[发明专利]一种用于一维谱分析的小型核磁共振仪控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于石油勘探和油料种子分析的小型核磁共振仪控制器，主要用于石油勘探开发研究中核磁共振一维弛豫谱，同时也用于油料种子的含油含水量量分析等方向。

技术背景

核磁共振技术主要应用于两个领域，分别是核磁共振成像(MRI)和核磁共振波谱分析(MRS)。MRS技术是根据核磁共振信号的谱线特性，主要是利用物质内部的谱线结构和物质的弛豫时间在该物质内部不同位置有不同的值这个关系，对分子结构，物体内某物质含量等进行分析测量。因为核磁共振技术是非介入式的方法，不会对被测物体造成任何物理损害，所以MRS技术不仅在物理和化学领域研究中得到应用，而且在生物、农业、石油探测分析等领域也得到了非常广泛的应用。MRS主要应用在频谱分析和一维和二维的弛豫谱分析两个方面。在频谱分析中，凭借测定化学位移对核磁共振信号在频率上不同的影响，通过对核磁共振信号的频谱进行分析，来得到所要研究的物质的分子的具体结构等信息。科研机构主要将MRS技术应用到频谱分析中。弛豫谱分析主要是利用物体内某物质的含量的不同和分子所在的不同环境对核磁共振信号的幅度和弛豫时间会造成不同的影响，通过分析该物质的核磁共振信号幅度和弛豫时间，来测定该物体内这一物质的含量，分析物质内部结构。目前弛豫谱分析已经在石油勘探分析和油料种子分析等领域得到广泛的应用。

针对这种情况，本发明设计了一种专用于弛豫谱分析的小型核磁共振仪低成本控制器，该控制器将核磁共振谱仪的信号发射与接收，与计算机进行数据交互和序列控制集成到同一个控制器中，并通过背板总线与小型核磁共振仪相连，然后通过通信接口与计算机进行通信。由于谱仪和计算机之间的通信只需要一根USB数据线即可，因此该多功能采集模块大大提高了系统集成度，节省了硬件资源，同时也大大方便了系统设备的操作、维护以及软硬件的升级。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的小型核磁共振仪控制器，使其在保证核磁共振仪相应功能和实验分析质量的前提下，与其他同类产品相比更具有竞争力。

为实现上述目的，本发明提供了将核磁共振谱仪的信号发射与接收，与计算机进行数据交互和序列控制集成到同一块电路板上的控制器，其主要包括：数字频率源电路、数字下变频电路和序列管理器三部分。

首先，数字频率源电路是根据相位和幅度的关系合成所需要的波形，它主要由相位累加器、正弦查找表、数模转换器和低通滤波器组成。常规的作法是采用专用的数字频率源芯片，我们为了更好的集成度和节约成本，主要依靠FPGA内部的数控振荡器。数控振荡器基于坐标旋转数字计算机算法实现。与其他数控振荡器生成方法相比，坐标旋转数字计算机算法主要优势在于它能够在更少的硬件资源下达到高相位和频率精度以及高运行速度。数控振荡器内部的高精度可编程元件由相位累加器、频率控制寄存器、相位控制寄存器和幅度调制寄存器组成。DDS的硬件设计主要由FPGA、数模转换器、运算放大器、数控衰减器和低通滤波器组成。FPGA采用Altera公司的CYCLONE II工系列的EP3C55F484C8芯片，后三个芯片以及其他电子元器件作为数字频率源的模拟前端电路。波形信号由FPGA产生后，经过数模转换器AD9742转变为模拟信号，再经由运算放大器OPA680将信号放大，并由其来控制信号的关断；然后经过数字衰减器MAATSS0015来控制信号增益大小，最后经过低通滤波器滤波后来激发射频线圈。

第二，数字下变频，是指对中频信号经过A/D采样后与数控振荡器产生的正交载波信号相乘并滤波，得到基带数字化信号。数字下变频由数控振荡器、数字乘法器、数字滤波器三部分组成。目前实现数字下变频方式有软件实现，专用硬件芯片和FPGA集成三种方法。我们充分利用FPGA内部资源，在FPGA内部集成DDC。首先射频输入信号从模拟前端输入，首先经过两级由FPGA控制的射频开关SW-239，控制信号的关断；然后经过两级增益放大器SGA-4586(Z)和一个数字衰减器MAATSS0015，使得信号接收部分的增益可控，可控范围为；0-15dB，精度为1dB。然后经过低通滤波器和射频变压器之后，将单路模拟信号变为差分模拟信号，进入模数转换器AD9629。之后采样信号进入FPGA的数字下变频(DDC)模块。DDC处理过程包含以下几个阶段：(1)正交解调；(2)通过级联积分梳状(CIC)抽取滤波器、CIC补偿和用户配置的FIR滤波器进行多级程控滤波；(3)增益调制。控制核心中的多路复用器可以根据实际应用绕过某一级滤波器。因为嵌入FPGA的DDC模块的作用，接收器的带宽从3.9KHz到10MHz均可调。