DPSD在低场核磁共振回波信号检测中的应用

1、波 谱 学 杂 志第 28卷第 1期2011年 3月 Chinese Journal of M agnetic Resonance Vo l. 28No. 1 M ar. 2011文章编号 :1000 4556(2011 01 067 09DPSD 在低场核磁共振回波信号 检测中的应用谢庆明 1, 肖立志 1*, 于慧俊 1, 朱万里 2(1. 油气资源与探测国家重点实验室 , 中国石油大学 (北京 , 北京 102249;2. 中国石油集团 测井有限公司 , 陕西 西安 710021摘 要 :核磁共振回波信号幅度微弱 , 容易受 到来自 电子器件 和外部 环境噪 声的干 扰 , 要 求 回波

2、检测方法既能实时采集回波数据 , 又能较好的抑制 噪声 . 对 比分析不 同微弱信 号检测 方 法的优缺点 , 归纳出 D PSD(D ig ital P hase Sensitiv ity D et ection 方法在回波检测 应用中的 优越 性 . 通过仿真计算 , 提出适用于回波信号检测 的最佳 滤波器窗 函数 . 在自 制的核磁 共振仪 器 上进行实验 , 结果表明 , DPSD 方法在 满足回波信号实时测量的同时 , 有效压制了 噪声 , 能准 确的提取出低场核磁共振回波信号的幅度和相位信息 .关键词 :核磁共振谱仪 ; 回波检测 ; D PSD; 数字低通滤波 器中图分类号 :P

3、 631. 83; O482. 53 文献标识码 :A引言核磁共振测井获得的自旋回波信号能够提供孔隙流体含量、 流体性质、 流体分布等 重要信息 , 进而帮助确定地层孔隙度、 渗透率、 流体饱和度以及流体类型等参数 , 已成 为一种应用广泛的地球物理测井新方法 1-3. 在石油勘探领域 , 低场核磁共振由于磁场 强度低 , 自旋回波信号微弱 , 常常淹没在噪声中 , 回波信号的采集和处理不仅要求具有 实时性 , 还要考虑来自仪器内部和外界噪声的影响 , 回波探测方法与噪声削弱的设计尤 为重要 .收稿日期 :2010 12 20; 收修改稿日期 :2011 01 02基金项目 :国家自然科学基金

4、资助项目 (41074102 , 科技部国际合作资助项目 (2009DFA61030 .作者简介 :谢 庆明 (1978 , 男 , 四川 越西 人 , 博 士研 究生 , 从事 NM R 测 井仪 研 究 . E mail:xieqingmin g. cup *:肖立志 , : E iaoliz cup. cn.1 低场核磁共振回波信号的检测基于微弱信号检测的方法有多种 , 常用的有取样积分方法、 数字平均方法、 自相关 检测 4, 5、 互相关检测 6-13、 互功率谱检测 14、 正弦自适应检测方法等 15, 不同检测方 法的原理及优缺点如表 1所示 .表 1 不同检测方法对比T abl

5、e 1 Co mpa rison of v arious detection methods检测方法 检测原理 优点 缺点取样积分 将每个信号 周期 划分 为 若干 个 时间间隔 , 在每 个 时间 间 隔 取 样 信噪比随 积分 时间 的增 加而 增大 , 适用 于信 号幅 度 较 小的 高频信号信号幅 度较 大时 容易 引起 测量 误差数字平均 在每个信号周期均匀取样多次 运算过程 中不 会引 入噪 声和 误 差 , 没有漏电和漂移问题 , 信噪 比与累加次数相关 适用 于低 频和 中 频信 号 , 取样 脉冲宽度较宽 , 分辨率差自相关 利用噪声在 不同 时刻 的 相关 特 性从噪声中

6、提取 信号 的 幅度 和 频率 当延迟 时间 较 大时 , 能 从噪 声中检测信号的幅度和频率丢失了信号的相位特性互相关 利用同频参 考信 号与 被 测信 号 作互相关 从噪声 中提 取 信号 的 幅 度、频率和相位信息谐波分量的幅度、次数、 相位等 信息都会丢失互功率谱 从参考信号 与被 测信 号 的互 相 关功率谱中 计算 被测 信 号的 幅 度 只要测 量时 间 无限 长 , 噪声 可以被完 全排 除 , 而 且 不 存在 零漂问题谱分辨 率依 赖于 被测 信号 的信 噪比 , 谱 峰的 位 置易 受 被 测信 号的初相位的影响对比分析上述信号检测方法的特点 , 选择基于互相关检测的 D

