梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)

于慧俊，肖立志，V.Anferov，S.Anferova，朱萬(wàn)里，李新

（油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)，北京102249）

梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)

于慧俊，肖立志，V.Anferov，S.Anferova，朱萬(wàn)里，李新

（油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)，北京102249）

介紹梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀控制和采集電路、功率放大電路、Q－轉(zhuǎn)換電路、隔離電路和接收電路等。解決核磁共振測(cè)井儀大功率發(fā)射和微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)難題。射頻脈沖發(fā)射完后，能盡快泄放天線(xiàn)中儲(chǔ)存的能量；脈沖發(fā)射和能量泄放時(shí)可對(duì)接收電路進(jìn)行高壓隔離保護(hù)。介紹各關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)原理，并利用所設(shè)計(jì)的電子線(xiàn)路和自制核磁共振測(cè)井儀探頭，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)硫酸銅水溶液進(jìn)行測(cè)量，得到滿(mǎn)意結(jié)果。該電子線(xiàn)路已成功應(yīng)用于自制梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀樣機(jī)，對(duì)隨鉆核磁共振測(cè)井儀和井下核磁共振流體分析同樣具有重要的參考價(jià)值。

核磁共振測(cè)井儀；大功率發(fā)射；微弱信號(hào)檢測(cè)；能量泄放；電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)

0 引 言

斯倫貝謝公司、哈里伯頓公司和貝克休斯公司成功研制了商業(yè)化的電纜核磁共振測(cè)井儀和隨鉆核磁共振測(cè)井儀［1－6］。中國(guó)石油集團(tuán)有限公司和中國(guó)海洋石油有限公司的核磁共振測(cè)井儀研制工作也已起步。本課題組自2007年以來(lái)，承擔(dān)國(guó)家863和科技部國(guó)際合作項(xiàng)目以及中國(guó)石油和中國(guó)海油的相關(guān)項(xiàng)目，完成包括磁體和電子線(xiàn)路在內(nèi)的核磁共振測(cè)井儀關(guān)鍵技術(shù)研究。梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀設(shè)計(jì)目標(biāo)是多頻測(cè)量，頻率范圍在600kHz和1MHz之間；脈沖發(fā)射功率不低于1kW；天線(xiàn)恢復(fù)時(shí)間盡可能短，確保最小回波間隔為0.6ms；接收電路具有至少100dB的增益，低噪聲，具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。本文總結(jié)了梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容。

1 電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井儀的工作原理是通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射一系列頻率、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間符合CPMG脈沖序列時(shí)序要求的大功率射頻脈沖，激發(fā)地層中的氫核產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，通過(guò)天線(xiàn)接收產(chǎn)生的微弱自旋回波信號(hào)［7］。核磁共振測(cè)井儀的發(fā)射和接收采用同一天線(xiàn)，為不影響回波信號(hào)的接收，要求在發(fā)射完大功率射頻脈沖后快速地將天線(xiàn)中儲(chǔ)存的能量泄放掉；在天線(xiàn)和接收電路之間通過(guò)隔離電路在脈沖發(fā)射和主能量泄放期間對(duì)接收電路進(jìn)行保護(hù)。

梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀電子線(xiàn)路主要由控制和采集電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路、Q－轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路、Q－轉(zhuǎn)換電路、天線(xiàn)調(diào)諧電路、隔離電路和接收電路組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀電子線(xiàn)路系統(tǒng)框圖

1.1 控制和采集電路

控制和采集電路作為核磁共振測(cè)井儀的關(guān)鍵模塊，主要由DSP、FPGA、DDS、ADC和SRAM組成，其原理見(jiàn)圖2。控制和采集電路產(chǎn)生儀器所需的所有時(shí)序和控制信號(hào)，將放大后的回波信號(hào)進(jìn)行采集和處理，完成與地面系統(tǒng)的通信。DSP通過(guò)內(nèi)部集成的CAN模塊實(shí)現(xiàn)與地面系統(tǒng)的通信，通過(guò)數(shù)字相敏檢波算法處理數(shù)字化的回波信號(hào)獲取回波串?dāng)?shù)據(jù)。FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制和回波信號(hào)的采集控制，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)14bit、存儲(chǔ)深度為8kB的同步FIFO存儲(chǔ)器。ADC將放大后的模擬回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其采樣時(shí)鐘由FPGA提供，同時(shí)此時(shí)鐘也作為FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)。DDS為采集控制和時(shí)序生成等提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。

