CN111707694A - 一种nqr相控激励脉冲发生器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法，属于炸药探测技术领域。所述设计基于LabVIEW和PXI系统实现，所述PXI系统采用任意信号发生器PXI‑5421，所述方法包括：对设备和波形数据初始化，设置输出模式为任意序列，然后配置参数并写入波形数据；配置输出序列属性，使能输出；设置触发模块。本发明基于LabVIEW和PXI任意信号发生器，设计了一种NQR可控相位激励脉冲发生器，意图产生一个微秒级且各参数可控的射频激励脉冲，实现了任意波形信号的产生，灵活切换各脉冲序列，从而实现了对脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数和共振频率等脉冲参数的精确优化控制。

Description

一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法

技术领域

本发明涉及炸药探测技术领域，特别涉及一种NQR相控激励脉冲发生器的 设计方法。

背景技术

常规爆炸物探测方法通常存在缺陷，例如X-射线成像技术大多 是探测行李和包裹的密度，要靠操作人员根据经验来判断，无法肯定 地告知是否含有爆炸物；NMR探测需要大磁体产生稳定的磁场，不 仅费用较高，而且会对探测人员构成严重的辐射威胁等。这是因为它 们的检测都基于次要特征，而不是基于爆炸物的本质成分。

NQR(Nuclear Quadrupole Resonace，核四极矩共振)是一种固态射频谱分 析技术，可用于检测高危爆炸物与违禁物品。爆炸物中¹⁴N元素含量较高，而 ¹⁴N元素具有典型的NQR特性，在一定的电磁环境下，不同或相同原子核产生 不同的共振频率，通过检测接收到的NQR信号，不仅可以判断其对应哪一种原 子核，而且还可以进一步确定是什么物质分子。因此NQR技术具有分辨率高、 虚警率低、对物质识别具有唯一性、不存在放射性物质的沾染及隔离等特点。

然而，NQR信号极其微弱(十纳伏量级)，通常背景噪声或器件本身内部热 噪声就足以将其淹没，且它还极易受到外界射频的干扰，因此，要实现对NQR 信号的探测极为困难。现有技术中，大多数主要从NQR信号处理算法入手，以 求检测信噪比的提高，但改善程度受到原始信号信噪比低的限制。

目前使用NQR技术探测炸药成分主要包括黑索金(RDX)、梯恩梯(TNT)、 奥克托金(HMA)、太安(PETN)等，由于它们的NQR信号频率不同，在进 行探测时，需要采用不同的激励脉冲序列才能得到最佳信噪比。常规方法中通 过直流脉冲斩波连续射频波的方式来产生所需的射频(Radio Rrequency，RF) 脉冲，该方法存在的问题是RF脉冲具有相位相干性，而每个脉冲激励所产生的 NQR信号具有不同的初始相位，需增加相敏检波(Phase-sensitiveDetection，PSD) 模块后才能进行后续的信号处理。且目前设置激励脉冲序列参数存在经验性与 特定性，在不同探测环境中不具备自动调节激励脉冲序列的功能，因而很难得 到最大NQR信号。

另外，NQR激励脉冲发生器的性能指标，包括分辨率、转换时间、频率精 度、相位精度、幅值进度、频率步进等，对于NQR信号的强度有显著的影响。 过去由于半导体技术尚未成熟，集成电路没有得到发展，大规模的模拟数字电 路占据主流，NQR激励脉冲发生器一般由模拟正交调制电路组成，电路集成度 低、稳定性较差、精度不高、电路复杂调试起来较为困难。目前，NQR激励脉 冲发生器主要采用直接数字频率合成(DDS)技术，其中大部分采用DDS专用 芯片，如AD9910、AD9854等，来实现脉冲信号的发生。

然而，采用硬件方式实现的激励脉冲发生器存在仪器功能单一，参数调节 不方便，仪器的升级换代困难等缺点，且不具备自动调节激励脉冲序列的功能。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种NQR相控激励脉冲发 生器的设计方法，所述设计基于LabVIEW和PXI系统实现，所述PXI系统采用 任意信号发生器PXI-5421，所述方法包括：

对设备和波形数据初始化，设置输出模式为任意序列，然后配置参数并写 入波形数据；

配置输出序列属性，使能输出；

设置触发模块。

可选地，所述对设备和波形数据初始化，包括：

所述设备初始化包括配置设备名、具体通道和端口；

波形使用LabVIEW自带的信号源编程产生仿真信号，对所述仿真信号进行 处理分析，通过选择结构对仿真脉冲序列进行选择，调用信号处理或波形生成 中的正弦波形和公式波形，利用前面板的功能选择按钮进行序列切换以及各参 数设置，在波形图表中观察所述仿真信号。

