专利名称：一种核磁共振信号处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种核磁共振信号处理装置。
背景技术：
井下核磁共振仪器测井过程中，所采集的地层回波信号十分微弱，而要充分获取地层束缚水信息需要的回波间隔(TE)时间又十分短暂(约O. 4毫秒(ms)左右)，这就对信号的处理精度与算法快速实时性提出了很高的要求。现有核磁共振测井仪中普遍利用数字信号处理器(DSP)进行数字相敏检波计算，虽然处理精度能够保证，但易受采集数据信息量与数据传输速度的限制而很难进一步提高实时运算效率。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服目前核磁共振测井仪实时运算效率较低的缺陷。为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种核磁共振信号处理装置，包括模数转换器、选通开关、N个累加寄存器、低通滤波器、混频运算器以及合成运算器，其中模数转换器，接入总输入信号并进行模数转换；选通开关，与模数转换器相连，按照采集顺序将模数转换后的总输入信号按照采样点数M等分到N个累加寄存器，其中N为采样率，M为信号周期；N个累加寄存器，采用表达式即)= 邠+ J·#)，i = 1,2,...，N对选通开关发送的
J=O
信号进行相关累加操作，获得总输入信号经过数字化采样后的离散输入信号S(i)；低通滤波器，接入离散输入信号S (i)，对离散输入信号S (i)进行低通滤波处理；混频运算器，将低通滤波器输出的信号分两路分别与单个周期的正弦信号sin2 π ft和单个周期的余弦信号cos2 π ft进行乘法运算，分别得到第一路混频信号和第二路混频/[目号；合成运算器，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的初相和幅值。优选地，所述N个累加寄存器均是32路累加寄存器。优选地，所述混频运算器包括第一混频运算器，将低通滤波器输出的信号与单个周期的正弦信号sin2 Jift进行乘法运算，得到第一路混频信号；第二混频运算器，将低通滤波器输出的信号与单个周期的余弦信号cos2 π ft进行乘法运算，得到第二路混频信号。优选地，所述合成运算器包括相位合成运算器，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的初相；[0018]幅度合成运算器，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的幅值。优选地，选通开关及N个累加寄存器集成在现场可编程逻辑门阵列中。优选地，低通滤波器、混频运算器以及合成运算器集成在数字信号处理器中。与现有技术相比，本实用新型实施例相比传统核磁共振测井仪在数字处理器中实现信号的DPSD处理具有更快的速度，设计结构更为简单可靠性也更高，为后续进一步缩短回波采样间隔TE提升核磁共振仪器整体性能奠定了良好的基础。
图I为本实用新型实施例核磁共振信号处理装置的构造示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。现有核磁共振仪器利用数字处理芯片如DSP等对信号进行相敏检波算法计算，虽然计算精度能够保证，但受采集数据信息量与数据传输速度的限制，很难做到采集与运算同时并行处理。数字相敏检波算法(DPSD)的数字表现形式可写成下式(I)所示U01 =各 I x(n)f\(n) Ι02 = —^ x(n)r2(n)( I )其中，N为取样点数(或数据长度)Γι (η)和r2 (η)为两个参考信号，χ (η)为输入信号。将式(I)用递推算法完成，得到如下表达式(2)，即I!)' =+n L 2，· · ·，N⑵
η其中，T1 (n) = Urcos2 π f0*n/fs(3)rAn) = -r,\n + ^-\·, m = fs/fO(4)
4=时rv-1) +魏㈨](5 )
一η式⑵中，0^为第η次取样后的计算平均值。r2 (η)与!· 相位差90°且与输入信号x (η)频率相同，故!^]!)可以通过!T1 (η)来产生。但由于r 是取样信号，故要求1^ (η) —周期内的取样点数与原频率之比为4的整倍数，即m为4的整倍数。fs为采样频率(r(n)采样频率必须等于χ (η)采样频率)。在预先存储中可以预设输入信号的幅值Ur为I。最后根据U01与U02求出回波的幅值和初相。具体地，将U01与U02的平方和的二分之一次方，作为回波的幅值，将U01与U02的比值的反正切函数之作为回波信号的初相。本实用新型的实施例可基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)并结合上述表达式的特点来实现。如图I所示，本实用新型实施例的核磁共振信号处理装置主要包括模数转换器(ADC) 110、选通开关120、N个累加寄存器130、低通滤波器140、混频运算器150以及合成运算器160等。模数转换器110，接入S(t)信号，其中S(t) =x(t)+n(t);其中，S(t)是总输入信号，x(t)表示回波信号，n(t)表示噪声信号。选通开关120，与模数转换器110相连，按照采集顺序将模数转换器110接入的S(t)信号按照采样点数M等分到N个累加寄存器130中存储并进行累加；其中N为采样率，M为信号周期。N个累加寄存器130，与选通开关120相连，采用如下表达式对选通开关120发送的信号进行相关累加操作，获得连续输入的S(t)经过数字化采样后的离散输入信号S(i)S{i) = ^S(i + jxN), i = I, 2, . . . , N式(6)