為了提高回波數(shù)據(jù)的信噪比和降低對(duì)抗混疊濾波器的要求，采用過(guò)采樣技術(shù)，采樣頻率設(shè)定為拉莫爾頻率的16倍［8］。設(shè)計(jì)采用Analog Devices公司研制的14bit、最高采樣頻率為65Msps的高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244。AD9244為流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)單電源供電的并行CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器；輸入信號(hào)幅度范圍可以設(shè)定為1V和0.5V。為保證采集部分具有很高的信噪比，輸入信號(hào)范圍選定為1V，輸入采用差分輸入。為滿(mǎn)足井下高溫環(huán)境，采用外部低溫漂高精度基準(zhǔn)源為AD9244提供基準(zhǔn)電壓。根據(jù)接收電路的輸出為差分信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由差分接收器、抗混疊濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器組成的ADC前端處理電路。

控制和采集電路的工作流程（以單頻工作模式為例）：DSP通過(guò)CAN總線(xiàn)接收來(lái)自于地面系統(tǒng)的頻率字、測(cè)量模式和測(cè)量參數(shù)等信息，并通過(guò)并行總線(xiàn)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA。FPGA產(chǎn)生滿(mǎn)足CPMG脈沖序列的時(shí)序和控制命令，并在回波采集期間啟動(dòng)采集，產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，同時(shí)將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在FPGA內(nèi)部的FIFO存儲(chǔ)器中。在本次回波采集完成后產(chǎn)生中斷信號(hào)，DSP接收到中斷信號(hào)后將保存在FIFO中的數(shù)據(jù)讀出，并進(jìn)行相敏檢波處理得到此回波的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，并暫存到SRAM存儲(chǔ)器中，處理完成后等待下一次回波采集，如此反復(fù)，直到達(dá)到設(shè)定的回波個(gè)數(shù)。地面系統(tǒng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳回波串?dāng)?shù)據(jù)。

圖2 控制和采集電路原理框圖

1.2 功率放大電路

功率放大電路在激發(fā)地層中的氫核產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象的過(guò)程中起著關(guān)鍵性作用，同時(shí)其發(fā)射效率影響著整個(gè)儀器的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)儀器天線(xiàn)的性能特點(diǎn)，功率放大電路的功率要不小于1kW，同時(shí)由于實(shí)際地層礦化度的影響，實(shí)際需要的發(fā)射功率要更高。采用D類(lèi)放大器全橋結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足核磁共振測(cè)井儀對(duì)發(fā)射功率和發(fā)射效率的要求［9－10］。功率放大電路主要由2個(gè)全橋電路8個(gè)射頻功率場(chǎng)效應(yīng)管組成，其原理見(jiàn)圖3。功率場(chǎng)效應(yīng)管的打開(kāi)時(shí)間要求很短，在高溫環(huán)境下商業(yè)化的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器芯片不能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)快速地給場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容充電，所以需要設(shè)計(jì)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管快速開(kāi)關(guān)控制。功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路由4個(gè)半橋電路組成的能提供175V高壓脈沖的功率放大驅(qū)動(dòng)電路和8個(gè)10∶1變壓器組成。

通用合理控制8個(gè)射頻功率場(chǎng)效應(yīng)管，將600 V直流電壓斬波處理成峰峰值為2 400V的高壓脈沖以滿(mǎn)足儀器所需的大功率射頻脈沖的要求。射頻脈沖的頻率要等于天線(xiàn)本身的諧振頻率，如果射頻脈沖的頻率和天線(xiàn)的諧振頻率相差很多，會(huì)由于天線(xiàn)的阻抗過(guò)小而導(dǎo)致功率放大電路電流過(guò)大而燒毀場(chǎng)效應(yīng)管。

