中国吉林大学自主研制的JLMRS-I型系统和法国的NUMIS-Plus系统采用的都是收发线圈一体工作方式,即发射线圈和接收线圈是同一线圈,通过高压继电器控制线圈和接收电路通断。但是,由于继电器的吸合过程存在一定的抖动,这会给接收电路带来脉冲成分和阶跃成分的干扰,使放大器输出的信号产生大约25 ms左右的萝卜型畸变,为了给反演解释提供准确的数据,通常将会等待25 ms之后,再对信号进行数据采集,由此抖动导致的采集等待,增大了仪器的死区时间^{[ 10]}。

本文所介绍的全波收录系统采用收发分离线圈技术对核磁共振信号进行采集,使剩余能量得以快速释放,并通过双向二极管代替高压继电器,消除了由继电器吸合抖动带来的采集等待时间,使仪器的死区时间大为缩短,继而获得了更高信噪比的核磁共振信号,如图1所示。其基本原理在于,测量到的MRS信号 E( t)可以写成复数形式:

式中: t_d为仪器的死区时间,式(1)两边同时取模,于是有:

当减小仪器的死区时间时,可以得到幅值更高的测量值 E( t)。经过实际测试,死区时间已由原有的38 ms^{[ 11]}缩短至18 ms。

图1

Fig.1

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	图1 MRS前端接收网络示意图Fig.1 Diagram of MRS front end receiving network

由于双向二极管的接入使得接收线圈可以感应到发射线圈的发射磁场,其原理类似于空心变压器,然而二极管从反向截止状态恢复为正向导通状态需要一定的时间,如果二极管选择不当,会出现在二极管并未导通的情况下,其两端电压已超过额定值的情况,导致二极管(甚至前置放大器)的烧毁。假设发射的正弦波电流频率为 f,接收线圈感应电压峰值为 V_R0,二极管反向恢复时间为 t,前置放大器差分输入电压值为 Δu,则在不考虑二极管嵌位的情况下,接收线圈感应电压为:

使感应电压小于前置放大器差分输入电压:

整理后得:

令 f为2326 Hz, V_R0为50 V得:

由式(8)可知,只要所选二极管的反向恢复时间小于390 μs,就可以满足要求。本文在兼顾考虑反向电压和导通电流的同时,选用FR607快速恢复二极管,其最高反向工作电压为700 V,正向峰值电流为200 A,反向恢复时间为500 ns,可满足本系统测量要求。

全波收录系统硬件部分是通过NI公司开发的Compact-RIO平台构建的,使用cRIO-9076控制器作为采集的控制核心,其400 MHz的工业实时处理器和10/100 Mbit/s以太网端口可满足全波收录系统开发的需要。NI-9222数据采集卡和NI-9401数字I/O卡则分别为系统提供了高精度的数据采集和同步触发功能,如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 系统硬件框图Fig.2 Block diagram of system hardware

用户通过基于LabVIEW图形化语言开发的上位机全波收录系统控制软件对硬件系统进行控制。计算机通过RS485总线通讯方式与MRS放大器进行通讯,并设置放大器的放大倍数以及滤波器中心频率。由接收线圈接收到的核磁共振信号先后进入MRS信号匹配网络和MRS放大器,经过配谐、放大、滤波等信号调理^{[ 12]}过程之后,由采集卡对其进行数据采集。同步线由同步信号输入接口接入隔离同步触发电路,隔离同步触发电路对同步信号进行隔离、滤除毛刺等处理,减弱由于大电流发射和空间环境噪声造成的干扰后,送入数字I/O卡。数字I/O卡以中断方式判断是否接收到同步采集信号,若接收到同步采集信号,则启动一次测量。全波收录系统电源管理为MRS放大器提供其工作所需的±5 V电源,为CompactRIO提供其工作所需的+24 V电源,为隔离同步触发电路提供其工作所需的+5 V电源。

从仪器功能及硬件组成出发设计全波收录系统软件,共由4层构成,如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 系统软件框图Fig.3 Block diagram of system software

硬件驱动层直接接触底层硬件,负责数字I/O卡、采集卡、串口的驱动。在变量共享与数据传输层,同步信号由数字I/O卡引入,以数字I/O变量的方式被系统读取;采集到的MRS信号全波形数据通过在CompactRIO平台与计算机之间建立的DMA FIFO实现大容量、高速度全波数据传输;通过共享变量实现控制指令的传输。软件控制与功能层描述放大器参数配置、防止错误同步、全波数据采集、全波数据接收、数据预处理以及数据显示存储等工作过程,分别实现放大器放大倍数以及滤波器中心频率的配置、软件方式防止错误触发采集的功能,以及MRS全波数据采集、高速10/100 Mbit/s以太网端口全波数据传输、平均值滤波算法提高信号信噪比以及数据的实时显示和ASCII文件格式存储。系统应用层为用户提供整个系统的控制界面,并通过各层之间的接口与数据流实现对全波收录系统的控制。

本文通过状态机的方式描述全波收录系统的工作过程,如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 系统运行状态机Fig.4 Operation state machine of system

