CN110471013B - 一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，所述系统包括控制软件，控制软件分别与n个发射接收通道连接，n个发射接收通道分别连接到NMR探头的各个通道；各发射接收通道均包括有FPGA控制器，FPGA控制器经依次设置的DDS或DAC、固定放大器一、频率变换器一、发射数控衰减器、功率放大器、双向定向耦合器连接到NMR探头，双向定向耦合器的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二，可变放大器二经依次设置的接收数控衰减器、频率变换器二、模数转换器ADC连接到FPGA控制器。本发明提出的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，能够自动完成对所有需要校正的发射通道、频率点和功率线性的校准，测量简单，速度快，精度高。

Description

一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法
技术领域
本发明涉及核磁共振仪器技术领域，特别是涉及一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法。
背景技术
核磁共振仪器是应用核磁共振原理研制生产的，它通过向置于强磁场中的被测物体发射高功率射频脉冲信号激发被测物体原子核的共振现象，不同结构的分子基团的核磁共振信号有不同的化学位移，且一般的，一种物质内混杂着多种不同的分子基团，其核磁共振信号相互叠加，并相互干扰，为了更直观的观察某一种分子基团的核磁共振信号，需要选择性的只对其中某个或几个化学位移位置的核磁共振信号进行激发。核磁共振仪器使用带有一定函数形状的发射脉冲选择性地只激发某些化学位移位置的核磁信号，这种脉冲简称为形状脉冲，形状脉冲的输出功率随着时间按一定的函数变化，脉冲的函数形状的准确度由输出功率变换的准确度保证，并直接影响选择性激发的结果，因此客观要求核磁共振仪器的发射功率呈现良好的线性度，以使形状脉冲的函数形状与理想的形状函数吻合。
核磁共振仪器中，发射部分由信号源、发射机、射频功放、前置放大器串联组成，各部分在不同的输入功率、频率下输出功率的线性各不相同，即均呈现出一定的非线性，因此需要对发射系统在不同的频率下的功率线性度进行校准。同时核磁共振仪器有多个发射通道，需要对每个通道分别进行校准。为了实现高线性度，要求校准精度应当优于0.1％。功率线性度校准的内容包括：
1)将信号源、发射机、射频功放、前置放大器串联成一个发射整体；
2)将发射通道置于某个工作频率下；
3)通过发射机发射脉冲，在发射功率的变化范围内改变发射脉冲的功率，并精确测量每一个发射功率点的实际功率；
4)计算每个发射功率点实际功率值与理想线性功率值之间的误差，形成误差表；
5)改变发射频率范围，并重复对不同频率下的功率校准测量；
6)改变不同的发射通道，对所有通道重复以上测量。
目前，发射脉冲的功率使用脉冲功率测量设备手动测量或用软件自动读取设备的测量数据，该办法存在明显的缺陷：
1)测量设备的测量精度不够高，测量结果存在很大的误差；
2)测量设备的量程有限，无法覆盖全部发射功率范围，必须手动接入不同的衰减器以改变接收增益，而衰减器会进一步带来测量误差；
3)无法自动切换通道，需要将测量设备在不同的测量通道间手动切换；
4)手动连接线缆、设备，手动读取测量数据的测量过程繁杂，耗时长，测量数据需要手动记录，无法实现自动化测量。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提出了一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，解决现有发射功率线性度校准存在的测量精度低、测量功率范围小且操作复杂、耗时长的问题，并实现全自动功率误差校准。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，包括控制软件，所述控制软件连接到n个发射接收通道，并提供n个发射接收通道内部件的控制参数；n个所述发射接收通道的功能完全相同，并连接到NMR探头的不同射频通道；各所述发射接收通道均设有FPGA控制器，所述FPGA控制器经发射通道经依次设置的DDS或DAC、固定放大器一、频率变换器一、发射数控衰减器、功率放大器、双向定向耦合器连接到NMR探头，所述双向定向耦合器的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二，所述可变放大器二经依次设置的接收数控衰减器、频率变换器二、模数转换器ADC连接到FPGA控制器。
进一步的，所述DDS或DAC输出频率固定、幅度可变的信号，由频率变换器一将DDS或DAC输出信号的频率转换为目标输出频率。
进一步的，所述发射数控衰减器以小于1dB的精度对发射功率进行衰减，以控制发射信号的最大功率；DDS或DAC高精度地改变输出信号的幅度，使发射信号的功率在最大功率范围内任意变化。
进一步的，所述前向耦合器耦合一部分发射功率，并送入接收通道。
