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 核磁共振, 表达式

Bazinga

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


δω=ω0-ω1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



整体电路框图如图3.4所示，整个系统由单片机控制，再通过485通讯芯片由上位机进行操作。信号通过相敏检测器后，在由CPLD产生的采样时序控制下，通过A/D转换器进行采集，采集到的I、Q数据经过单片机送到上位机进行处理。单片机内部存储器的容量有限，采集到的数据需要先存储在外部存储器FRAM中，等上位机需要的时候再传送到上位机。锁相环PLL起倍频作用，为了输出频率更精确的正弦参考信号。整个采集模块的开始采集时间、采样率、采集结束时间都可以由上位机进行控制。