7、PSD(Dig ital Phase Sensitivity Detectio n 方法 16检测低场核磁共振回波信号 . 一方面 , DPSD 方法适用于低 频信号检测 , 具有很高的线性度和较宽的动态范围 (可大于 120dB ; 另一方面 , 在核磁 共振测井应用中 , 感兴趣的只是 1H 核自旋回波信号的幅度、 频率和相位 , 对于叠加在 Larm or 频率上的谐波分量并不是期望的信号 . 此外 , DPSD 算法在测量信噪比低至 -30 dB-60dB 的强噪声背景下的弱信号幅值时仍具有很高的精度 17, 上述优点对于低信 噪比的核磁共振信号检测尤为重要 .回波信号的检测与交变脉冲

8、的发射是密不可分的 . 根据磁场强度的高低 , 可以分为 低场 (0. 020T0. 350T 、 中场 (0. 500T1T 和高场 (1. 500T2T 系统 18, 根据应 用领域的不同 , 谱仪硬件结构和检测方法也不一致 19-21. 以实验室自制低场核磁共振谱 仪为例 , 该谱仪主要由发射通道、 接收通道和门控通道构成 . 发射通道激发处于热平衡 状态的原子核在交变脉冲的作用下产生核磁共振现象 ; 接收通道将天线探测到的微弱核 磁共振信号转换为电压信号 , 信号增益后通过下变频去除载波频率 , 经过 ADC(Analog Digital Converter 将模拟信号转换为数字信号后

9、送入数字信号处理芯片 (Dig ital Signal ,68波 谱 学 杂 志 第 28卷射频脉冲的发射和核磁共振信号的接收 , 整个原理如图 1所示 . 图 1 脉冲发射与低场核磁共振回波信号采集原理图Fig. 1 Diagram of pulse emis sion and echo detection回波检测电路主要由 DSP 、 FPGA (Field Prog rammable Gate Array 、 ADC 和抗混 叠滤波器等器件组成 . 采集电路接收来自前置放大电路的回波信号 , 采样时钟由 FPGA 提供 . 经过多级放大后的回波信号做抗混叠滤波处理、 模数转换后送入 FP

10、GA 缓存 , 缓 存的数据通过总线方式传输到 DSP 中 . 另外 , DSP 生成一定位数的 DDS(Direct Digital Synthesis 控制和时序指令 , 产生 DDS 所需要的频率字 , 通过 FPGA 传输给 DDS 芯片 , 由 DDS 芯片生成所需的时钟信号返回给 FPGA. 控制和时序指令包括射频脉冲的宽度、 回波采集个数、 回波间隔、 增益刻度等 . FPGA 完成整个电路的时序控制 , 控制 DDS 生 成脉冲序列所需的时钟信号 , 并为回波采集电路提供精准的采样时钟 .2 DPSD 检测方法与仿真2. 1 DPSD 原理DPSD 检测方法能很好的抑制噪声、

11、改善信号信噪比 , 主要应用在微弱信号检测领 域 22-24. 在实验室自制低场核磁共振岩芯分析仪中 , 该检测方法移植在 DSP 中实现 , 检测原理如图 2所示 . 回波信号经过高精度 ADC 器件由模拟信号转换为数字信号后 , 与脉冲发射频率一致的离散参考信号 r 1(n 和 r 2(n 相乘 , r 1(n 和 r 2(n 相位相差 90 . 回波信号与参考信号相乘后 , 2个通道均产生和频分量和差频分量信号 . 经过低通滤波 器后 , 和频分量信号和通带外的噪声被滤除 . 为了提高数据的信噪比 , 将多次采样的回 波数据累加平均后 , 2个通道输出分别为 U 01和 U 02, 其中

