基于FPGA的低场核磁共振谱仪脉冲编程器设计与实现

脉冲编程器在核磁共振(NMR) 谱仪中非常重要,具有产生脉冲序列所需的射频脉冲,控制回波信号的同步接收等功能. 基于FPGA的同步性能和时序控制功能,设计了低场NMR谱仪的脉冲编程器,可产生任意脉冲序列,实现脉冲频率、相位、幅度的灵活调节. 利用设计的脉冲编程器在0.540 Tesla均匀磁场下进行了CuSO₄溶液的T₁和T₂测量,得到高信噪比的NMR回波串.     

一种改进的核磁共振测井测量脉冲序列

提出了一种可以提高核磁共振测井测量速度的新型测量脉冲序列,它基于对原有CPMG测量脉冲序列的改进.在原有的测量序列中,在一个CPMG脉冲序列结束之后,直接进行等待(T₁延时),以使磁化强度矢量能够完全恢复到平衡位置,然后再进行下一个CPMG脉冲序列的测量.由于测井仪器的连续运动,在测量含有长T₁成分的地层时,等待时间需要取得较长,使得测井速度很低.但在实际地层中,恰恰又是油气的T₁较长,这无疑给核磁共振测井带来了麻烦.作者发现,如果在一个CPMG脉冲序列结束之后在-x方向先施加一个90°脉冲(或在x方向施加一个270°脉冲),再进行等待,就能更好地使长T₁成分得到极化,从而缩短等待时间、提高测量速度.文中对这种改进后的脉冲序列进行了计算和分析,证明它确实具有一定的优越性.     

2D NMR技术在石油测井中的应用

近几年,2D NMR技术得到迅速发展,特别是在核磁共振测井领域. 该文将主要介绍2D NMR技术的脉冲序列、弛豫原理以及2D NMR技术在石油测井中应用. 2D NMR技术是在梯度场的作用下,利用一系列回波时间间隔不同的CPMG脉冲进行测量,利用二维的数学反演得到2D NMR. 2D NMR技术可以直接测量自扩散系数、弛豫时间、原油粘度、含油饱和度、可动水饱和度、孔隙度、渗透率等地层流体性质和岩石物性参数. 从2D NMR谱上,可以直观的区分油、气、水,判断储层润湿性,确定内部磁场梯度等. 2D NMR技术为识别流体类型提供了新方法.     

通过高斯加权的1H CPMG弛豫曲线测定橡胶交联密度

CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）回波法是测量橡胶交联密度[常用交联点之间的分子量（M_c）表示]的一种常用核磁共振（NMR）技术,但实验发现通过该技术获得的M_c对于CPMG序列中脉冲间隔时间具有较强的依赖性,导致交联密度NMR测量值与橡胶材料硬度的相关性低.为了克服这一缺点,本文对不同脉冲间隔时间下CPMG实验测得的质子横向驰豫曲线进行高斯加权.通过对高斯加权求和后的质子横向驰豫曲线进行处理分析,实现了对橡胶交联密度更加准确地测量,大幅提升了天然橡胶交联密度NMR测量值与材料硬度的相关性.本文方案测量能获得与¹H DQ NMR方法相当,或比之更佳的交联密度-硬度相关性.同时,本文方案比¹H DQ NMR方法更为高效,整体测量时间缩短为¹H DQ NMR实验时间的1/10.     

基于FPGA的PLC数据输出控制IP核设计

提出应用FPGA设计PLC数据输出控制IP核的思路。该IP核执行输出数据相关命令时,在内部时序脉冲控制下按照Y编号地址自主完成数据在存储单元的寻址和读写操作;论述了控制器的工作原理和电路设计,应用Verilog语言实现硬件电路的构建及功能;测试表明:该IP核可以自主完成对数据处理和输出要求,使数据输出与系统其它功能模块实现并行处理,提高了PLC运行速度。     

一种降低井下核磁共振振铃的新方法

核磁共振（NMR）测井仪在测量过程中,振铃噪声幅度一般很高,会影响回波信号的检测. 常用的交叉相位对脉冲序列（PAPS）虽然能有效地降低振铃影响,但由于振铃与频率有关,使PAPS叠加只能在同频率之间展开,大大降低了NMR测井的纵向分辨率. 利用回波信号和振铃噪声的相位特征,设计了一种脉冲序列,采用PAPS和回波间叠加相结合的方式降低振铃噪声. 研究表明,相对于PAPS技术,提高了测量效率,同时提高了回波串的信噪比和NMR测井的纵向分辨率.     