软件运行后会进入初始化状态,为测量做准备工作,如建立测量数据文件夹,计算测量次数等。软件初始化成功后,系统将进入空闲等待状态,在用户输入控制指令并启动测量后,软件将先后对放大器、采集卡进行初始化,设置放大器的放大倍数,滤波器的中心频率以及采集卡的采样频率。如果初始化失败,软件将会对发生的错误进行记录并返回至空闲等待状态。如果初始化成功,软件将启动测量,并进入等待同步状态;在接收到同步采集信号后,软件将先后对MRS信号进行数据采集、数据预处理和数据的存储及显示,此后,软件会判断测量是否已经达到设定的测量次数,若达到,则结束测量,否则继续等待同步采集信号,准备进行下一次的测量,用户也可以在存储及显示后终止系统的运行。

发射机通过同步线缆将同步采集信号传输给接收机,从而实现同步采集,当同步采集信号出现下降沿时,即表明发射机通知接收机开始采集^{[ 13]}。但是,在发射电流较大或环境噪声较大时,同步线缆中的同步采集信号会受到一定的干扰,使同步采集信号的下降沿产生毛刺,导致错误地触发系统进行数据采集。本文通过硬件、软件两方面抑制以上错误的产生,并通过实验证明,可有效地防止错误触发采集的产生,如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 防止错误触发原理图Fig.5 Principle map of preventing incorrect trigger

2.2.1 硬件抑制误触发的实现

硬件方面是通过隔离同步触发电路实现的,如图6所示,通过光耦隔离同步触发信号,避免直接将同步线缆接入系统,在输入、输出端均采用阻容滤波网络对下降沿附近的毛刺进行滤波,通过非门增大驱动能力,对跳变沿进行整形,使信号边沿变得陡峭。

图6

Fig.6

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	图6 隔离同步触发电路图Fig.6 Circuit diagram of isolate synchronous trigger

2.2.2 软件抑制误触发的实现

软件方面采用状态机方式,以40 MHz的频率对经隔离同步触发电路输出的同步信号进行计数,高电平开始计数,遇到低电平则计数器清零,当计数值为200 000时,即信号保持5 ms的高电平后,则认为是有效的高电平,系统将进入允许采集状态,随后有下降沿到来时,触发采集系统开始数据采集,如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 软件抑制误触发流程图Fig.7 Flow diagram of preventing incorrect trigger via software

全波数据的采集是整个全波收录系统的核心。如图8所示,控制软件通过共享变量实现计算机与CompactRIO平台间控制指令和工作状态的传输,在放大器和采集卡初始化成功之后,系统将允许采集并等待同步信号。一旦同步触发,系统将进行一次采样频率为66.7 kHz、采样时间为240 ms、采样点数为16 000个点的MRS测量。全波数据的传输是通过在计算机与CompactRIO平台间建立DMA FIFO实现的,每一次采集的数据都会被存入到DMA FIFO中,DMA FIFO的深度设置为16 000,当一次MRS测量结束后,DMA FIFO中16 000个点的数据会通过以太网端口传送给计算机,其传输过程通过DMA方式完成,不需要CPU进行干预,大大提高了系统运行的稳定性。

图8

Fig.8

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	图8 全波数据采集示意图Fig.8 Diagram of full-wave recording

2.4.1 数据预处理

由于每一脉冲矩下单次测量结果的信噪比较低,而数值模拟研究结果表明在MRS测量中信噪比的大小是评估地下水测量好坏的重要依据。本文采用平均值滤波算法,即通过叠加求平均值的方法对所采集的核磁共振信号进行预处理,可有效地降低环境噪声对MRS信号造成的干扰,提高核磁共振信号信噪比^{[ 14, 15]}。

2.4.2 数据存储

LabVIEW中最常用的3种数据存储方式是ASCII文件格式、直接二进制存储、TDMS文件格式。其中ASCII文件格式有良好的共享功能,其文件可在不同的软件中轻松地打开,直接二进制文件可以提供随机访问功能,TDMS文件格式可以有效地简化用户的编程,由于本系统需要所取得的数据为多数软件所共享,对存储能力和随机访问等功能要求不高,所以,选择ASCII文件格式作为文件存储格式。

使用安捷伦33220A信号源,产生正弦波信号,通过模拟线圈将信号源输出信号进行衰减,再将衰减后的信号输入全波收录系统,在这种条件下,分别对信号连续性和相位一致性进行测试。

3.1.1 信号连续性

信号的连续性是通过离散小波变换的方式进行判断的,采用db4小波对信号进行1级小波分解,遍历全部数据点,并未发现数据间断点,证明信号是连续的。

3.1.2 相位一致性

由于系统采用的数据预处理方法为平均值滤波算法,如果参与运算的各次数据相位不一致,将会对叠加后的结果造成严重影响,使叠加后的波形产生畸变。本文对信号进行了32次采集,将这32次结果叠加并应用平均值滤波算法,实验结果如图9所示,波形没有发生畸变,证明了所采集信号的相位是一致的。

图9

Fig.9

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	图9 室内模拟信号32次叠加图Fig.9 Superposition diagram of 32 sampling simulation source indoor

该全波收录系统于2012年11月2日在吉林省长春市农安县化东屯进行了野外测试,实验条件为100 m×100 m回线发射,25 m×25 m双匝回线接收,图10(a)(b)(c)(d)的激发电流均为50 A、叠加次数依次为4、8、16、24次。从图10可以看出,全波收录系统工作正常,可有效地取得核磁共振全波信号,并且随着叠加次数的增加,信号信噪比逐步提高。证明了全波收录系统的实用性。

图10

Fig.10

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	图10 实测MRS信号时域图Fig.10 Time domain graph of real MRS signal