1、波 譜 學(xué) 雜 志第 28卷第 1期2011年 3月 Chinese Journal of M agnetic Resonance Vo l. 28No. 1 M ar. 2011文章編號 :1000 4556(2011 01 067 09DPSD 在低場核磁共振回波信號 檢測中的應(yīng)用謝慶明 1, 肖立志 1*, 于慧俊 1, 朱萬里 2(1. 油氣資源與探測國家重點實驗室 , 中國石油大學(xué) (北京 , 北京 102249;2. 中國石油集團 測井有限公司 , 陜西 西安 710021摘 要 :核磁共振回波信號幅度微弱 , 容易受 到來自 電子器件 和外部 環(huán)境噪 聲的干 擾 , 要 求 回波

2、檢測方法既能實時采集回波數(shù)據(jù) , 又能較好的抑制 噪聲 . 對 比分析不 同微弱信 號檢測 方 法的優(yōu)缺點 , 歸納出 D PSD(D ig ital P hase Sensitiv ity D et ection 方法在回波檢測 應(yīng)用中的 優(yōu)越 性 . 通過仿真計算 , 提出適用于回波信號檢測 的最佳 濾波器窗 函數(shù) . 在自 制的核磁 共振儀 器 上進行實驗 , 結(jié)果表明 , DPSD 方法在 滿足回波信號實時測量的同時 , 有效壓制了 噪聲 , 能準 確的提取出低場核磁共振回波信號的幅度和相位信息 .關(guān)鍵詞 :核磁共振譜儀 ; 回波檢測 ; D PSD; 數(shù)字低通濾波 器中圖分類號 :P

3、 631. 83; O482. 53 文獻標識碼 :A引言核磁共振測井獲得的自旋回波信號能夠提供孔隙流體含量、 流體性質(zhì)、 流體分布等 重要信息 , 進而幫助確定地層孔隙度、 滲透率、 流體飽和度以及流體類型等參數(shù) , 已成 為一種應(yīng)用廣泛的地球物理測井新方法 1-3. 在石油勘探領(lǐng)域 , 低場核磁共振由于磁場 強度低 , 自旋回波信號微弱 , 常常淹沒在噪聲中 , 回波信號的采集和處理不僅要求具有 實時性 , 還要考慮來自儀器內(nèi)部和外界噪聲的影響 , 回波探測方法與噪聲削弱的設(shè)計尤 為重要 .收稿日期 :2010 12 20; 收修改稿日期 :2011 01 02基金項目 :國家自然科學(xué)基金

4、資助項目 (41074102 , 科技部國際合作資助項目 (2009DFA61030 .作者簡介 :謝 慶明 (1978 , 男 , 四川 越西 人 , 博 士研 究生 , 從事 NM R 測 井儀 研 究 . E mail:xieqingmin g. cup *:肖立志 , : E iaoliz cup. cn.1 低場核磁共振回波信號的檢測基于微弱信號檢測的方法有多種 , 常用的有取樣積分方法、 數(shù)字平均方法、 自相關(guān) 檢測 4, 5、 互相關(guān)檢測 6-13、 互功率譜檢測 14、 正弦自適應(yīng)檢測方法等 15, 不同檢測方 法的原理及優(yōu)缺點如表 1所示 .表 1 不同檢測方法對比T abl

5、e 1 Co mpa rison of v arious detection methods檢測方法 檢測原理 優(yōu)點 缺點取樣積分 將每個信號 周期 劃分 為 若干 個 時間間隔 , 在每 個 時間 間 隔 取 樣 信噪比隨 積分 時間 的增 加而 增大 , 適用 于信 號幅 度 較 小的 高頻信號信號幅 度較 大時 容易 引起 測量 誤差數(shù)字平均 在每個信號周期均勻取樣多次 運算過程 中不 會引 入噪 聲和 誤 差 , 沒有漏電和漂移問題 , 信噪 比與累加次數(shù)相關(guān) 適用 于低 頻和 中 頻信 號 , 取樣 脈沖寬度較寬 , 分辨率差自相關(guān) 利用噪聲在 不同 時刻 的 相關(guān) 特 性從噪聲中