圖3 功率放大電路原理框圖

1.3 Q－轉(zhuǎn)換電路和隔離電路

為了測(cè)量流體的快弛豫組分，需要盡可能小的回波間隔。儀器的最小回波間隔主要由發(fā)射完射頻脈沖后天線(xiàn)中儲(chǔ)存能量的泄放時(shí)間（即天線(xiàn)的恢復(fù)時(shí)間）決定。由天線(xiàn)恢復(fù)時(shí)間常數(shù)τr＝2Q／ω0可知，天線(xiàn)的恢復(fù)時(shí)間和天線(xiàn)的Q值成正比，因此可以在發(fā)射完成后改變天線(xiàn)的Q值來(lái)減小天線(xiàn)的恢復(fù)時(shí)間［11］。核磁共振測(cè)井儀天線(xiàn)采用并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，并聯(lián)諧振的Q值正比于等效輸入電阻，通過(guò)在諧振回路兩端并聯(lián)電阻可以減小諧振回路的Q值。在脈沖發(fā)射完成后，如果立即將天線(xiàn)的Q值轉(zhuǎn)換到很小的值，Q－轉(zhuǎn)換電路中的場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)由于天線(xiàn)諧振回路的電流過(guò)大而燒毀。因此，在電路實(shí)現(xiàn)中采用分時(shí)的方法，即在發(fā)射完成后一段時(shí)間內(nèi)將天線(xiàn)的Q值減小到合適的值，該部分由Q－轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)；待天線(xiàn)中的主能量泄放完成后，將天線(xiàn)的Q值轉(zhuǎn)換到更小，該部分由隔離電路中的Q－轉(zhuǎn)換場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)可以有效地減少天線(xiàn)的恢復(fù)時(shí)間。由于泄放電阻直接連在天線(xiàn)的兩端，所以選用無(wú)感功率電阻，同時(shí)泄放電阻和天線(xiàn)的引線(xiàn)要盡可能的短，盡量減小電阻本身的電感和引線(xiàn)電感對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

射頻脈沖的發(fā)射和回波信號(hào)的接收采用同一天線(xiàn)，脈沖發(fā)射時(shí)天線(xiàn)兩端的電壓很高（幾千伏），回波信號(hào)的幅度非常?。◣资{伏到幾微伏），在接收電路與天線(xiàn)之間需要隔離電路進(jìn)行保護(hù)。隔離電路在發(fā)射和接收這2種不同的狀態(tài)下工作，在脈沖發(fā)射和主能量泄放時(shí)對(duì)接收電路進(jìn)行保護(hù)，禁止天線(xiàn)兩端的高壓脈沖進(jìn)入接收電路；在回波接收時(shí)允許回波信號(hào)進(jìn)入接收電路，同時(shí)在主能量泄放完成后輔助泄放天線(xiàn)中的能量，進(jìn)一步減小天線(xiàn)的恢復(fù)時(shí)間。Q－轉(zhuǎn)換電路和隔離電路的原理見(jiàn)圖4。