可选地，所述设置输出模式为任意序列包括：

PXI-5421支持四种输出模式，标准函数(Standard Function)、任意波形(Arbitrary Waveform)、任意序列(Arbitrary Sequence)以及脚本(Script)；

选择所述任意序列模式，支持通过自定义的数字波形数据生成波形，波形 数据被下载到任意波形发生器板载存储器中。

可选地，所述设置触发模块包括：

所述触发模块包含触发模式的选择、触发源的选择以及触发极性的选择， PXI-5421支持四种触发模式：Single、Continuous、Burst和Stepped，将从板卡 通道PF0或PF1送入的触发信号作为所述触发源，所述触发极性包括正极性和 负极性，所述极性并不是指所述触发信号本身的正负，而是指由所述触发信号 的上升沿或下降沿触发；通过条件结构选择数字边沿触发和上升沿触发。

可选地，所述方法还包括：

通过所述NQR相控激励脉冲发生器对被测样品进行检测，确定被测样品是 否为危险爆炸物。

可选地，所述通过所述NQR相控激励脉冲发生器对被测样品进行检测，包 括：

当被测样品置于探测线圈中时，所述NQR相控激励脉冲发生器发射RF脉 冲，经功率放大后输出至所述探测线圈；

所述NQR相控激励脉冲发生器停止发射所述RF脉冲后，被测样品释放包 含NQR特征频率的回波信号；

所述探测线圈接收所述回波信号，经前置放大器和主放大器进行放大，再 进行A/D信号处理，得到频谱结果。

可选地，所述方法还包括：测试所述NQR相控激励脉冲发生器发射的脉冲。

可选地，所述测试所述NQR相控激励脉冲发生器发射的脉冲，包括：

设计产生四个初始相位依次增加90°的RF脉冲；

分别测试单脉冲序列输出和多脉冲序列输出。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

值得说明的是，针对激励脉冲初始相位不一致及参数不可控的问题，本发 明基于LabVIEW软件和PXI任意信号发生器，设计了一种NQR相位可控的激 励脉冲发生器，意图产生一个微秒级且各参数可控的射频激励脉冲。利用 LabVIEW软件平台设计了设置脉冲参数的用户界面，实现了对脉冲宽度、脉冲 间隔、脉冲个数和共振频率等脉冲参数的精确优化控制，选择任意信号发生器 板卡PXI-5421实现任意波形信号的产生。该设计可从源头上提高NQR信号强 度，实现激励脉冲波形的优化，有效提高信噪比，具有输出脉冲序列分辨率高， 波形稳定，性价比较高的特点，为后续信号处理提供有利条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法的简 易流程图；

图2是本发明实施例提供的一种四种初始相位依次增加90°的硬脉冲相位 调制图；

图3是本发明实施例提供的一种单脉冲输出调制图；

图4是本发明实施例提供的一种多脉冲输出调制图；

图5是本发明实施例提供的一种NQR探测装置的组成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

需要说明的是，从国内外发展现状来看，目前大多数主要是从NQR信号处 理算法入手，以求检测信噪比的提高，但改善程度受到原始信号信噪比低的限 制，现有方法均忽略了从信号产生级就提高NQR信号强度。由于NQR信号强 度与环境温度、激励脉冲序列等敏感性参数之间存在着直接的关系，而射频激 励脉冲是NQR信号产生的先决条件。

NQR信号通常有两种类型：一种是单脉冲激励产生的自由感应衰减(FreeInduction Decay，FID)信号，另一种是复合脉冲序列激励产生的自旋回波 (Spin-echo，SE)信号，它是FID信号再次重聚的结果。

这由采用不同的激励脉冲序列形式所决定，目前有多种NQR激励脉冲序列 类型，如单脉冲序列、随机(或噪声)脉冲序列、自旋锁定自旋回波(Spin Locking Spin Echo，SLSE)脉冲序列、稳态自由振荡(Steady-state-free Precession，SSFP) 序列、强偏共振(Strong Off Resonance Comb，SORC)脉冲、CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)型多脉冲序列等。由于对不同的炸药要采取不同 的脉冲序列才能得到最佳信噪比的NQR信号，因此NQR激励脉冲的形式对最 终的成功检测至关重要，从源头上影响着NQR回波信号的强度和正确检测的概 率。

