專利名稱：一種核磁共振信號處理裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種核磁共振信號處理裝置。
背景技術：
井下核磁共振儀器測井過程中，所采集的地層回波信號十分微弱，而要充分獲取地層束縛水信息需要的回波間隔(TE)時間又十分短暫(約O. 4毫秒(ms)左右)，這就對信號的處理精度與算法快速實時性提出了很高的要求。現有核磁共振測井儀中普遍利用數字信號處理器(DSP)進行數字相敏檢波計算，雖然處理精度能夠保證，但易受采集數據信息量與數據傳輸速度的限制而很難進一步提高實時運算效率。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是克服目前核磁共振測井儀實時運算效率較低的缺陷。為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種核磁共振信號處理裝置，包括模數轉換器、選通開關、N個累加寄存器、低通濾波器、混頻運算器以及合成運算器，其中模數轉換器，接入總輸入信號并進行模數轉換；選通開關，與模數轉換器相連，按照采集順序將模數轉換后的總輸入信號按照采樣點數M等分到N個累加寄存器，其中N為采樣率，M為信號周期；N個累加寄存器，采用表達式即)= 邠+ J·#)，i = 1,2,...，N對選通開關發送的
J=O
信號進行相關累加操作，獲得總輸入信號經過數字化采樣后的離散輸入信號S(i)；低通濾波器，接入離散輸入信號S (i)，對離散輸入信號S (i)進行低通濾波處理；混頻運算器，將低通濾波器輸出的信號分兩路分別與單個周期的正弦信號sin2 π ft和單個周期的余弦信號cos2 π ft進行乘法運算，分別得到第一路混頻信號和第二路混頻/[目號；合成運算器，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的初相和幅值。優選地，所述N個累加寄存器均是32路累加寄存器。優選地，所述混頻運算器包括第一混頻運算器，將低通濾波器輸出的信號與單個周期的正弦信號sin2 Jift進行乘法運算，得到第一路混頻信號；第二混頻運算器，將低通濾波器輸出的信號與單個周期的余弦信號cos2 π ft進行乘法運算，得到第二路混頻信號。優選地，所述合成運算器包括相位合成運算器，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的初相；[0018]幅度合成運算器，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的幅值。優選地，選通開關及N個累加寄存器集成在現場可編程邏輯門陣列中。優選地，低通濾波器、混頻運算器以及合成運算器集成在數字信號處理器中。與現有技術相比，本實用新型實施例相比傳統核磁共振測井儀在數字處理器中實現信號的DPSD處理具有更快的速度，設計結構更為簡單可靠性也更高，為后續進一步縮短回波采樣間隔TE提升核磁共振儀器整體性能奠定了良好的基礎。
圖I為本實用新型實施例核磁共振信號處理裝置的構造示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。現有核磁共振儀器利用數字處理芯片如DSP等對信號進行相敏檢波算法計算，雖然計算精度能夠保證，但受采集數據信息量與數據傳輸速度的限制，很難做到采集與運算同時并行處理。數字相敏檢波算法(DPSD)的數字表現形式可寫成下式(I)所示U01 =各 I x(n)f\(n) Ι02 = —^ x(n)r2(n)( I )其中，N為取樣點數(或數據長度)Γι (η)和r2 (η)為兩個參考信號，χ (η)為輸入信號。將式(I)用遞推算法完成，得到如下表達式(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=時rv-1) +魏㈨](5 )