进一步的，所述NMR探头每个通道的谐振频率与每个发射接收通道的射频频率相同。
进一步的，所述频率变换器二将接收信号的频率转换为固定频率，所述固定频率低于模数转换器ADC采样率的1/3。
进一步的，所述FPGA控制器对可变放大器二和接收数控衰减器进行控制，以调节接收信号的增益，使接收信号的幅度处于模数转换器ADC的最佳检测范围；
一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准，具体包括以下步骤：
S1：控制软件从需要进行功率校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：在选择的通道内根据需要校正的频率范围设置初始校正频率；
S3：控制软件控制发射通道发射功率线性变化的脉冲序列，功率变化的范围覆盖核磁共振仪器的发射功率范围；
S4：前向耦合器检测的发射脉冲信号传输至接收通道，控制软件设置接收数控衰减器控制接收通道处于适宜的增益，控制软件控制模数转换器ADC将接收模拟信号转换为数字信号；
S5：控制软件通过接收的数字信号幅度计算每个发射功率点输出脉冲的实际功率，并计算每个功率点的线性误差值ΔA：ΔA＝实际测量功率值-设定功率值，当检测功率点的线性误差ΔA大于设定的阈值时，认为其超过了线性工作范围，超过线性工作范围的数据舍弃；
S6：记设定的额定功率设置值为PLmax，其对应的理论额定功率记为Pmax，PLmax在测量的发射功率线性工作范围内；
S7：测量设定的额定功率设置值PLmax的发射信号的实际功率P1max计算额定功率值的，
误差：ΔP＝P1max-Pmax；
S8：计算每个功率点的实际误差：ΔPSet＝ΔA+ΔP；
S9：将发射通道、发射频率、功率设置值、功率点实际校正误差ΔPSet、功率值记为误差校正表；
S10：控制软件变换该发射通道的发射频率，并重复步骤S2-S9，直到该发射通道内所有的频率扫描完成，新的频率点的功率误差记入误差校正表；
S11：控制软件变换发射通道，并重复步骤S1-S10，直到所述的发射通道均扫描完成，新的通道的发射功率误差记入误差校正表。
进一步的，步骤S3中脉冲序列由n个发射脉冲组成，每个脉冲的宽度pn相同、功率线性变化、脉冲时间间隔dn相同；脉冲的占空比小于功率放大器的最大占空比；发射通道与接收通道的开始和结束完全同步。
进一步的，步骤S11形成的发射功率的误差校正值分为整数部分ΔPint和小数部分ΔPdec，整数部分校正值ΔPint设为发射数控衰减器的衰减值，小数部分校正值ΔPdec设为DDS或DAC的功率变化值，使DDS或DAC始终接近满幅输出，输出信号具有最佳的形状分辨率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，能够实现对发射通道、所有发射频率、所有发射功率的测量，所有参数设置、通道切换、测量和误差计算由控制软件全自动实现，测量简单，速度快，精度高。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统的结构框图；
图2为本发明实施例所述的单个发射接收通道的发射功率线性度校准的结构框图；
图3为本发明实施例所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法的流程图；
图4为本发明实施例所述的用于功率校正的发射脉冲图。
图中：
1、FPGA控制器；2、DDS或DAC；3、固定放大器一；4、频率变换器一；5、发射数控衰减器；6、功率放大器；7、双向定向耦合器；8、可变放大器二；9、接收数控衰减器；10、频率变换器二；11、模数转换器ADC；12：控制软件；13：发射接收通道；14、NMR探头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，包括控制软件12，所述控制软件12连接到n个发射接收通道13，并提供n个发射接收通道13内部件的控制参数；n个所述发射接收通道13的功能完全相同，并连接到NMR探头14的不同射频通道。
如图2所示的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统发射接收通道，包括：
各所述发射接收通道13的FPGA控制器1控制本发射通道和本接收通道部件的工作；所述FPGA控制器1与发射通道的DDS或DAC2相连，DDS或DAC2在控制软件12的控制下生成频率固定、幅度和形状可变的脉冲波形，脉冲波形经依次设置的固定放大器一3、频率变换器一4、发射数控衰减器5、功率放大器6、双向定向耦合器7输出到NMR探头14。
在本实施例中，所述DDS或DAC2输出的波形幅度可通过控制参数精确控制，并形成具有一定函数形状的形状脉冲，形状脉冲的最大幅度值也可以通过控制DDS或DAC2的最大输出值控制，但减小DDS或DAC2的最大输出值，将降低形状脉冲的幅度分辨率；为了保证一个脉冲内的形状变化点数足够多，即幅度分辨率足够高，理想情况下，应当使DDS或DAC2输出脉冲的最大值接近DDS或DAC2的最大幅度值。
在本实施例中，所述DDS或DAC2输出频率固定、幅度可变的信号，由频率变换器4将DDS或DAC2输出信号的频率转换为目标输出频率。
