CN110554331A - 一种核磁共振仪器的发射相位校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核磁共振仪器的发射相位校准系统及方法，所述系统包括控制软件，所述控制软件连接n个发射接收通道，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、频率变换器一、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，所述可变放大器经频率变换器二、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相位校准系统及方法，能自动实现所有发射通道内所有频率点的相位测量和相位误差校准，测量简单，速度快，精度高。
Description
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相位校准系统及方法。
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，为了更方便的观察某一个或几个化学位移位置的核磁共振信号，核磁共振仪器常使用带相位编码的脉冲序列对被测物质进行激发，所激发化学位移的位置决定于每个相位的准确性，发射信号的实际相位与理论相位的误差会使激发的核磁共振信号化学位移的位置不准确，而不能得到理想的目标核磁共振信号，因此客观要求发射射频脉冲的相位控制非常精确。
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、滤波器串联组成，各个部件均有一定的相位偏移，并导致实际作用于分子基团的射频脉冲相位与理想的相位存在相位误差，因此需要对发射系统的相位误差进行校准。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。校准的内容包括：
1)将信号源、发射机、射频功放、前置放大器等发射部件串联成一个发射整体；
2)选择某个发射通道，并将其置于某个工作频率下；
3)通过发射机发射脉冲，在0°-360°相位变化范围内等间隔改变发射脉冲的相位，并精确测量每一个发射脉冲的实际相位；
4)计算每个发射脉冲的实际相位与理想相位值之间的误差，形成误差表；
5)改变发射频率，并重复对不同频率下的相位校准测量；
6)改变不同的发射通道，对所有通道重复以上测量。
单个发射脉冲的相位可使用相位计或比照参考信号进行测量的方法单独手动测量，该测量方法无法满足核磁谱仪的相位测量要求：
1)测量精度差，测量结果存在很大的误差，无法达到0.1°的测量精度；
2)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；
3)需要手动记录相位测量数据，并手动计算相位的误差值，手动连接设备、切换通道、记录测量数据的测量过程繁杂，耗时长，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相位校准系统及方法，解决现有发射脉冲相位校准存在的测量精度低、操作复杂、耗时长的问题，并实现全自动相位测量和相位误差校准。
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相位校准系统，包括控制软件，所述控制软件连接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；所述n个发射接收通道的功能完全相同，并连接到NMR探头的各个通道；n个所述发射接收通道均包括有FPGA控制器，所述FPGA控制器经依次设置的DDS或DAC、频率变换器一、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，所述可变放大器经频率变换器二、模数转换器ADC连接到FPGA控制器。
进一步的，所述FPGA控制器控制DDS或DAC的相位调制参数改变发射输出脉冲波形的相位，DDS或DAC输出信号的频率固定，并由频率变换器一将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控制器通过控制接收通道中可变放大器的控制参数调节接收通道增益，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相位校准方法，具体包括以下步骤：
S1：控制软件从需要进行相位校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：控制软件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DDS或DAC输出相位线性改变的射频脉冲信号，所述相位线性改变的射频脉冲信号被双向耦合器的前向耦合器检测输出到接收通道，控制软件设置可变放大器使接收信号处于适宜的增益，FPGA控制器控制模数转换器ADC将接收模拟信号转换为正交的数字信号，数字信号实部值为R，虚部值为I；
S4：控制软件用接收信号的实部值R和虚部值I计算每个发射脉冲的相位值
若第一个相位计算值不为零，将所有计算的相位值减去第一个相位值，使相位表第一个值总为零，
S5：计算每个相位计算值与相位设置值之间的相位误差：
S6：将发射通道、频率、设置值对应的相位误差记录为相位误差表；