一η式⑵中，0^為第η次取樣后的計算平均值。r2 (η)與!· 相位差90°且與輸入信號x (η)頻率相同，故!^]!)可以通過!T1 (η)來產生。但由于r 是取樣信號，故要求1^ (η) —周期內的取樣點數與原頻率之比為4的整倍數，即m為4的整倍數。fs為采樣頻率(r(n)采樣頻率必須等于χ (η)采樣頻率)。在預先存儲中可以預設輸入信號的幅值Ur為I。最后根據U01與U02求出回波的幅值和初相。具體地，將U01與U02的平方和的二分之一次方，作為回波的幅值，將U01與U02的比值的反正切函數之作為回波信號的初相。本實用新型的實施例可基于現場可編程邏輯門陣列(FPGA)并結合上述表達式的特點來實現。如圖I所示，本實用新型實施例的核磁共振信號處理裝置主要包括模數轉換器(ADC) 110、選通開關120、N個累加寄存器130、低通濾波器140、混頻運算器150以及合成運算器160等。模數轉換器110，接入S(t)信號，其中S(t) =x(t)+n(t);其中，S(t)是總輸入信號，x(t)表示回波信號，n(t)表示噪聲信號。選通開關120，與模數轉換器110相連，按照采集順序將模數轉換器110接入的S(t)信號按照采樣點數M等分到N個累加寄存器130中存儲并進行累加；其中N為采樣率，M為信號周期。N個累加寄存器130，與選通開關120相連，采用如下表達式對選通開關120發送的信號進行相關累加操作，獲得連續輸入的S(t)經過數字化采樣后的離散輸入信號S(i)S{i) = ^S(i + jxN), i = I, 2, . . . , N式(6)
J=O低通濾波器140，與N個累加寄存器相連，接入N個累加寄存器130輸出的S (i)信號，對S(i)信號進行低通濾波處理。混頻運算器150，與低通濾波器140相連，將低通濾波器140輸出的信號分兩路分別與單個周期的正弦信號sin2 π ft和余弦信號cos2 π ft進行乘法運算，分別得到第一路混頻信號和第二路混頻信號。合成運算器160，與混頻運算器150相連，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的初相和幅值。本實用新型的實施例中，N個累加寄存器130均是32路累加寄存器。如圖I所示，本實用新型的實施例中，混頻運算器150包括第一混頻運算器151，與低通濾波器140相連，將低通濾波器140輸出的信號與單個周期sin2 π ft進行乘法運算，得到第一路混頻信號。第二混頻運算器152，與低通濾波器140相連，將低通濾波器140輸出的信號與單個周期cos2 π ft進行乘法運算，得到第二路混頻信號。如圖I所示，本實用新型的實施例中，合成運算器160包括相位合成運算器161，與混頻運算器150相連，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的初相。幅度合成運算器162，與混頻運算器150相連，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的幅值。本實用新型的實施例中，sin2 π ft與cos2 ft只取一個周期的采樣值，然后由混頻運算器分別與低通濾波器輸出的信號相乘，進行混頻操作處理。本實用新型的實施例，將選通開關120及N個累加寄存器130集成在FPGA中實現。本實用新型的實施例，將低通濾波器140、混頻運算器150以及合成運算器160，集成在DSP中實現。兩個參考信號rl (η)和r2 (η)是周期為N的周期性函數，根據常數N將第一參考信號rl(n)和第二參考信號r2(n)的正弦函數系數保存在FPGA寄存器中。將采集到的輸
入信號以N為常數，將總數為M的采樣點數等分#份。
N[0057]在儀器實時采集回波信號的同時按照采集序號進行編碼，分別將每個采樣點按照其序號編碼輸入到各自對應的累加寄存器中相累加，回波信號采集完成的同時完成對信號的累加操作，最后將N個累加數據輸出到下一級乘法累加模塊進行單獨提取并乘以rl (η)和r2 (η)對應的N組系數后進行相關的數據處理，得到對應的U01、U02，最后完成對后續信號幅值與相位的計算。本實用新型的實施例基于FPGA實現數字相敏檢波DPSD的實時并行處理，可以實現多路采樣數據同時并行累加計算，并實時進行幅值和相位的合成處理得到回波信號的相關信息。本實用新型的實施例結構簡單，運算實時性好，能夠快速完成對回波信號的提取處理操作。本實用新型的實施例中，回波信號采集的同時對信號進行累加計算，這個過程是實時進行的，當信號采集完成的同時，也結束了對各組信號每個周期對應采樣點的累加計算。