6、提取 信號 的 幅度 和 頻率 當延遲 時間 較 大時 , 能 從噪 聲中檢測信號的幅度和頻率丟失了信號的相位特性互相關(guān) 利用同頻參 考信 號與 被 測信 號 作互相關(guān) 從噪聲 中提 取 信號 的 幅 度、頻率和相位信息諧波分量的幅度、次數(shù)、 相位等 信息都會丟失互功率譜 從參考信號 與被 測信 號 的互 相 關(guān)功率譜中 計算 被測 信 號的 幅 度 只要測 量時 間 無限 長 , 噪聲 可以被完 全排 除 , 而 且 不 存在 零漂問題譜分辨 率依 賴于 被測 信號 的信 噪比 , 譜 峰的 位 置易 受 被 測信 號的初相位的影響對比分析上述信號檢測方法的特點 , 選擇基于互相關(guān)檢測的 D

7、PSD(Dig ital Phase Sensitivity Detectio n 方法 16檢測低場核磁共振回波信號 . 一方面 , DPSD 方法適用于低 頻信號檢測 , 具有很高的線性度和較寬的動態(tài)范圍 (可大于 120dB ; 另一方面 , 在核磁 共振測井應(yīng)用中 , 感興趣的只是 1H 核自旋回波信號的幅度、 頻率和相位 , 對于疊加在 Larm or 頻率上的諧波分量并不是期望的信號 . 此外 , DPSD 算法在測量信噪比低至 -30 dB-60dB 的強噪聲背景下的弱信號幅值時仍具有很高的精度 17, 上述優(yōu)點對于低信 噪比的核磁共振信號檢測尤為重要 .回波信號的檢測與交變脈沖

8、的發(fā)射是密不可分的 . 根據(jù)磁場強度的高低 , 可以分為 低場 (0. 020T0. 350T 、 中場 (0. 500T1T 和高場 (1. 500T2T 系統(tǒng) 18, 根據(jù)應(yīng) 用領(lǐng)域的不同 , 譜儀硬件結(jié)構(gòu)和檢測方法也不一致 19-21. 以實驗室自制低場核磁共振譜 儀為例 , 該譜儀主要由發(fā)射通道、 接收通道和門控通道構(gòu)成 . 發(fā)射通道激發(fā)處于熱平衡 狀態(tài)的原子核在交變脈沖的作用下產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象 ; 接收通道將天線探測到的微弱核 磁共振信號轉(zhuǎn)換為電壓信號 , 信號增益后通過下變頻去除載波頻率 , 經(jīng)過 ADC(Analog Digital Converter 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后

9、送入數(shù)字信號處理芯片 (Dig ital Signal ,68波 譜 學(xué) 雜 志 第 28卷射頻脈沖的發(fā)射和核磁共振信號的接收 , 整個原理如圖 1所示 . 圖 1 脈沖發(fā)射與低場核磁共振回波信號采集原理圖Fig. 1 Diagram of pulse emis sion and echo detection回波檢測電路主要由 DSP 、 FPGA (Field Prog rammable Gate Array 、 ADC 和抗混 疊濾波器等器件組成 . 采集電路接收來自前置放大電路的回波信號 , 采樣時鐘由 FPGA 提供 . 經(jīng)過多級放大后的回波信號做抗混疊濾波處理、 模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入 FP

10、GA 緩存 , 緩 存的數(shù)據(jù)通過總線方式傳輸?shù)?DSP 中 . 另外 , DSP 生成一定位數(shù)的 DDS(Direct Digital Synthesis 控制和時序指令 , 產(chǎn)生 DDS 所需要的頻率字 , 通過 FPGA 傳輸給 DDS 芯片 , 由 DDS 芯片生成所需的時鐘信號返回給 FPGA. 控制和時序指令包括射頻脈沖的寬度、 回波采集個數(shù)、 回波間隔、 增益刻度等 . FPGA 完成整個電路的時序控制 , 控制 DDS 生 成脈沖序列所需的時鐘信號 , 并為回波采集電路提供精準的采樣時鐘 .2 DPSD 檢測方法與仿真2. 1 DPSD 原理DPSD 檢測方法能很好的抑制噪聲、

11、改善信號信噪比 , 主要應(yīng)用在微弱信號檢測領(lǐng) 域 22-24. 在實驗室自制低場核磁共振巖芯分析儀中 , 該檢測方法移植在 DSP 中實現(xiàn) , 檢測原理如圖 2所示 . 回波信號經(jīng)過高精度 ADC 器件由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后 , 與脈沖發(fā)射頻率一致的離散參考信號 r 1(n 和 r 2(n 相乘 , r 1(n 和 r 2(n 相位相差 90 . 回波信號與參考信號相乘后 , 2個通道均產(chǎn)生和頻分量和差頻分量信號 . 經(jīng)過低通濾波 器后 , 和頻分量信號和通帶外的噪聲被濾除 . 為了提高數(shù)據(jù)的信噪比 , 將多次采樣的回 波數(shù)據(jù)累加平均后 , 2個通道輸出分別為 U 01和 U 02, 其中