S7：控制软件改变发射通道的发射频率，重复步骤S2-S6，直到该发射通道内所有的频率扫描完成；
S8：控制软件改变发射通道，重复步骤S1-S7，直到所述的发射通道均扫描完成。
进一步的，步骤S3中，所述DDS或DAC输出的射频脉冲的相位在0°～360°范围内线性改变，相位变化步进小于1°。
进一步的，使用过程中，控制软件根据用户设定的相位值查询相位误差表，找到相位所对应的相位误差值并计算实际设置到DDS或DAC的相位值：
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相位校准系统及方法，控制软件自动控制通道的切换、频率变换和相位测量，并自动计算生成相位误差表，能够实现对所有发射通道、所有发射频率的相位的测量和校准，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相位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相位校准的结构框图；
图3为本发明实施例所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准方法的流程图。
图中：
1、控制软件；2、NMR探头；3、FPGA控制器；4、DDS或DAC；5、频率变换器一；6、功率放大器；7、双向定向耦合器；8、可变放大器；9、频率变换器二；10、模数转换器ADC；11、发射接收通道。
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，一种核磁共振仪器的发射相位校准系统，包括控制软件1，所述控制软件1连接n个发射接收通道11，n个所述发射接收通道11完全相同，并连接至NMR探头2的各个射频通道；
在本实施例中，所述控制软件1控制所有发射接收通道11输出相位受控的脉冲，并控制接收通道检测输出射频脉冲，将输出的射频脉冲转换为正交数字信号，计算输出信号的相位，并进一步地与设置相位比较形成相位误差表。
在本实施例中，NMR探头2是核磁共振仪器的负载，发射通道的射频脉冲通过NMR探头2发射出去，NMR探头2其具有多个射频通道，并分别与发射接收通道相连。NMR探头2每个射频通道的谐振频率可调节，并始终与相连的发射接收通道11的发射频率保持相同，以尽量减小反射。
如图2所示，一种核磁共振仪器的发射相位校准系统的发射接收通道结构，包括FPGA控制器3，所述FPGA控制器3连接发射通道的DDS或DAC4，所述DDS或DAC4经依次设置的频率变换器一5、功率放大器6、双向定向耦合器7连接到NMR探头2。
在本实施例中，DDS或DAC4在控制软件1的控制下生成频率固定、相位可变的脉冲波形，并由频率变换器二5将DDS或DAC4输出信号的频率转换为目标输出频率；
在本实施例中，功率放大器6是核磁共振仪器所必备的射频功率放大部件，用于将DDS或DAC4输出的小功率脉冲的功率放大到几十到上千瓦，功率放大器是大功率部件，常具有较大的相位误差；
在本实施例中，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8，定向耦合器7是核磁共振仪器前置放大器内的一个器件，用于检测经过前放的前向和反向射频信号，其具有很好的方向性，双向定向耦合器7的前向耦合器检测的发射方向的信号并输出至接收通道的可变放大器8，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，所述接收通道可变放大器8经频率变换器二9、模数转换器ADC10连接到FPGA控制器3，模数转换器ADC10用于将接收的模拟信号转化为正交数字信号，并进一步发送给控制软件1进行后续处理。
在本实施例中，所述控制软件1通过控制接收通道中可变放大器8的控制参数以实现调节接收通道增益，使接收的信号幅度处于模数转换器ADC10的最佳检测范围。
在本实施例中，频率变换器二9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ADC10采样率的1/3。
如图3所示，一种核磁共振仪器的发射相位校准方法，具体包括以下步骤：
S1：控制软件1从需要进行相位校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：控制软件1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1控制DDS或DAC4输出相位线性改变的射频脉冲信号，所述相位线性改变的射频脉冲信号被双向耦合器7的前向耦合器检测输出到接收通道，控制软件1设置可变放大器8使接收信号处于适宜的增益，FPGA控制器控制模数转换器ADC10将接收模拟信号转换为正交的数字信号，数字信号实部值为R，虚部值为I；
S4：控制软件1用接收信号的实部值R和虚部值I计算每个发射脉冲的相位值
若第一个相位计算值不为零，将所有计算的相位值减去第一个相位值，使相位表第一个值总为零，
S5：计算每个相位计算值与相位设置值之间的相位误差：
S6：将发射通道、频率、设置值对应的相位误差记录为相位误差表；
S7：控制软件1改变该发射通道的发射频率，重复步骤S2-S6，直到该发射通道内所有的频率扫描完成；
S8：控制软件1改变发射通道，重复步骤S1-S7，直到所述的发射通道均扫描完成。