在本实施例中，所述固定放大器一3和发射数控衰减器5完成发射部分的发射功率控制，固定放大器一3保证发射通道的最大输出功率；发射数控衰减器5以小于1dB的精度对发射功率进行衰减，以控制发射信号的功率；DDS或DAC2高精度改变输出信号的幅度，使发射信号的功率在最大功率范围内任意变化。功率放大器5是核磁共振仪器的射频功率放大部件，用于将输入的小功率脉冲的功率放大到几十到上千瓦，功率放大器5是大功率部件，是影响发射功率非线性的关键环节，同时其输出最大功率有限，在输入功率增大时，其输出功率不再线性增加，即存在饱和现象。
在本实施例中，发射通道的射频脉冲通过NMR探头14发射出去，所述NMR探头14的谐振频率与发射通道的发射频率相同，以减小反射功率。
所述双向定向耦合器7的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二8，双向定向耦合器的前向耦合器耦合一部分发射功率，并送入接收通道，定向耦合器的耦合系数可根据发射功率的检测范围设置。
在本实施例中，所述可变放大器二8经依次设置的接收数控衰减器9、频率变换器二10、模数转换器ADC11连接到FPGA控制器1，可变放大器二8和接收数控衰减器9组成接收通道的功率控制功能。
在本实施例中，频率变换器10将接收信号的频率转换为固定频率，所述固定频率低于模数转换器ADC11采样率的1/3。
在本实施例中，FPGA控制器1对可变放大器二8和接收数控衰减器9进行控制，以改变接收通道的增益，使接收信号处于模数转换器ADC11的最佳检测范围。
在本实施例中，所述模数转换器ADC11为采样率高于50MSPS的高速ADC，其数字分辨率为16bit，可以精确的区分接收信号的微小功率变化。
如图3所示，一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，具体包括以下步骤：
S1：控制软件12从需要进行功率校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：在选择的通道内根据需要校正的频率范围设置初始校正频率；
S3：控制软件12控制发射通道发射功率线性变化的脉冲序列，功率变化的范围覆盖核磁共振仪器的发射功率范围；
S4：前向耦合器检测的发射脉冲信号输至接收通道，控制软件12设置接收数控衰减器9控制接收通道处于适宜的增益，控制软件12控制模数转换器ADC11将接收模拟信号转换为数字信号；
S5：控制软件12通过接收的数字信号幅度计算每个发射功率点的实际功率，并计算每个功率点的线性误差值ΔA：ΔA＝实际测量功率值-设定功率值，当检测功率点的线性误差ΔA大于设定的阈值时，认为其超过了线性工作范围，超过线性工作范围的数据舍弃；
S6：记设定的额定功率设置值为PLmax，其对应的理论额定功率记为Pmax，PLmax在测量的发射功率线性工作范围内；
S7：测量设定的额定功率设置值PLmax的发射信号的实际功率P1max计算额定功率值的，
误差：ΔP＝P1max-Pmax；
S8：计算每个功率点的实际误差：ΔPSet＝ΔA+ΔP；
S9：将发射通道、发射频率、功率设置值、功率点实际校正误差ΔPSet、功率值记为误差校正表；
S10：控制软件12变换该发射通道的发射频率，并重复步骤S2-S9，直到该发射通道内所有的频率扫描完成，新的频率点的功率误差记入误差校正表；
S11：控制软件12变换发射发射通道，并重复步骤S1-S10，直到所述的发射通道均扫描完成，新的通道的功率误差记入误差校正表。
本申请的功率校正中，发射最大功率的误差校正值分为两个部分组成：整数部分ΔPint和小数部分ΔPdec。整数部分的误差校正值ΔPint设为发射数控衰减器的衰减值，小数部分的误差校正值ΔPdec设为控制DDS或DAC发射形状脉冲的幅度变化值。如此，DDS或DAC输出信号的幅度仅略小于DDS或DAC能输出的最大幅度，从而充分利用了DDS或DAC的输出信号范围，使输出信号具有最佳的形状分辨率。
用于功率校正的发射脉冲如图4所示，发射脉冲的发射开始和结束与接收通道同步，发射开始时，接收通道开启工作，不断接收采集的数据；发射结束时，接收通道采集结束，并进入误差计算过程。
发射脉冲由n个脉冲组成，每个脉冲由发射延时dn和发射脉冲pn组成，在dn期间内，发射不输出脉冲，pn期间内，发射输出脉冲，pn的占空比小于功率放大器6的最大占空比要求，以保护功率放大器工作在正常条件下不被损坏，一般地，占空比设为小于10％，即
Figure GDA0003323347780000061
每个脉冲的发射延时dn的时间长度相同，脉冲宽度pn的时间长度相同；
每个脉冲的功率线性变化，并在n个脉冲内包含发射功率的全部范围。
