效。
进一步的,在本发明一实施例中,开关单元中的四个电路开关为射频开关(MOS开关)。
在本发明一实施例中,通过简单的4个开关实现的H桥型开关单元实现电路通路的变化,电路结构温度特性稳定,可靠性高。
进一步的,由于高压、大电流的信号串极容易对发射脉冲生成单元以及开关信号生成单元中的微控制器等芯片造成损坏。在本发明一实施例中,电流通路控制模块还包含隔离单元,隔离单元连接在开关信号生成单元与开关单元之间。这样设计避免了后续高压、大电流的信号串到开关信号生成单元以及发射脉冲生成单元这样低压工作的电路当中。
具体的,在一实施例中,隔离单元为光电隔离单元,其包括两组光电隔离芯片。隔离单元的两组光电隔离芯片的输入连接到开关信号生成单元的两个开关信号输出端。隔离单元的两组光电隔离芯片的输出分别连接到开关单元的两个控制端口。
具体的,在一实施例中,如图5以及图6所示,图5以及图6分别是隔离单元的两组光电隔离芯片。
在图5中,电阻R2一端与电源正极V_BT连接、电阻R2另一端与电压过零光隔离驱动器U1第6脚连接。电压过零光隔离驱动器U1第1脚接开关信号生成单元的第一开关信号输出端、电压过零光隔离驱动器U1第2脚接地GND、电压过零光隔离驱动器U1第5脚接电源负极AGND。
在图6中,电阻R3一端与电源正极V_BT连接、电阻R3另一端与电压过零光隔离驱动器U2第6脚连接。电压过零光隔离驱动器U2第1脚接开关信号生成单元的第二开关信号输出端、电压过零光隔离驱动器U2第2脚接地GND、电压过零光隔离驱动器U2第5脚接电源负极AGND。
光电隔离单元作用是光电隔离,其中电阻R2作用是限制电流、电阻R3作用是限制电流、电压过零光隔离驱动器U1作用是驱动电路、电压过零光隔离驱动器U2作用是驱动电路。这样,开关信号生成单元与开关单元之间通过光电转换连接,并不做直接的电性连接。
进一步的,隔离单元的两组光电隔离芯片的电源采用信号电源。即,图5以及图6中的电源正极V_BT以及电源负极AGND分别为信号电源的正负极。
进一步的,在一实施例中,电阻R2采用10Ω电阻、电阻R3采用10Ω电阻、电压过零光隔离驱动器U1采用AN-3004电压过零光隔离驱动器、电压过零光隔离驱动器U2采用AN-3004电压过零光隔离驱动器。
进一步的,在本发明一实施例中,为了保护电路,限制电流,信号电源包含电池以及限流电阻。如图7所示,V_BT以及AGND分别是信号电源的正负极。限流电阻R1连接在电池BT1的正极与信号电源正极V_BT之间,电池BT1的负极与信号电源负极AGND相连。
在本发明一实施例中,整个核磁共振信号发射系统工作过程如下:
发射脉冲生成单元生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列,该脉冲序列再经过开关信号生成单元的电路转换,直接转换成两路开关控制信号。两路开关控制信号还需要经过光电隔离单元进行光电隔离,再输出到H桥型开关单元的两个控制端口。
开关单元的两个控制端口上的信号如图8所示,分别对应两个SW1和SW2信号。这两个信号为低电平时,对应控制的H桥型开关单元中的两个开关管闭合;为高电平时,对应控制的H桥型开关单元中的两个开关管断开。
当SW1由高电平转换为低电平时,图4所示中的H桥型开关单元中对应控制的电路开关1和电路开关4闭合,信号电源中的电池、信号电源中的限流电阻、电路开关1、发射线圈、电路开关4构成一个回路,产生电流(1)。
该回路中的电流I1可以用以下公式表达:
其中,Vbat为电池的输出电压,R1为回路电阻,τ1为时间常数。
这里设定开关闭合前,I1=0,其中时间常数τ1=L1/R1,这里L1为发射线圈的电感值,R1为信号电源中的限流电阻的阻值。t为电路开关1和电路开关4闭合为0起始后的时间。根据核磁共振工作的频率,即发射电路生成开关控制信号的频率和占空比,设置t的范围。根据L1和R1的具体值,设置τ1的大小。上述参数的设置满足t远小于τ1。这就保证了每个闭合的时段内,I1一直处于一个较快的增长并达到1A到10A的范围。
当SW1由低电平变为高电平,电路开关1和电路开关4打开,回路中的电流迅速下降到0。然后一小段时间SW1和SW2同时为高电平,绝对避免SW1和SW2在同一时刻都为低电平,这样设计是为了避免4个电路开关都闭合。因为如果4个电路开关都闭合,信号电源中的电池和限流电阻直接形成回路,这将产生非常大的电流,这将损坏信号电源中的电池。
然后SW2由高电平变为低电平,H桥型开关单元中对应控制的电路开关2和电路开关3闭合,信号电源中的电池、信号电源中的限流电阻、电路开关2、发射线圈、电路开关3构成一个回路,产生电流。该回路中的电流与SW1由高电平变为低电平的情况一致。