基于数字调制技术的核磁共振射频脉冲发生器

在核磁共振（NMR）领域,射频脉冲信号的质量、形状对NMR性能及应用有着重要影响.本文基于现场可编程门阵列（FPGA）和直接数字频率合成（DDS）芯片AD9910设计了一种硬件结构更为简单的NMR射频脉冲发生器,实现了射频脉冲各项参数的数字化调制.其频率、相位、振幅的控制精度分别达到了32位、16位和14位,脉冲调制的时间精度为0.01 μs,可灵活生成持续时间不小于0.1 μs、载波频率不高于400 MHz的各类软脉冲和硬脉冲.同时,针对脉冲序列的特点建立了"脉冲+延时"的基础模型,提出了一种通用性更强的列表式脉冲序列控制方案,精简了对上级控制单元的控制需求.此外,对射频脉冲信号的频谱特性进行了理论分析,并采用Hanning窗对软脉冲的包络波形进行了优化处理,仿真和实验结果表明,Hanning窗可以有效抑制软脉冲的频谱泄漏问题.     

基于FPGA自主控制浮点加减乘除控制器设计

为实现一种多浮点操作数乘法运算的自主运算控制器,提出了一种基于FPGA并行操作的硬连接电路的多浮点数乘法运算控制器及其时序控制的方法,该控制器对一条多浮点操作数乘法运算指令的命令字和多浮点操作数连续写入并存储,在内部时序脉冲作用下,可以自主完成读出浮点操作数执行乘法运算,写入存储多浮点操作数过程与执行乘法运算命令的过程能够并行进行;在控制器执行乘法运算命令过程中,系统可以读出执行命令过程中的中间结果和最终运算结果;论述了该控制器的电路构成和基本原理,分析命令字与多操作数在内部时序脉冲作用下的执行过程,应用Verilog HDL语言实现相关硬件的构建和连接;设计完成后通过仿真测试可知,该控制器运行的最高频率为250 MHz,从输入到输出端口最小延时是3.185 ns,最大延时是15.336 ns,且能够自主完成浮点数乘法运算。     

基于FPGA自主控制浮点加减控制器设计

为实现一种能够自主完成浮点数加/减运算功能的浮点数加/减运算执行控制器,提出了一种基于采用FPGA并行操作电路硬连接的浮点数加/减运算控制电路及其时序控制方法;该控制器在接收到操作数类型与参与运算的操作数后,在内部时序脉冲作用下,可以自主完成操作数的配置以及浮点数加/减法运算的功能,运算结果传输到系统数据总线;论述了该控制器的电路构成和基本原理,分析操作数类型与操作数在内部时序脉冲作用下的执行过程,应用Verilog HDL语言实现相关硬件的构建和连接;设计完成后通过仿真测试可知,该控制器运行的最高频率可达178.317 M,从输入端口到输出端口的延时数据为:最小延时是3.185 ns,最大延时是15.336 ns,耗用的IO输入输出端口占总资源的27.92%,数据表明该控制器提高了运算器的运算速度,且能够自主完成浮点数加/减运算。     

面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发 电路设计与测试*

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列为探头的超声成像系统,设计了一种兼具现场可编程门阵列(FPGA)控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用FPGA产生64路控制信号,控制脉冲信号的频率、脉冲个数、占空比等参数;脉冲电路在FPGA以及直流电压的控制下,产生32路脉冲信号;接收电路通过跨阻放大结构实现32路电流信号检测;32通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的T/R开关进行高压隔离。通过搭建测试平台,对收发电路功能及一致性进行测试,并连接CMUT进行自发自收测试。测试结果表明,32通道收发电路具有良好的一致性,电路可以实现基于CMUT阵列的32通道超声信号的发射,检测回波信号,并对CMUT器件的带宽进行测试。电路具有功能完善,结构稳定的优点,为基于CMUT阵列的超声成像系统的应用提供了硬件支持。     

核磁共振测井受激回波校正方法研究

核磁共振测井中,受激回波导致CPMG序列中前2个回波与期望值存在较大差异,严重影响仪器信噪比和储层评价效果. 为进一步改善核磁共振测井仪性能,通过探究受激回波产生机理,揭示其对CPMG回波串作用规律,提出了受激回波的校正方法. 同时针对仪器负载不同,相同发射功率产生射频场强度各异的特性,建立受激回波校正系数与射频场强的数学关系,在不同应用环境中实现对CPMG测量结果的校正. 实验表明,在信噪比较低的应用环境中,采用传统的舍去前2个回波的方法误差达24.58%,而该文设计的校正算法误差仅为4.9%.     