激励脉冲序列的设计以自旋-晶格弛豫时间T₁和自旋-自旋弛豫时间T₂为依 据。具有NQR特性的爆炸物T₁和T₂也是不同的，其中T₁决定了两次测量之间的 等待时间，T₂决定一次测量所得信号的持续时间。对于具有T₁≈T₂特性的化合物 (例如RDX)，一般采用FID激励脉冲序列和SSFP脉冲序列采集其FID信号； 对于具有T₁>>T₂特性的化合物(如TNT)，一般使用SLSE脉冲序列，获得其SE 信号。

因而，本发明提供了一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法，采用本发 明的方法设计的脉冲发生器，可以从源头上提高NQR信号强度，实现激励脉冲 波形的优化。接下来将结合附图对本发明提供的一种NQR相控激励脉冲发生器 的设计方法进行详细介绍。

图1是本发明实施例提供的一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法的简 易流程图，参见图1，该方法包括：

需要说明的是，本发明的设计是基于LabVIEW和PXI系统实现的，利用 LabVIEW软件平台设计设置脉冲参数的用户界面，以实现对脉冲宽度、脉冲间 隔、脉冲个数和共振频率等脉冲参数的精确优化控制，选择任意信号发生器板 卡PXI-5421实现任意波形信号的产生。任意波形发生器PXI-5421是一个具有 16位分辨率、100MS/s采样率和高达512MB板上存储器的1插槽PXI模块， 可以产生高精度的非周期长波形。PXI-5421的板上存储器可以装入多个波形， 通过编程实现需要的激励脉冲序列，并指定它的重复次数以及相关波形配置， 即可得到完整的各参数可控的激励脉冲序列。另外，在开发PXI-5421应用系统 时，需要安装NI公司提供的设备驱动程序NI-FGEN，它有一系列的标准函数用 于配置、创建、启动和终止波形发生。

如图1所示，基于LabVIEW软件和PXI任意信号发生器，首先对设备和波 形数据初始化，设置输出模式为任意序列，然后配置参数并写入波形数据，之 后再配置输出序列属性，最后使能输出。另外，还需要设置触发模块。

其中，设备初始化包括配置设备名，具体通道和端口等。波形使用LabVIEW 自带的信号源编程产生仿真信号，对其进行处理分析，通过选择结构对仿真脉 冲序列进行选择，调用信号处理/波形生成中的正弦波形和公式波形，可利用前 面板的功能选择按钮进行序列切换以及各参数设置，该仿真信号可在波形图表 中观察。

其次，PXI-5421支持四种输出模式，标准函数(Standard Function)、任意 波形(Arbitrary Waveform)、任意序列(Arbitrary Sequence)以及脚本(Script)。 选择任意序列模式，支持通过自定义的数字波形数据生成波形，波形数据被下 载到任意波形发生器板载存储器中。

再者，触发模块包含触发模式的选择、触发源的选择以及触发极性的选择。 PXI-5421支持四种触发模式：Single、Continuous、Burst和Stepped，将从板卡 通道PF0或PF1送入的触发信号作为触发源，触发极性包括正极性和负极性， 该极性并不是指触发信号本身的正负，而是指由它的上升沿或下降沿触发。通 过条件结构选择数字边沿触发和上升沿触发。

需要说明的是，脉冲序列的周期性通过循环结构实现，一次循环产生一个 脉冲序列。出现错误或在前面板中点击停止按钮时，循环停止。另外，可选配 置为时钟源、时钟模式、数字滤波和模拟滤波等，可根据实际需求进行配置。

具体如图1所示，先进行初始化，然后将输出模式设置为任意序列，再指 定波形大小，设置下一数据写入点，写入波形数据，创建任意序列，配置序列 属性，输出使能，信号发生。另外，初始化之后还可以设置触发模式、触发源、 发送触发命令，促使信号发生。

其次，当中止信号发生后，停止信号发生，此时循环回到输出模式设置， 可以设置下一个需要产生的波形数据，循环产生脉冲序列。

再者，当写入波形数据之后，还可以回到设置下一数据写入点的步骤，以 方便写入下一个波形数据。

进一步地，当NQR相控激励脉冲发生器设计完成后，还可以测试该NQR 相控激励脉冲发生器发射的脉冲，具体地，为了验证相位调节的有效性，本发 明设计产生了四个初始相位依次增加90°的RF脉冲，频率500kHz，如图2所 示，结果表明，其相位调制性能良好。