因此在如图8所示的两个SW1和SW2信号的持续控制之下,发射线圈上将产生周期性的电流信号。对实施列中的电路图进行仿真,可以得出图9所示的流经发射线圈上的电流大小图。从图中可以看出,发射线圈上产生了核磁共振测量需要的较大功率信号。
根据本发明的信号发射系统无需阻抗匹配和滤波处理就可以实现大功率的射频信号输出,这对在温度剧烈变化,并充满不确定钻井液介质的井筒内,实现高性能的核磁共振测量非常有利。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形,但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种核磁共振信号发射方法,其特征在于,所述方法包括:
生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列;
向发射线圈供电以在所述发射线圈中生成信号电流;
根据所述脉冲或者所述脉冲序列切换所述发射线圈与供电的信号电源间形成为的开关通路以改变所述信号电流的流向从而在所述发射线圈中生成核磁共振信号,其中,所述开关通路用于控制所述发射线圈和所述信号电源的连通或断开状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述脉冲或者所述脉冲序列改变所述发射线圈与供电的信号电源间的通路,其中:
将所述脉冲或者所述脉冲序列转换为相应的开关信号;
基于所述开关信号控制电路开关的通断以改变所述发射线圈与所述信号电源间的通路。
3.一种根据权利要求1或2所述方法的核磁共振信号发射系统,其特征在于,所述系统包括:
发射线圈;
信号电源,其配置为向所述发射线圈供电以在所述发射线圈中生成信号电流;
发射脉冲生成模块,其配置为生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列;
电流通路控制模块,其配置为根据所述脉冲或者所述脉冲序列切换所述发射线圈与所述信号电源间形成为的开关通路以改变所述信号电流的流向从而在所述发射线圈中生成核磁共振信号,其中,所述开关通路用于控制所述发射线圈和所述信号电源的连通或断开状态。
4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述电流通路控制模块包含:
开关信号生成单元,其配置为将所述脉冲或者所述脉冲序列转换为相应的开关信号;
开关单元,其配置为基于所述开关信号控制内部的电路开关的通断以改变所述发射线圈与所述信号电源间的通路。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述开关单元包含第一输出端、第二输出端、第一输入端、第二输入端,其中:
所述第一输出端以及所述第二输出端分别连接到所述发射线圈的两端;
所述第一输入端以及所述第二输入端分别连接到所述信号电源的两个输出端;
所述开关单元配置为在所述开关信号控制下连通:
所述第一输入端和所述第一输出端、所述第二输入端和所述第二输出端;
所述第二输入端和所述第一输出端、所述第一输入端和所述第二输出端。
6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所述开关信号生成单元包含第一开关信号输出端以及第二开关信号输出端,所述开关单元包含控制端信号有效时导通的第一电路开关、第二电路开关、第三电路开关以及第四电路开关,其中:
所述第一电路开关连接所述第一输入端和所述第一输出端;
所述第二电路开关连接所述第二输入端和所述第一输出端;
所述第三电路开关连接所述第一输入端和所述第二输出端;
所述第四电路开关连接所述第二输入端和所述第二输出端;
所述第一开关信号输出端连接到所述第二电路开关以及所述第三电路开关的控制端;
所述第二开关信号输出端连接到所述第一电路开关以及所述第四电路开关的控制端。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述开关信号生成单元配置为分别利用所述第一开关信号输出端以及所述第二开关信号输出端生成第一开关信号以及第二开关信号,其中,所述第一开关信号以及所述第二开关信号不存在重叠有效。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的系统,其特征在于,所述电流通路控制模块还包含隔离单元,所述隔离单元连接在所述开关信号生成单元与所述开关单元之间。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述隔离单元采用光电隔离。
10.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述信号电源包含电池以及限流电阻。
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