Application of optimal control to CPMG refocusing pulse design

We apply optimal control theory (OCT) to the design of refocusing pulses suitable for the CPMG sequence that are robust over a wide range of B(0) and B(1) offsets. We also introduce a model, based on recent progress in the analysis of unitary dynamics in the field of quantum information processing (QIP), that describes the multiple refocusing dynamics of the CPMG sequence as a dephasing Pauli channel. This model provides a compact characterization of the consequences and severity of residual pulse errors. We illustrate the methods by considering a specific example of designing and analyzing broadband OCT refocusing pulses of length 10t(180) that are constrained by the maximum instantaneous pulse power. We show that with this refocusing pulse, the CPMG sequence can refocus over 98% of magnetization for resonance offsets up to 3.2 times the maximum RF amplitude, even in the presence of ±10% RF inhomogeneity.     

Categories of coherence pathways for the CPMG sequence

The CPMG sequence has been extremely useful for efficient measurements of NMR signal, spin-spin relaxation, and diffusion, particularly in inhomogeneous magnetic fields, such as when samples are outside the magnet and RF coil. Due to the inaccuracy of the pulses and the off-resonance effects, the CPMG echoes have contributions from the Hahn echo as well as signals that are similar to stimulated echoes. The systematic understanding of the CPMG pulse sequence requires decomposing the magnetization dynamics into different coherence pathways. In this paper, we describe a method to classify the CPMG coherence pathways and illustrate the nature of these types of pathways. This classification shows that direct echo and stimulated echoes are the major contribution to the CPMG signal. It also provides a clear understanding of the effect of restricted diffusion in porous media.     

基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台

针对台式核磁共振谱仪便携化、小型化的发展趋势，开发了一套基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，将控制/通讯部分、脉冲序列控制部分、射频发射部分与信号接收部分集成于一卡，并可实现两种工作模式. 工作模式1：系统基于USB与一台个人计算机通讯，由计算机控制来完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务；工作模式2：系统由集成的微处理器控制，不需要计算机的参与，独立完成整个工作进程. 本文详细介绍了该谱仪控制台的设计思路和硬件结构，给出了常规NMR序列的实验结果.     

Spin-lock techniques and CPMG imaging sequences: a critical appraisal of T1p contrast at 0.15 T

The addition of a spin-lock preparatory sequence to a Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) imaging sequence provides a method which allows an accurate and simple comparison of T1p and T2 contrast. Sagittal and axial brain images, produced with the application of a three pulse preparatory spin-lock sequence prior to a sixteen-echo CPMG imaging sequence, are compared with images acquired without the spin-lock sequence. The CPMG sequence uses non-selective refocusing pulses. Therefore, observed echo signals accurately reflect T2 relaxation. This allows a convenient method for assessing the degree to which T1p and T2 contrast differ. The spin-lock CPMG (SL-CPMG) images were acquired with a spin-locking field amplitude of 0.4 G and resemble heavily T2-weighted images at 0.15 T. Quantitative analyses of signal intensities from edema and normal brain tissue confirm the qualitative observations. This in vivo method should prove useful for determining when the additional RF power deposition associated with spin-locking techniques will provide an alternate form of tissue contrast than that available from additional echo collection.     

核磁共振波谱仪接收机的设计与实现

介绍了液体高分辨率核磁共振波谱仪接收机的设计. 接收机以PCI-104为控制器实现网络通信与采样流程控制,通过FPGA（Field Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列）实现数字中频接电路的控制和数据处理,简化了硬件结构;通过在接收机中引入脉冲序列生成器,产生接收机所需的采样控制信号,降低接收机与系统其他模块的耦合度. 最后组成500 MHz核磁共振波谱仪实现核磁共振信号的检测.     

"Cooking the sample": radiofrequency induced heating during solid-state NMR experiments

Dissipation of radiofrequency (RF) energy as heat during continuous wave decoupling in solid-state NMR experiment was examined outside the conventional realm of such phenomena. A significant temperature increase could occur while performing dynamic NMR measurements provided the sample contains polar molecules and the sequence calls for relatively long applications of RF power. It was shown that the methyl flip motion in dimethylsulfone (DMS) is activated by the decoupling RF energy conversion to heat during a CODEX pulse sequence. This introduced a significant bias in the correlation time–temperature dependency measurement used to obtain the activation energy of the motion. By investigating the dependency of the temperature increase in hydrated lead nitrate on experimental parameters during high-power decoupling one-pulse experiments, the mechanisms for the RF energy deposition was identified. The samples were heated due to dissipation of the energy absorbed by dielectric losses, a phenomenon commonly known as “microwave” heating. It was thus established that during solid-state NMR experiments at moderate B₀ fields, RF heating could lead to the heating of samples containing polar molecules such as hydrated polymers and inorganic solids. In particular, this could result in systematic errors for slow dynamics measurements by solid-state NMR.