另外，为了观察该脉冲发生器的脉冲参数配置灵活性及精确性，分别测试 了单脉冲序列输出和多脉冲序列输出。其中，单脉冲序列输出如图3所示，初 始相位为0°，频率为500kHz，脉冲宽度为10us，脉冲间隔为10us；多脉冲 序列输出如图4所示，初始相位为0°，频率为500kHz，第一个脉冲宽度为5us， 第一个脉冲与第二个脉冲间隔为10us，之后脉冲的宽度和间隔均为第一个的二 倍，个数为5个，循环N次。结果表明，本发明设计的NQR相控激励脉冲发生 器的脉冲参数配置灵活性及精确性均较高。

进一步地，当NQR相控激励脉冲发生器设计完成后，还可以通过NQR相 控激励脉冲发生器对被测样品进行检测，确定被测样品是否为危险爆炸物。具 体地，图5是NQR探测装置的组成框图，该NQR探测装置包括NQR相控激励 脉冲发生器、功放、匹配网络、探测线圈、前置放大器、主放大器和A/D处理 器，参见图5，当被测样品置于探测线圈中时，该NQR相控激励脉冲发生器发 射RF脉冲，经功率放大后输出至探测线圈；当该NQR相控激励脉冲发生器停 止发射RF脉冲后，被测样品释放包含NQR特征频率的回波信号；探测线圈接 收回波信号，经前置放大器和主放大器进行放大，再进行A/D信号处理，得到 频谱结果，之后就可以通过该频谱结果确定该被测样品是否为危险爆炸物。

值得说明的是，针对激励脉冲初始相位不一致及参数不可控的问题，本发 明基于LabVIEW软件和PXI任意信号发生器，设计了一种NQR相位可控的激 励脉冲发生器，意图产生一个微秒级且各参数可控的射频激励脉冲。利用 LabVIEW软件平台设计了设置脉冲参数的用户界面，实现了对脉冲宽度、脉冲 间隔、脉冲个数和共振频率等脉冲参数的精确优化控制，选择任意信号发生器 板卡PXI-5421实现任意波形信号的产生。该设计可从源头上提高NQR信号强 度，实现激励脉冲波形的优化，有效提高信噪比，具有输出脉冲序列分辨率高， 波形稳定，性价比较高的特点，为后续信号处理提供有利条件。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过 硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于 一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或 光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (8)

1.一种NQR相控激励脉冲发生器的设计方法，其特征在于，所述设计基于LabVIEW和PXI系统实现，所述PXI系统采用任意信号发生器PXI-5421，所述方法包括：

对设备和波形数据初始化，设置输出模式为任意序列，然后配置参数并写入波形数据；

配置输出序列属性，使能输出；

设置触发模块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对设备和波形数据初始化，包括：

所述设备初始化包括配置设备名、具体通道和端口；

波形使用LabVIEW自带的信号源编程产生仿真信号，对所述仿真信号进行处理分析，通过选择结构对仿真脉冲序列进行选择，调用信号处理或波形生成中的正弦波形和公式波形，利用前面板的功能选择按钮进行序列切换以及各参数设置，在波形图表中观察所述仿真信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置输出模式为任意序列包括：

PXI-5421支持四种输出模式，标准函数(Standard Function)、任意波形(ArbitraryWaveform)、任意序列(Arbitrary Sequence)以及脚本(Script)；

选择所述任意序列模式，支持通过自定义的数字波形数据生成波形，波形数据被下载到任意波形发生器板载存储器中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置触发模块包括：

所述触发模块包含触发模式的选择、触发源的选择以及触发极性的选择，PXI-5421支持四种触发模式：Single、Continuous、Burst和Stepped，将从板卡通道PF0或PF1送入的触发信号作为所述触发源，所述触发极性包括正极性和负极性，所述极性并不是指所述触发信号本身的正负，而是指由所述触发信号的上升沿或下降沿触发；通过条件结构选择数字边沿触发和上升沿触发。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述NQR相控激励脉冲发生器对被测样品进行检测，确定被测样品是否为危险爆炸物。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过所述NQR相控激励脉冲发生器对被测样品进行检测，包括：

当被测样品置于探测线圈中时，所述NQR相控激励脉冲发生器发射RF脉冲，经功率放大后输出至所述探测线圈；

所述NQR相控激励脉冲发生器停止发射所述RF脉冲后，被测样品释放包含NQR特征频率的回波信号；

所述探测线圈接收所述回波信号，经前置放大器和主放大器进行放大，再进行A/D信号处理，得到频谱结果。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：测试所述NQR相控激励脉冲发生器发射的脉冲。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测试所述NQR相控激励脉冲发生器发射的脉冲，包括：

设计产生四个初始相位依次增加90°的RF脉冲；

分别测试单脉冲序列输出和多脉冲序列输出。

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