12、 :U 01=i 2cos , U 02=-i 2sin (1根据 U 01和 U 02可分别计算出回波信号的幅度和相位值 , 从而实现回波信号幅度和相位 的检测 . 其中 , E i 为第 i 个回波的电压幅度 , 为信号相位 , U 0为输出的电压幅值 :U 0=01+U 02=i 2, =-arctan 02U 01(2, 处 , 69第 1期 谢庆明 等 :DP SD 在低场核磁共振回波信号检测中的应用再使用带宽很窄的数字低通滤波器对原回波信号滤波 , 滤除和频分量与冗余过采样数 据 , 从而实现准确地检测核磁共振回波幅度和相位信息 . 在实际应用中 , 数字低通滤波 器的幅频特性决定

13、 DPSD 方法检测回波信号的性能 . 主要由于 :(1 回波信号与同频率的参考信号相乘后 , 会产生和频分量和差频分量 , 和频分量 将原信号的频谱搬移到 2倍原信号频率处 , 这是不期望的结果 ;(2 来自于电子器件的热噪声、 散弹噪声、 闪烁噪声等与外界干扰噪声叠加在一起 , 为了有效检测出回波幅度和相位 , 数字低通滤波器需要滤除通带外的多种噪声 ;(3 DPSD 算法在 DSP 中实现 , 低通滤波器的带宽可以根据实际需要做的很窄 , 其 频带宽度不受调制频率的影响 , 稳定性也远远优于带通滤波器 ;(4 由于在采样的过程中采用多倍采样 , 过采样使得回波信号的频谱周期大于奈奎 斯特

14、采样率 , 采样后的信号频率波形产生空隙 , 过采样的数据点也需要通过设计的数字 低通滤波器滤除 , 因此滤波器的幅频特性显得尤为重要 .图 2 DPSD 检测方法原理Fig. 2 Diagram of DPSD detection2. 2 数字滤波器设计经典的数字滤波器设计方法可分为 FIR 和 IIR 滤波器设计 . FIR 滤波器不仅能实现 稳定的系统输出 , 而且在满足幅频响应要求的同时 , 可以获得严格的线性相位特性 , 这 对于核磁共振回波信号的检测尤为重要 . 此外 , 由于受到 DSP 运算速度的限制 , 滤波器 的阶数及整个检测方法在 DSP 芯片中的运算时间不能超过回波间隔

15、 (T E 时间的一半 , 综合以上因素采用复杂度较小的窗函数法设计数字低通滤波器 .不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的 , 这主要是因为不同的窗函数 , 产生泄 漏的大小不一样 , 频率分辨能力也不一样 . 常用的滤波器窗函数有 Rectang le 、 H anning 、 H am ming 、 Kaiser 、 Blackman 、 Gaussian 等 , Rectang le 窗主瓣窄 , 旁瓣大 , 频率识别精 度最高 , 但幅值识别精度最低 ; Blackm an 窗主瓣宽 , 旁瓣小 , 频率识别精度最低 , 但幅 值识别精度最高 ; Gaussian 窗可提高随时间指数

16、衰减信号的信噪比 .理想的窗函数 , 应该具有最小的 3dB 带宽 B (主瓣幅度归一化 、 最小的边瓣峰值 A 以及最大的边瓣谱峰渐近衰减速度 D 25. 表 2对比分析了常用的几种窗函数的性能 .由于回波信号随时间指数衰减 , 在低场条件下伴随着较强的干扰噪声 , 而且大多数 噪声符合正态分布特征 , 综合表 2中滤波器的性能指标 , 选用 Gaussian 窗作为数字低通 滤波器窗函数 . Gaussian 窗主瓣窄 , 边瓣峰值较其他窗函数小 , 频域的能量主要集中在 , . 70波 谱 学 杂 志 第 28卷关文献 25.表 2 常用窗函数的性能T able 2 P erfo rma

17、nce o f var ious window functio ns窗函数B A D L K F Rectangle0. 890 -13d B -6dB/oct 9. 300%H anning1. 440 -32d B -18dB/oct 0. 050%H amming1. 300 -43d B -6dB/oct 0. 040%Kaiser1. 710 -55d B -18dB/oct 0Blackman1. 680 -58d B -18dB/oct 0Gauss ian 1. 650 -55d B /0 注 : , 窗函数频域带宽 ; dB/oct, 滤波器衰减斜率 ; L K F (Lea