在本实施例中，步骤S3中所述DDS或DAC4输出的射频脉冲的相位在0°～360°范围内线性改变，相位变化步进小于1°。
在本实施例中，使用过程中，控制软件1根据用户设定的相位值查询相位误差表，找到相位所对应的相位误差值并计算实际设置到DDS或DAC4的相位值：
综上，本发明提出的一种核磁共振仪器的发射相位校准系统及方法，控制软件自动控制通道的切换、频率变换和相位测量，并自动计算生成相位误差表，能够实现对所有发射通道、所有发射频率的相位的测量和校准，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 (8)
1.一种核磁共振仪器的发射相位校准系统，其特征在于，包括控制软件(1)，所述控制软件(1)连接n个发射接收通道(11)，并提供n个发射接收通道(11)内部件的控制参数；所述n个发射接收通道(11)的功能完全相同，并连接到NMR探头(2)的各个通道；n个所述发射接收通道(11)均包括有FPGA控制器(3)，所述FPGA控制器(3)经依次设置的DDS或DAC(4)、频率变换器一(5)、功率放大器(6)、双向定向耦合器(7)连接到NMR探头(2)，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(8)，所述可变放大器(8)经频率变换器二(9)、模数转换器ADC(10)连接到FPGA控制器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准系统，其特征在于，所述FPGA控制器(3)控制DDS或DAC(4)的相位调制参数改变发射输出脉冲波形的相位，DDS或DAC(4)输出信号的频率固定，并由频率变换器一(5)将DDS或DAC(4)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相位校准系统，其特征在于，所述NMR探头(2)每个通道的谐振频率与每个发射接收通道(11)的射频频率相同。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准系统，其特征在于，所述频率变换器二(9)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(10)采样率的1/3。
5.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准系统，其特征在于，所述FPGA控制器(3)通过控制接收通道中可变放大器(8)的控制参数调节接收通道增益，使接收信号的幅度处于模数转换器ADC(10)的最佳检测范围。
6.采用权利要求1-5任意一项所述的系统进行核磁共振仪器的发射相位校准方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：控制软件(1)从需要进行相位校正的通道中选择一个设置为发射通道；
S2：控制软件(1)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(1)控制DDS或DAC(4)输出相位线性改变的射频脉冲信号，所述相位线性改变的射频脉冲信号被双向耦合器(7)的前向耦合器检测输出到接收通道，控制软件(1)设置可变放大器(8)使接收信号处于适宜的增益，FPGA控制器(3)控制模数转换器ADC(10)将接收模拟信号转换为正交的数字信号，数字信号实部值为R，虚部值为I；
S4：控制软件(1)用接收信号的实部值R和虚部值I计算每个发射脉冲的相位值
若第一个相位计算值不为零，将所有计算的相位值减去第一个相位值，使相位表第一个值总为零：
S5：计算每个相位计算值与相位设置值之间的相位误差：
S6：将发射通道、频率、设置值对应的相位误差记录为相位误差表；
S7：控制软件(1)改变发射通道的发射频率，重复步骤S2-S6，直到该发射通道内所有的频率扫描完成；
S8：控制软件(1)改变发射通道，重复步骤S1-S7，直到所述的发射通道均扫描完成。
7.根据权利要求6所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准方法，其特征在于，步骤S3中，所述DDS或DAC(4)输出的射频脉冲的相位在0°～360°范围内线性改变，相位变化步进小于1°。
8.根据权利要求6所述的一种核磁共振仪器的发射相位校准方法，其特征在于，使用过程中，控制软件(1)根据用户设定的相位值查询相位误差表，找到相位所对应的相位误差值并计算实际设置到DDS或DAC(4)的相位值：
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Denomination of invention: An emission phase calibration system and method for nuclear magnetic resonance instruments Granted publication date: 20220111 Pledgee: Qingshan Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN ZHONGKE NIUJIN WAVE SPECTRUM TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980037072 |