12、 :U 01=i 2cos , U 02=-i 2sin (1根據(jù) U 01和 U 02可分別計算出回波信號的幅度和相位值 , 從而實現(xiàn)回波信號幅度和相位 的檢測 . 其中 , E i 為第 i 個回波的電壓幅度 , 為信號相位 , U 0為輸出的電壓幅值 :U 0=01+U 02=i 2, =-arctan 02U 01(2, 處 , 69第 1期 謝慶明 等 :DP SD 在低場核磁共振回波信號檢測中的應(yīng)用再使用帶寬很窄的數(shù)字低通濾波器對原回波信號濾波 , 濾除和頻分量與冗余過采樣數(shù) 據(jù) , 從而實現(xiàn)準確地檢測核磁共振回波幅度和相位信息 . 在實際應(yīng)用中 , 數(shù)字低通濾波 器的幅頻特性決定

13、 DPSD 方法檢測回波信號的性能 . 主要由于 :(1 回波信號與同頻率的參考信號相乘后 , 會產(chǎn)生和頻分量和差頻分量 , 和頻分量 將原信號的頻譜搬移到 2倍原信號頻率處 , 這是不期望的結(jié)果 ;(2 來自于電子器件的熱噪聲、 散彈噪聲、 閃爍噪聲等與外界干擾噪聲疊加在一起 , 為了有效檢測出回波幅度和相位 , 數(shù)字低通濾波器需要濾除通帶外的多種噪聲 ;(3 DPSD 算法在 DSP 中實現(xiàn) , 低通濾波器的帶寬可以根據(jù)實際需要做的很窄 , 其 頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響 , 穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于帶通濾波器 ;(4 由于在采樣的過程中采用多倍采樣 , 過采樣使得回波信號的頻譜周期大于奈奎 斯特

14、采樣率 , 采樣后的信號頻率波形產(chǎn)生空隙 , 過采樣的數(shù)據(jù)點也需要通過設(shè)計的數(shù)字 低通濾波器濾除 , 因此濾波器的幅頻特性顯得尤為重要 .圖 2 DPSD 檢測方法原理Fig. 2 Diagram of DPSD detection2. 2 數(shù)字濾波器設(shè)計經(jīng)典的數(shù)字濾波器設(shè)計方法可分為 FIR 和 IIR 濾波器設(shè)計 . FIR 濾波器不僅能實現(xiàn) 穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出 , 而且在滿足幅頻響應(yīng)要求的同時 , 可以獲得嚴格的線性相位特性 , 這 對于核磁共振回波信號的檢測尤為重要 . 此外 , 由于受到 DSP 運算速度的限制 , 濾波器 的階數(shù)及整個檢測方法在 DSP 芯片中的運算時間不能超過回波間隔

15、 (T E 時間的一半 , 綜合以上因素采用復(fù)雜度較小的窗函數(shù)法設(shè)計數(shù)字低通濾波器 .不同的窗函數(shù)對信號頻譜的影響是不一樣的 , 這主要是因為不同的窗函數(shù) , 產(chǎn)生泄 漏的大小不一樣 , 頻率分辨能力也不一樣 . 常用的濾波器窗函數(shù)有 Rectang le 、 H anning 、 H am ming 、 Kaiser 、 Blackman 、 Gaussian 等 , Rectang le 窗主瓣窄 , 旁瓣大 , 頻率識別精 度最高 , 但幅值識別精度最低 ; Blackm an 窗主瓣寬 , 旁瓣小 , 頻率識別精度最低 , 但幅 值識別精度最高 ; Gaussian 窗可提高隨時間指數(shù)

16、衰減信號的信噪比 .理想的窗函數(shù) , 應(yīng)該具有最小的 3dB 帶寬 B (主瓣幅度歸一化 、 最小的邊瓣峰值 A 以及最大的邊瓣譜峰漸近衰減速度 D 25. 表 2對比分析了常用的幾種窗函數(shù)的性能 .由于回波信號隨時間指數(shù)衰減 , 在低場條件下伴隨著較強的干擾噪聲 , 而且大多數(shù) 噪聲符合正態(tài)分布特征 , 綜合表 2中濾波器的性能指標 , 選用 Gaussian 窗作為數(shù)字低通 濾波器窗函數(shù) . Gaussian 窗主瓣窄 , 邊瓣峰值較其他窗函數(shù)小 , 頻域的能量主要集中在 , . 70波 譜 學(xué) 雜 志 第 28卷關(guān)文獻 25.表 2 常用窗函數(shù)的性能T able 2 P erfo rma