18、k age Factor , 泄露因子 .2. 3 算法仿真为了考察 DPSD 中数字低通滤波器的幅频特性对检测方法的影响 , 选用 Gaussian 窗数字低通滤波器考察仿真回波包络的滤波效果 . 取无噪回波峰值幅度为 1mV, 共振 频率 (Lar mor 频率 为 10kH z, 采样频率 80kH z, 在回波中增加 5kH z 和 15kH z 的干 扰正弦信号 .图 3 不同阶数 Gau ssian 低通滤波器降噪效果对比(a 带噪回波 ; (b (d 8阶、 16阶、 32阶滤波器滤波效果Fig. 3 Com paris on of n oise redu ction gener

19、ated by Gaus sian low pass filter in differ ent order (a noisy echo; (b (d de noisin g results of 8order s, 16order s and 32orders Gaus sian filter 71第 1期 谢庆明 等 :DP SD 在低场核磁共振回波信号检测中的应用72 波 谱 学 杂 志 第 28 卷 增加噪声后的回波包络已经失去指数衰减特征, 出现多个峰值点, 回波峰值幅度为 1. 707 m V, 远大于无噪回波峰值幅度; 回波幅值较弱处已经淹没在噪声中, 如图 3( a 所 示. 分

20、别采用 8 阶、 阶和 32 阶 Gaussian 低通滤波器对带噪回波滤波, 从而决定在满 16 足 DSP 处理速度的同时找到最佳的滤波器阶数. 经过 8 阶 Gaussian 低通滤波器后的回 波信号在峰值处仍然受到比较严重的噪声干扰, 峰值点不连续, 且出现多个峰值, 滤波 效果不理想, 如图 3( b 所示; 回波信号经过 16 阶 Gaussian 低通滤波器后仍存在多个峰 值点, 峰值较弱处仍然受到较强噪声的干扰, 但回波具有良好的包络特性, 如图 3( c 所 示; 经过 32 阶 Gaussian 低通滤波器后已经滤除了大部分噪声, 回波包络明显符合指数 衰减特征, 如图 3

21、( d 所示. 为了定量分析不同窗函数滤波器在 DPSD 检测方法中对回波幅度的检测性能, 分别 选用几种常用窗函数的 32 阶低通、 带通滤波器对模拟的回波信号进行分析, 以确定适合 于低场核磁共振回波信号滤波的最佳滤波器( 见表 3 . 其中, 设计的带通滤波器带宽为 4 kH z, 回波信号 8 倍采样, 累加 10 次. 表 3 不同滤波器对 DPSD 方法的 影响( 单位: mV T able 3 R esults o f DPSD detect ion using var ious filters ( unit: mV Filt er Low Pass Band Pass Rect

22、 angle 0. 948 1. 668 H anning 1. 216 1. 525 H am ming 1. 131 1. 557 K ais er 1. 158 1. 334 Blackman 1. 482 1. 237 G aus sian 1. 096 1. 220 从表 3 可以看出, 32 阶 Rect ang le 低通滤波器由于边瓣幅度大, 幅值识别精度低, 回波幅度过 压制, 经 DP SD 检测 后的幅 值为 0. 948 mV, 低 于无 噪回 波幅 度; 32 阶 Blackm an 低通滤波器边瓣幅度小, 幅值分辨率最高, 对频率的识别精度低. 由于噪声的 宽频带特

23、性, Blackman 滤波器对噪声的削弱并不理想, 滤波后的峰值幅度为 1. 482 m V, 检测的回波峰值仍叠加了大量噪声; 32 阶 Gaussian 低通滤波器经 DPSD 方法检测的回 波峰值为 1. 096 mV, 最接近于无噪回波峰值, 与其他窗函数滤波器相比具有最佳的滤 波效果. 在 DP SD 检测回波信号时, 带通滤波器的噪声削弱效果没有低通滤波器的效果 好, 回波幅度的检测并不理想. 这是因为: 与低通滤波器相比, 带通滤波器的带宽必须 很窄, 需要很高的 Q 值, 对噪声的压制效果才会理想. 而且带通滤波器的频带宽度容易 受调制频率的影响, 如果调制频率为高频, 其稳

