基于正交矢量放大的MRS信號采集模塊設(shè)計----背景及其原理
MRS信號可用下式來表示:
式中E0(q)為MRS信號的初始振幅。q =I0τ為激發(fā)脈沖矩,I0、τ分別為激發(fā)電流脈沖的幅值和持續(xù)時間。ψ0為MRS信號相對于發(fā)射電流的初始相位,是天線中測量到的衰減信號與激發(fā)電流之間的相位差。T2*為平均衰減時間。E0(q)的強弱與氫核的數(shù)量及分布有關(guān),即與所研究空間內(nèi)的含水量成正比,T2*與含水層的平均孔隙度大小有關(guān),ψ0與地下水的導(dǎo)電性有關(guān).對測得的MRS信號作適當(dāng)處理、解釋,就可以確定地下水的分布。
在核磁共振探測地下水方法中,通常向鋪在地面上的線圈(發(fā)射/接收線圈)中供入頻率為拉摩爾頻率的交變電流脈沖,交變電流脈沖的包絡(luò)線為矩形。在地中交變電流形成的交變磁場激發(fā)下,使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產(chǎn)生旋進運動,其旋進頻率為氫核所特有。在切斷激發(fā)電流脈沖后,用同一線圈拾取由不同激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的核磁共振信號,該信號為幅度按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦信號。核磁共振信號強弱或衰減快慢與水中質(zhì)子的數(shù)量有直接關(guān)系,即核磁共振信號的幅值與所探測空間內(nèi)自由水含量成正比,這就是核磁共振找水方法的原理.圖2.3為核磁共振找水探測原理圖。
MRS信號比較微弱,只有nV級,當(dāng)采用100米發(fā)射/接收線圈時,產(chǎn)生的核磁共振信號范圍大概幾十nV~3000nV,易受各種噪聲干擾,本文的主要工作是設(shè)計適合核磁共振信號的采集模塊。
2.2核磁共振信號采集方法分析
如前文所述,MRS信號可以看做是一個調(diào)幅波,而參數(shù)提取過程就相當(dāng)于解調(diào)過程。用包絡(luò)檢波的方式可以方便快捷地提取MRS信號的關(guān)鍵參數(shù)。而且采集信號的包絡(luò)不需要很高的采樣率,這就大量地減少了采集數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的運行速度。
常用的包絡(luò)檢波電路是由檢波二極管和RC低通濾波器組成的,如圖2.4所示。
二極管包絡(luò)檢波電路是通過二極管導(dǎo)通時對電容充電和二極管截止時電容對電阻放電來實現(xiàn)包絡(luò)提取的。但是這種方法不適合核磁共振信號。首先它無法鑒別MRS信號的相位ψ0,其次包絡(luò)檢波電路本身不具備區(qū)分不同頻率信號的能力,對于不同頻率的信號它都以同樣方式對它們整流、檢波,這就是說它不具有鑒別信號的能力。
本文針對核磁共振信號在同一個地點頻率單一的特點,提出一種相敏檢波的方法來實現(xiàn)MRS信號包絡(luò)的采集。利用正交矢量鎖定放大器同時對MRS信號進行頻率和相位的鑒別,不僅可以方便地提取出MRS信號的E0、E0(q)、ψ0等關(guān)鍵參數(shù),滿足后期數(shù)據(jù)處理、反演解釋的需要,而且可以進一步地提高信噪比。
2.2.1鎖定放大器工作原理鎖定放大器(lock-in amplifier,LIA)抑制噪聲有3個基本出發(fā)點[13]:
(1)用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率ω0處,再進行放大,以避開1/f噪聲的不利影響。
(2)利用相敏檢測器實現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程,可以同時利用頻率ω0和相角θ進行檢測,噪聲與信號同頻又同相的概率很低。
(3)用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做得很窄,而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響,穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。
鎖定放大器對信號頻譜進行遷移的過程如圖2.5所示。調(diào)制過程將低頻信號Vs乘以頻率為ω0的正弦載波,從而將其頻譜遷移到調(diào)制頻率ω0兩邊,之后進行選頻放大,這樣就不會把1/f噪聲和低頻漂移也放大了,如圖2.5(a)所示。圖中的虛線表示1/f噪聲和白噪聲的功率譜密度。經(jīng)交流放大后,再用相敏檢測器(PSD)將其頻譜遷移到直流(ω= 0)的兩邊,用窄帶低通濾波器(LPF)濾除噪聲,就得到高信噪比的放大信號,如圖2.5(b)所示。圖中虛線表示LPF的頻率響應(yīng)曲線。只要LPF的帶寬足夠窄,就能有效地改善信噪比。
鎖定放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.6所示,包括信號通道、參考通道、相敏檢測器(PSD)和低通濾波器(LPF)等。
信號通道對調(diào)制信號輸入進行交流放大,將微弱信號(nV數(shù)量級)放大到足以推動相敏檢測器工作的電平,并且要濾除部分干擾和噪聲,以提高相敏檢測器的動態(tài)范圍。
參考輸入一般是等幅正弦信號或方波開關(guān)信號,它可以是從外部輸入的某種周期信號,也可以是系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號或用于斬波的信號。參考通道對參考輸入進行放大或衰減,以適應(yīng)相敏檢測器對幅度的要求。參考通道的另一個重要功能是對參考輸入進行移相處理,以使各種不同相移信號的檢測結(jié)果達到最佳。
PSD是鎖定放大器的核心部件,它的輸出不僅取決于輸入信號的幅度,而且取決于輸入信號與參考信號的相位差。常用的相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式,實際上電子開關(guān)式相敏檢測器相當(dāng)于參考信號為方波的情況下的模擬乘法器。
PSD以參考信號r(t)為基準(zhǔn),對有用信號x(t)進行相敏檢測,從而實現(xiàn)圖2.5所示的頻譜遷移過程。
將x(t)的頻譜由ω=ω0處遷移到ω= 0處,再經(jīng)過LPF濾除噪聲,其輸出u0(t)對x(t)的幅度和相位都敏感,這樣就達到了既鑒幅又鑒相的目的。因為LPF的頻帶可以做得很窄,所以可使鎖定放大器達到較大的信噪比.
2.2.2正交矢量型鎖定放大器
信號的幅度是按低頻調(diào)制信號變化的,如果把高頻調(diào)幅信號的峰點連接起來,就可以得到一個與低頻調(diào)制信號相對應(yīng)的曲線,這條曲線就是信號的包絡(luò)線。正交矢量型鎖定放大器是檢測微弱信號包絡(luò)曲線最常用的方法,如圖2.7所示為其原理框圖。
正交矢量型鎖定放大器需要兩個相敏檢測器系統(tǒng),它們的信號輸入是同樣的,但兩個參考輸入在相位上相差90°,在同相通道中PSD1參考輸入的相移為θ(0~360°),正交通道中PSD2參考輸入的相移為θ+90°。
同相輸出為
而其正交輸出為
由這兩路輸出可以計算出被測信號的幅度Vs和相位θ:
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