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基于正交矢量放大的MRS信号采集模块设计----核磁共振信号采集模块的原理及分析

时间:10-13 来源:3721RD 点击:

2.3 MRS信号的提取原理及仿真

2.3.1 MRS信号参数的提取

地面核磁共振找水信号表达式为:

其中E0为初始振幅,ω0为Lamor角频率,θ为初始相位,T2*为弛豫时间。由于核磁共振找水测量根据地磁场大小可计算出信号的Lamor频率,同时该信号是单频信号,故可用正交矢量放大方法检测提取其包络曲线:

从而获得MRS信号的E0、T2*、θ等各参数。

我们设MRS信号经过信号通道后为:

n(t)为噪声。

两路正弦波分别为

δω01为频率差。

经过相敏检测器PSD实现信号相乘:

再经过低通滤波器LPF,滤除高频部分,得到:

将I(t)、Q(t)经过数学计算:


再经过数据拟合就可以获得MRS信号的E0、T2*、θ等各参数。

2.3.2 MATLAB仿真

整个MRS信号包络提取过程可以用MATLAB来进行仿真.设MRS信号的初始振幅E0 = 200mV,Lamor频率f0 = 2300Hz,初始相位θ=π/3,弛豫时间T2* = 100ms.可以得到标准的MRS信号如图2.8所示。


与同频率的正余弦参考信号相乘后,经过数字低通滤波器(截止频率设为10Hz),可以得到标准的MRS信号的包络如图2.9所示。


实际测量中,MRS信号伴随有一定的噪声,而且参考信号也不可能完全与MRS信号同频率。图2.10和图2.11所示为含有高斯白噪声(信噪比为0.6)的MRS信号波形以及与频率为2290Hz的正弦波正交后得到的信号包络。可以看出本设计中使用的正交矢量放大方法可以很好地改善信噪比。


经过式(2-18)和式(2-19)所示的数据拟合,拟合结果如表2.1所示。


仿真验证了正交矢量放大方法可以准确地提取信号的特征参数,并可以进一步的提高信噪比。本方法允许参考信号和被测信号的频率有一定的偏差,偏差越小越好。

第三章采集模块方案设计

3.1核磁共振找水仪的整体结构

核磁共振找水仪由电源、发射与接收等部分组成,如图3.1所示。


在计算机控制下,由单片机和DDS等产生如图3.2(a)所示的拉莫尔激发信号,功率驱动电路将这个信号调制为发射所需的电流,经开关,通过铺设于地面的电缆发射出激发信号。停止激发后,由快速开关控制电路将电缆转接到放大器输入端。放大器将接收到的如图3.2(b)所示的MRS信号进行模拟调理后输出给数据采集与处理电路,经数据处理成为检测到的地下水信息。图3.1中的数据采集模块为本文的主要研究内容。

3.2采集模块主要功能及设计指标

3.2.1采集模块主要功能

1、产生与MRS信号同频的两路参考正弦波,两者相位相差90°;

2、实现两路参考信号与MRS信号正交矢量放大;

3、同步采集正交后的两路信号;

4、利用通讯模块接收上位机指令,将采集到的数据上传到上位机;

5、上位机软件将接收到的数据处理后成图显示。

3.2.2采集模块技术指标

ADC位数:16位

采集通道:2通道同步采集

信号输入范围:-2.5V~+2.5V

采样率:按1/4倍Lamor频率程控可调

采样时间:0ms~500ms程控可调

3.3设计框图

3.3.1主要电路的实现

本设计中以51系列单片机为控制核心,控制数据采集与处理。本设计中采用包络采集的方案,采集到的数据量小,用51系列单片机可以满足速度、容量等方面的要求。而且51系列单片机还具有开发环境完备,开发工具齐全,应用技术成熟,工作稳定可靠,价格经济等优点.

如今可编程逻辑器件CPLD的技术已相当成熟,CPLD器件具备了优异的高速性能,高度的灵活性、可靠性,大规模集成及在系统可编程的能力。同时,CPLD的价格也很便宜,具有较高的性价比.

经过综合考虑,本设计中采用单片机加CPLD的方案。单片机与CPLD的完美结合也将单片机的应用更上一层楼,使很多复杂的硬件电路集成在一片芯片上,大大的降低了布线的难度,简化了电路。相敏检测器PSD是系统中比较重要的部分,也是电路设计中比较复杂的部分。在本系统中,选用CPLD和乘法型D/A转换器来构成模拟乘法型相敏检测器。乘法型D/A转换器有数字输入、参考电压输入、模拟输出,工作原理如图3.3所示。


D/A转换器的输出为:

用CPLD储存正弦波的波形输入D/A转换器的数字输入端,将经过核磁共振放大器后的MRS信号输入D/A转换器的参考电压输入端,在模拟输出端就会得到二者相乘的结果,这样就用简单的电路实现了正弦波信号的产生以及与MRS信号的相乘,实现了相敏检测器的功能。

采集模块前面的核磁共振放大器实现了信号通道的功能。核磁共振放大器具有低噪声、高增益、中心频率和增益可调等优点,可以很好地满足信号通道的要求。而CPLD产生的正弦波信号频率、幅度、相位均可由上位机进行编程调整,产生了参考信号并实现了参考通道的功能。

3.3.2整体框图

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