24、定性远远低于低通滤波器. 3 实验分析 为了验证 DP SD 方法在低场核磁共振回波检测的有效性和 32 阶 Gaussian 低通滤波 器的效果, 将 DPSD 检测方法植入 DSP ( T MS320F2812 中, 结合 H albach 结构 0. 100 T 和 0. 230 T 永磁体探头对回波检测方法进行验证. 实验样品为纯水, 采用 CPM G 脉冲序 列测量样品的 T 2 值, 其中 90 脉冲宽度 9. 500 s, 180 脉冲宽度 19 s, 回波间隔 400 s. 将实验室自制低场核磁共振谱仪分别连接到 0. 100 T 和 0. 230 T 探头, 探头的敏感 区域

25、为均匀磁场, 如图 4( a 所示. 0. 100 T 探头对应的射频频率为 4. 258 M H z, 采样频 第1期 谢庆明 等: DP SD 在低场核磁共振回波信号检测中的应用 73 率为 34. 064 M H z; 0. 230 T 探头对应的射频频率 为 9. 793 M H z, 采样频率为 78. 347 MH z. 整个 DP SD 回波检测方法在数字采集板中实现, 圆圈区域为植入了 DPSD 检测方 法的 DSP 芯片 T MS320F2812, 整块数字采集板如图 4( b 所示. 核磁共振谱仪分别在 0. 100 T 和 0. 230 T 探头采集到的回波串信号, 经

26、DPSD 方法检测后的水样频谱, 如图 4 ( c 和图 4( d 所示. 经滤波后回波信号带宽很窄, 只有 1 个共振频率点( L armo r 频率 , 分别为 4. 258 M H z 和 9. 793 MH z, 其他频率成分已被有效滤除. 左上角为水样回波串 信号的反演 T 2 谱, T 2 弛豫时间具有很好的一致性, 均为 1 s 左右, 反演后的幅度未经过 刻度. 在低场核磁共振回波检测中, 由于射频频率较低, 检测电路中仍然存在幅度较大 的 1/ f 噪声, 受到仪器硬件灵敏度的限制, 还存在 20 nV 以下的微弱噪声. 这些噪声具 有宽频带的特性, 当落入低通滤波器的通带内

27、, 低通滤波器将无能为力. 但是, 较低的 噪声幅值对于回波幅度的检测影响不大. 图4 Fig. 4 0. 100 T 和 0. 230 T 探头回波串采集与滤波后的频谱 D et ecti on of echo t rain s and spect rum usin g 0. 100 T an d 0. 230 T sensors ( a 低场核磁共振谱仪; ( b 数字采集板; ( c 0. 100 T 探头的回波串频谱; ( d 0. 230 T 探头的回波串频谱 ( a l ow f ield N M R s pect rom et er; ( b digit al acquisit

28、ion board; ( c f requency spect rum of echo t rains u sing 0. 100 T sensor; ( d f requency s pect ru m of ech o t rains using 0. 230 T sen sor 4 结论 将 DPSD 方法应用于低场核磁共振回波信号检测中, 噪声能得到较好抑制, 回波数 据信噪比得到显著改善. 根据不同 FIR 窗函数的性能指标和回波信号随时间指数衰减的 74 波 谱 学 杂 志 第 28 卷 特点, 设计了低场核磁共振回波滤波的窗函数和滤波阶数; 结合 0. 100 T 和 0. 23

29、0 T 探 头对 DPSD 检测方法进行了验证, 运用设计的数字 Gaussian 低通滤波器能滤除 L arm or 频率以外的噪声. 参考文献: 1 Coat es G R , Xiao L Z, Pram mer M G . N M R l ogging: principles an d appl icati on s M . T exas: G ul f Prof es sional Pu blish ing, 2000. 2 Xiao Li zh i( 肖立志 , Lu Da w ei( 陆大卫 , Chai X i yu an( 柴细元 , e t al . N M R l ogg

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