這個過程是當采樣完成，累加操作也同時完成，時效性比其他算法均高。本實用新型的 實施例，無論采樣速率多快，采樣數據有多大，當采樣完成的同時，由FPGA并行實時進行的 累加操作也相應完成，這樣無論采樣數據有多大，最終只是完成對N路累加后的數據的處理，這樣數據的計算信息量得到有效控制，實時性也得到顯著提高。本實用新型的實施例能夠實現對地層中流體束縛組成分和小孔徑流體成分的測試，滿足井下核磁共振儀器對微弱回波信號實時快速處理的需求。本實用新型的實施例結合了 FPGA程序快速并行執行的特點，能夠快速精確地實現實時提取回波信號，大大地提高了信號提取的速度，實現回波信號采集完成同時結束對信號的DPSD處理，最大程度地節省系統運算時間，使得后續更進一步縮短回波采樣間隔，提升了儀器整體性能。本實用新型的實施例結構簡單且可靠性強，運算實時性能較快且具有較好的計算精度，能夠滿足井下儀器快速信號處理的要求。本實用新型的實施例在FPGA中實現累加功能，不僅充分利用了 FPGA中的加法器資源，且減少了 FPGA通過中斷方式與DSP交互的數據量。并且，FPGA并行的加法工作方式也比DSP串行累加的方式效率聞，進一步提聞了計算的實時性，減少了計算時間，提聞了計
算效率。雖然本實用新型所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬領域內的技術人員，在不脫離本實用新型所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求1.一種核磁共振信號處理裝置，其特征在于，包括模數轉換器、選通開關、N個累加寄存器、低通濾波器、混頻運算器以及合成運算器，其中 模數轉換器，接入總輸入信號并進行模數轉換； 選通開關，與模數轉換器相連，按照采集順序將模數轉換后的總輸入信號按照采樣點數M等分到N個累加寄存器，其中N為采樣率，M為信號周期； N個累加寄存器，采用表達式
2.根據權利要求I所述的核磁共振信號處理裝置，其特征在于， 所述N個累加寄存器均是32路累加寄存器。
3.根據權利要求I所述的核磁共振信號處理裝置，其特征在于，所述混頻運算器包括 第一混頻運算器，將低通濾波器輸出的信號與單個周期的正弦信號sin2 π ft進行乘法運算，得到第一路混頻信號； 第二混頻運算器，將低通濾波器輸出的信號與單個周期的余弦信號cos2 π ft進行乘法運算，得到第二路混頻信號。
4.根據權利要求I所述的核磁共振信號處理裝置，其特征在于，所述合成運算器包括 相位合成運算器，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的初相； 幅度合成運算器，根據第一路混頻信號及第二路混頻信號獲得回波信號的幅值。
5.根據權利要求I所述的核磁共振信號處理裝置，其特征在于， 選通開關及N個累加寄存器集成在現場可編程邏輯門陣列中。
6.根據權利要求I所述的核磁共振信號處理裝置，其特征在于， 低通濾波器、混頻運算器以及合成運算器集成在數字信號處理器中。
專利摘要本實用新型公開了一種核磁共振信號處理裝置，克服目前核磁共振測井儀實時運算效率低的缺陷，該裝置包括模數轉換器接入總輸入信號并進行模數轉換；選通開關將模數轉換后的總輸入信號按照采樣點數等分到N個累加寄存器；N個累加寄存器對信號進行相關累加操作，獲得總輸入信號經過數字化采樣后的離散輸入信號；低通濾波器對離散輸入信號進行低通濾波處理；混頻運算器將低通濾波器輸出的信號分兩路分別與單個周期的正弦信號和單個周期的余弦信號進行乘法運算，得到第一、第二路混頻信號；合成運算器根據第一、第二路混頻信號獲得回波信號的初相和幅值。本實用新型比傳統核磁共振測井儀在數字處理器中實現信號的DPSD處理具有更快的速度。
文檔編號G01R33/44GK202661619SQ20122024767
公開日2013年1月9日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者張嘉偉, 宋公仆, 薛志波 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油田服務股份有限公司