J=O低通滤波器140，与N个累加寄存器相连，接入N个累加寄存器130输出的S (i)信号，对S(i)信号进行低通滤波处理。混频运算器150，与低通滤波器140相连，将低通滤波器140输出的信号分两路分别与单个周期的正弦信号sin2 π ft和余弦信号cos2 π ft进行乘法运算，分别得到第一路混频信号和第二路混频信号。合成运算器160，与混频运算器150相连，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的初相和幅值。本实用新型的实施例中，N个累加寄存器130均是32路累加寄存器。如图I所示，本实用新型的实施例中，混频运算器150包括第一混频运算器151，与低通滤波器140相连，将低通滤波器140输出的信号与单个周期sin2 π ft进行乘法运算，得到第一路混频信号。第二混频运算器152，与低通滤波器140相连，将低通滤波器140输出的信号与单个周期cos2 π ft进行乘法运算，得到第二路混频信号。如图I所示，本实用新型的实施例中，合成运算器160包括相位合成运算器161，与混频运算器150相连，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的初相。幅度合成运算器162，与混频运算器150相连，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的幅值。本实用新型的实施例中，sin2 π ft与cos2 ft只取一个周期的采样值，然后由混频运算器分别与低通滤波器输出的信号相乘，进行混频操作处理。本实用新型的实施例，将选通开关120及N个累加寄存器130集成在FPGA中实现。本实用新型的实施例，将低通滤波器140、混频运算器150以及合成运算器160，集成在DSP中实现。两个参考信号rl (η)和r2 (η)是周期为N的周期性函数，根据常数N将第一参考信号rl(n)和第二参考信号r2(n)的正弦函数系数保存在FPGA寄存器中。将采集到的输
入信号以N为常数，将总数为M的采样点数等分#份。
N[0057]在仪器实时采集回波信号的同时按照采集序号进行编码，分别将每个采样点按照其序号编码输入到各自对应的累加寄存器中相累加，回波信号采集完成的同时完成对信号的累加操作，最后将N个累加数据输出到下一级乘法累加模块进行单独提取并乘以rl (η)和r2 (η)对应的N组系数后进行相关的数据处理，得到对应的U01、U02，最后完成对后续信号幅值与相位的计算。本实用新型的实施例基于FPGA实现数字相敏检波DPSD的实时并行处理，可以实现多路采样数据同时并行累加计算，并实时进行幅值和相位的合成处理得到回波信号的相关信息。本实用新型的实施例结构简单，运算实时性好，能够快速完成对回波信号的提取处理操作。本实用新型的实施例中，回波信号采集的同时对信号进行累加计算，这个过程是实时进行的，当信号采集完成的同时，也结束了对各组信号每个周期对应采样点的累加计算。这个过程是当采样完成，累加操作也同时完成，时效性比其他算法均高。本实用新型的 实施例，无论采样速率多快，采样数据有多大，当采样完成的同时，由FPGA并行实时进行的 累加操作也相应完成，这样无论采样数据有多大，最终只是完成对N路累加后的数据的处理，这样数据的计算信息量得到有效控制，实时性也得到显著提高。本实用新型的实施例能够实现对地层中流体束缚组成分和小孔径流体成分的测试，满足井下核磁共振仪器对微弱回波信号实时快速处理的需求。本实用新型的实施例结合了 FPGA程序快速并行执行的特点，能够快速精确地实现实时提取回波信号，大大地提高了信号提取的速度，实现回波信号采集完成同时结束对信号的DPSD处理，最大程度地节省系统运算时间，使得后续更进一步缩短回波采样间隔，提升了仪器整体性能。本实用新型的实施例结构简单且可靠性强，运算实时性能较快且具有较好的计算精度，能够满足井下仪器快速信号处理的要求。本实用新型的实施例在FPGA中实现累加功能，不仅充分利用了 FPGA中的加法器资源，且减少了 FPGA通过中断方式与DSP交互的数据量。并且，FPGA并行的加法工作方式也比DSP串行累加的方式效率闻，进一步提闻了计算的实时性，减少了计算时间，提闻了计
算效率。虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求1.一种核磁共振信号处理装置，其特征在于，包括模数转换器、选通开关、N个累加寄存器、低通滤波器、混频运算器以及合成运算器，其中 模数转换器，接入总输入信号并进行模数转换； 选通开关，与模数转换器相连，按照采集顺序将模数转换后的总输入信号按照采样点数M等分到N个累加寄存器，其中N为采样率，M为信号周期； N个累加寄存器，采用表达式
2.根据权利要求I所述的核磁共振信号处理装置，其特征在于， 所述N个累加寄存器均是32路累加寄存器。
3.根据权利要求I所述的核磁共振信号处理装置，其特征在于，所述混频运算器包括 第一混频运算器，将低通滤波器输出的信号与单个周期的正弦信号sin2 π ft进行乘法运算，得到第一路混频信号； 第二混频运算器，将低通滤波器输出的信号与单个周期的余弦信号cos2 π ft进行乘法运算，得到第二路混频信号。
4.根据权利要求I所述的核磁共振信号处理装置，其特征在于，所述合成运算器包括 相位合成运算器，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的初相； 幅度合成运算器，根据第一路混频信号及第二路混频信号获得回波信号的幅值。
5.根据权利要求I所述的核磁共振信号处理装置，其特征在于， 选通开关及N个累加寄存器集成在现场可编程逻辑门阵列中。
6.根据权利要求I所述的核磁共振信号处理装置，其特征在于， 低通滤波器、混频运算器以及合成运算器集成在数字信号处理器中。
专利摘要本实用新型公开了一种核磁共振信号处理装置，克服目前核磁共振测井仪实时运算效率低的缺陷，该装置包括模数转换器接入总输入信号并进行模数转换；选通开关将模数转换后的总输入信号按照采样点数等分到N个累加寄存器；N个累加寄存器对信号进行相关累加操作，获得总输入信号经过数字化采样后的离散输入信号；低通滤波器对离散输入信号进行低通滤波处理；混频运算器将低通滤波器输出的信号分两路分别与单个周期的正弦信号和单个周期的余弦信号进行乘法运算，得到第一、第二路混频信号；合成运算器根据第一、第二路混频信号获得回波信号的初相和幅值。本实用新型比传统核磁共振测井仪在数字处理器中实现信号的DPSD处理具有更快的速度。
文档编号G01R33/44GK202661619SQ20122024767
公开日2013年1月9日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者张嘉伟, 宋公仆, 薛志波 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司