17、nce o f var ious window functio ns窗函數(shù)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 : , 窗函數(shù)頻域帶寬 ; dB/oct, 濾波器衰減斜率 ; L K F (Lea

18、k age Factor , 泄露因子 .2. 3 算法仿真為了考察 DPSD 中數(shù)字低通濾波器的幅頻特性對檢測方法的影響 , 選用 Gaussian 窗數(shù)字低通濾波器考察仿真回波包絡(luò)的濾波效果 . 取無噪回波峰值幅度為 1mV, 共振 頻率 (Lar mor 頻率 為 10kH z, 采樣頻率 80kH z, 在回波中增加 5kH z 和 15kH z 的干 擾正弦信號 .圖 3 不同階數(shù) Gau ssian 低通濾波器降噪效果對比(a 帶噪回波 ; (b (d 8階、 16階、 32階濾波器濾波效果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 謝慶明 等 :DP SD 在低場核磁共振回波信號檢測中的應(yīng)用72 波 譜 學(xué) 雜 志 第 28 卷 增加噪聲后的回波包絡(luò)已經(jīng)失去指數(shù)衰減特征, 出現(xiàn)多個峰值點, 回波峰值幅度為 1. 707 m V, 遠大于無噪回波峰值幅度; 回波幅值較弱處已經(jīng)淹沒在噪聲中, 如圖 3( a 所 示. 分

20、別采用 8 階、 階和 32 階 Gaussian 低通濾波器對帶噪回波濾波, 從而決定在滿 16 足 DSP 處理速度的同時找到最佳的濾波器階數(shù). 經(jīng)過 8 階 Gaussian 低通濾波器后的回 波信號在峰值處仍然受到比較嚴重的噪聲干擾, 峰值點不連續(xù), 且出現(xiàn)多個峰值, 濾波 效果不理想, 如圖 3( b 所示; 回波信號經(jīng)過 16 階 Gaussian 低通濾波器后仍存在多個峰 值點, 峰值較弱處仍然受到較強噪聲的干擾, 但回波具有良好的包絡(luò)特性, 如圖 3( c 所 示; 經(jīng)過 32 階 Gaussian 低通濾波器后已經(jīng)濾除了大部分噪聲, 回波包絡(luò)明顯符合指數(shù) 衰減特征, 如圖 3

21、( d 所示. 為了定量分析不同窗函數(shù)濾波器在 DPSD 檢測方法中對回波幅度的檢測性能, 分別 選用幾種常用窗函數(shù)的 32 階低通、 帶通濾波器對模擬的回波信號進行分析, 以確定適合 于低場核磁共振回波信號濾波的最佳濾波器( 見表 3 . 其中, 設(shè)計的帶通濾波器帶寬為 4 kH z, 回波信號 8 倍采樣, 累加 10 次. 表 3 不同濾波器對 DPSD 方法的 影響( 單位: 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 從表 3 可以看出, 32 階 Rect ang le 低通濾波器由于邊瓣幅度大, 幅值識別精度低, 回波幅度過 壓制, 經(jīng) DP SD 檢測 后的幅 值為 0. 948 mV, 低 于無 噪回 波幅 度; 32 階 Blackm an 低通濾波器邊瓣幅度小, 幅值分辨率最高, 對頻率的識別精度低. 由于噪聲的 寬頻帶特

23、性, Blackman 濾波器對噪聲的削弱并不理想, 濾波后的峰值幅度為 1. 482 m V, 檢測的回波峰值仍疊加了大量噪聲; 32 階 Gaussian 低通濾波器經(jīng) DPSD 方法檢測的回 波峰值為 1. 096 mV, 最接近于無噪回波峰值, 與其他窗函數(shù)濾波器相比具有最佳的濾 波效果. 在 DP SD 檢測回波信號時, 帶通濾波器的噪聲削弱效果沒有低通濾波器的效果 好, 回波幅度的檢測并不理想. 這是因為: 與低通濾波器相比, 帶通濾波器的帶寬必須 很窄, 需要很高的 Q 值, 對噪聲的壓制效果才會理想. 而且?guī)V波器的頻帶寬度容易 受調(diào)制頻率的影響, 如果調(diào)制頻率為高頻, 其穩(wěn)