综上，本发明提出的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，通过脉冲序列改变发射通道和发射通道的功率、频率，并对接收信号的幅度进行计算形成误差表，实现自动对所有发射通道内所有频率、功率点的功率测量和校准，测量简单，速度快，精度高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，校准系统包括控制软件(12)，所述控制软件(12)连接到n个发射接收通道(13)，并提供n个发射接收通道(13)内部件的控制参数；n个所述发射接收通道(13)的功能完全相同，并连接到NMR探头(14)的不同射频通道；各所述发射接收通道(13)均设有FPGA控制器(1)，所述FPGA控制器(1)经发射通道内依次设置的DDS或DAC(2)、固定放大器一(3)、频率变换器一(4)、发射数控衰减器(5)、功率放大器(6)、双向定向耦合器(7)连接到NMR探头(14)，所述双向定向耦合器(7)的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二(8)，所述可变放大器二(8)经依次设置的接收数控衰减器(9)、频率变换器二(10)、模数转换器ADC(11)连接到FPGA控制器(1)；
校准方法具体包括以下步骤：
S1：控制软件(12)从需要进行功率校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：控制软件(12)在选择的通道内根据需要校正的频率范围设置初始校正频率；
S3：控制软件(12)控制发射通道发射功率线性变化的脉冲序列，功率变化的范围覆盖核磁共振仪器的发射功率范围；
S4：前向耦合器检测的发射脉冲信号输出至接收通道，控制软件(12)设置接收数控衰减器(9)控制接收通道处于适宜的增益，控制软件(12)控制模数转换器ADC(11)将接收模拟信号转换为数字信号；
S5：控制软件(12)通过接收的数字信号幅度计算每个发射功率点脉冲的实际功率，并计算每个功率点的线性误差值ΔA：ΔA＝实际测量功率值-设定功率值，当检测功率点的线性误差ΔA大于设定的阈值时，认为其超过了线性工作范围，超过线性工作范围的数据舍弃；
S6：记设定的额定功率设置值为PLmax，其对应的理论额定功率记为Pmax，PLmax在测量的发射功率线性工作范围内；
S7：测量设定的额定功率设置值PLmax的发射信号的实际功率P1max，计算额定功率值的误差：ΔP＝P1max-Pmax；
S8：计算每个功率点的实际误差：ΔPSet＝ΔA+ΔP；
S9：将发射通道、发射频率、功率设置值、功率点实际校正误差ΔPSet、功率值记为误差校正表；
S10：控制软件(12)变换该发射通道的发射频率，并重复步骤S2-S9，直到该发射通道内所有的频率扫描完成，新的频率点的功率误差记入误差校正表；
S11：控制软件(12)变换发射通道，并重复步骤S1-S10，直到所述的发射通道均扫描完成，新的通道的发射功率误差记入误差校正表。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述DDS或DAC(2)输出频率固定、幅度可变的信号，由频率变换器一(4)将DDS或DAC(2)输出信号的频率转换为目标输出频率。
3.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述发射数控衰减器(5)以小于1dB的精度对发射功率进行衰减，以控制发射信号的最大功率；DDS或DAC(2)可快速高精度地改变输出信号的幅度，使发射信号的功率在最大功率范围内任意变化。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述前向耦合器耦合一部分发射功率，并送入接收通道。
5.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述NMR探头(14)每个通道的谐振频率与每个发射接收通道的射频频率相同。
6.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述频率变换器二(10)将接收信号的频率转换为固定频率，所述固定频率低于模数转换器ADC(11)采样率的1/3。
7.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，所述FPGA控制器(1)对可变放大器二(8)和接收数控衰减器(9)进行控制，以调节接收增益，使接收信号的幅度处于模数转换器ADC(11)的最佳检测范围。
8.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，步骤S3中脉冲序列由n个发射脉冲组成，每个脉冲的宽度pn相同、脉冲时间间隔dn相同，每个脉冲的功率线性变化，并覆盖发射功率的所有范围；脉冲的占空比小于功率放大器(6)的最大占空比；发射通道与接收通道的开始和结束完全同步。
9.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于，步骤S11形成的发射功率的误差校正值分为整数部分ΔPint和小数部分ΔPdec，整数部分校正值ΔPint设为发射数控衰减器(5)的衰减值，小数部分校正值ΔPdec设为DDS或DAC(3)的功率变化值，使DDS或DAC(3)始终接近满幅输出，输出信号具有最佳的形状分辨率。
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