24、定性遠遠低于低通濾波器. 3 實驗分析 為了驗證 DP SD 方法在低場核磁共振回波檢測的有效性和 32 階 Gaussian 低通濾波 器的效果, 將 DPSD 檢測方法植入 DSP ( T MS320F2812 中, 結(jié)合 H albach 結(jié)構(gòu) 0. 100 T 和 0. 230 T 永磁體探頭對回波檢測方法進行驗證. 實驗樣品為純水, 采用 CPM G 脈沖序 列測量樣品的 T 2 值, 其中 90 脈沖寬度 9. 500 s, 180 脈沖寬度 19 s, 回波間隔 400 s. 將實驗室自制低場核磁共振譜儀分別連接到 0. 100 T 和 0. 230 T 探頭, 探頭的敏感 區(qū)域

25、為均勻磁場, 如圖 4( a 所示. 0. 100 T 探頭對應(yīng)的射頻頻率為 4. 258 M H z, 采樣頻 第1期 謝慶明 等: DP SD 在低場核磁共振回波信號檢測中的應(yīng)用 73 率為 34. 064 M H z; 0. 230 T 探頭對應(yīng)的射頻頻率 為 9. 793 M H z, 采樣頻率為 78. 347 MH z. 整個 DP SD 回波檢測方法在數(shù)字采集板中實現(xiàn), 圓圈區(qū)域為植入了 DPSD 檢測方 法的 DSP 芯片 T MS320F2812, 整塊數(shù)字采集板如圖 4( b 所示. 核磁共振譜儀分別在 0. 100 T 和 0. 230 T 探頭采集到的回波串信號, 經(jīng)

26、DPSD 方法檢測后的水樣頻譜, 如圖 4 ( c 和圖 4( d 所示. 經(jīng)濾波后回波信號帶寬很窄, 只有 1 個共振頻率點( L armo r 頻率 , 分別為 4. 258 M H z 和 9. 793 MH z, 其他頻率成分已被有效濾除. 左上角為水樣回波串 信號的反演 T 2 譜, T 2 弛豫時間具有很好的一致性, 均為 1 s 左右, 反演后的幅度未經(jīng)過 刻度. 在低場核磁共振回波檢測中, 由于射頻頻率較低, 檢測電路中仍然存在幅度較大 的 1/ f 噪聲, 受到儀器硬件靈敏度的限制, 還存在 20 nV 以下的微弱噪聲. 這些噪聲具 有寬頻帶的特性, 當落入低通濾波器的通帶內(nèi)

27、, 低通濾波器將無能為力. 但是, 較低的 噪聲幅值對于回波幅度的檢測影響不大. 圖4 Fig. 4 0. 100 T 和 0. 230 T 探頭回波串采集與濾波后的頻譜 D et ecti on of echo t rain s and spect rum usin g 0. 100 T an d 0. 230 T sensors ( a 低場核磁共振譜儀; ( b 數(shù)字采集板; ( c 0. 100 T 探頭的回波串頻譜; ( d 0. 230 T 探頭的回波串頻譜 ( 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 結(jié)論 將 DPSD 方法應(yīng)用于低場核磁共振回波信號檢測中, 噪聲能得到較好抑制, 回波數(shù) 據(jù)信噪比得到顯著改善. 根據(jù)不同 FIR 窗函數(shù)的性能指標和回波信號隨時間指數(shù)衰減的 74 波 譜 學(xué) 雜 志 第 28 卷 特點, 設(shè)計了低場核磁共振回波濾波的窗函數(shù)和濾波階數(shù); 結(jié)合 0. 100 T 和 0. 23

29、0 T 探 頭對 DPSD 檢測方法進行了驗證, 運用設(shè)計的數(shù)字 Gaussian 低通濾波器能濾除 L arm or 頻率以外的噪聲. 參考文獻: 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( 陸大衛(wèi) , Chai X i yu an( 柴細元 , e t al . N M R l ogg

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44、張新發(fā) , Liu Fu( 劉 富 , D ai Y i song( 戴 逸松 . St udy on D PSD algorit hm perf orm ance w it h pa ramet er sel ect ion( D PSD 算法性能研究及參數(shù)選擇 J . Journal of J ilin U n iversit y of Technol ogy ( 吉林工 業(yè)大 學(xué)學(xué)報 , 1998, 3( 28 : 40- 45. 24 Liu S heng hu ( 劉升虎 , Xi ng Y a m in( 邢亞敏 . A ppl ication of digit al p has e sensit ive d emodulat ion f or elect ro magneti c pr opagati on resist ivit y logging w h ile drilli ng( DPSD 技術(shù)在隨 鉆電阻率 測井中的 應(yīng)用 J . W ell Log ging T ech nology( 測井技術(shù) , 2008