圖4 Q－轉(zhuǎn)換電路和隔離電路原理框圖

在射頻脈沖發(fā)射階段，Q－轉(zhuǎn)換電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4斷開(kāi)，天線(xiàn)的Q值由天線(xiàn)諧振回路本身決定；隔離電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1／Q2和Q9／Q10斷開(kāi)，Q5和Q6閉合，接收電路的輸入端（Echo＋、Echo－）與天線(xiàn)斷開(kāi)且短接到地。在脈沖發(fā)射完成間隔一定時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入主能量泄放階段，此時(shí)Q－轉(zhuǎn)換電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4閉合，電阻R1和R2并聯(lián)在天線(xiàn)兩端，天線(xiàn)的Q值變低；隔離電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1／Q2和Q9／Q10斷開(kāi)，Q5和Q6閉合，接收電路的輸入端（Echo＋、Echo－）與天線(xiàn)斷開(kāi)且短接到地。主能量泄放完成后，系統(tǒng)進(jìn)入輔助能量泄放階段，Q－轉(zhuǎn)換電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4斷開(kāi)；隔離電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1／Q2、Q9／Q10、Q5和Q6閉合，這6個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻串聯(lián)在一起并聯(lián)在天線(xiàn)兩端，天線(xiàn)的Q值相比主能量泄放階段變得更低。在回波信號(hào)接收階段，Q－轉(zhuǎn)換電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4斷開(kāi)；隔離電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1／Q2和Q9／Q10閉合，Q5和Q6斷開(kāi)，回波信號(hào)進(jìn)入接收電路進(jìn)行放大。

1.4 接收電路

接收電路是核磁共振測(cè)井儀中重要的電路模塊，關(guān)系到整個(gè)儀器的信噪比和最終數(shù)據(jù)質(zhì)量。核磁共振測(cè)井儀回波信號(hào)非常微弱，天線(xiàn)接收到的回波信號(hào)幅值在幾十納伏和幾微伏之間，要求接收電路具有很高的增益和很大的動(dòng)態(tài)范圍。由于回波信號(hào)和天線(xiàn)本身的噪聲同時(shí)被接收電路放大，且接收電路會(huì)引入一定的噪聲，為避免由于噪聲的影響致使ADC出現(xiàn)失真，接收電路的增益要受到天線(xiàn)噪聲和接收電路噪聲的制約。接收電路的最大增益設(shè)定為105dB。為保證接收電路具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，接收電路包含有由精密電阻組成的程控衰減網(wǎng)絡(luò)，程控衰減分別為12、18、24dB和30dB。為減少天線(xiàn)和接收電路之間的共模干擾，天線(xiàn)采用差分結(jié)構(gòu)，接收電路第1級(jí)（即前置放大器）采用儀用放大器結(jié)構(gòu)；為抑制接收電路和采集部分之間的共模干擾，接收電路和采集部分采用屏蔽雙絞線(xiàn)進(jìn)行差分信號(hào)傳輸。

圖5 接收電路原理框圖

2 測(cè)試結(jié)果與分析

圖6 功率放大電路和Q－轉(zhuǎn)換電路聯(lián)測(cè)發(fā)射波形

利用上述電子線(xiàn)路和自制的核磁共振測(cè)井儀探頭（含磁體和天線(xiàn)）在屏蔽水箱內(nèi)對(duì)混有硫酸銅的水樣進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)CPMG測(cè)試，得到的回波串如圖7所示。圖7中的插圖為使用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的反演軟件反演得到的T2分布。測(cè)量參數(shù)：極化時(shí)間為3s，回波間隔為0.6ms，回波個(gè)數(shù)為1 800，累加次數(shù)為2（即1個(gè)PAPs）。

圖7 對(duì)混有硫酸銅水樣進(jìn)行測(cè)量得到的經(jīng)相位旋轉(zhuǎn)后的回波串

3 結(jié) 論

（1）針對(duì)梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀的工作原理和技術(shù)指標(biāo)的要求，在分析各關(guān)鍵電路技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制作了控制和采集電路、功率放大電路、Q－轉(zhuǎn)換電路、隔離電路和接收電路等。

（2）該電子線(xiàn)路已成功應(yīng)用于自制梯度場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀樣機(jī)中。

（3）該電子線(xiàn)路對(duì)隨鉆核磁共振測(cè)井儀和井下核磁共振流體分析實(shí)驗(yàn)室同樣具有重要參考價(jià)值。

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Electronic Circuit Design of Gradient NMR Logging Tool

YU Huijun，XIAO Lizhi，V.Anferov，S.Anferova，ZHU Wanli，LI Xin
（State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Introduced are the principle and specifications of gradient NMR logging tool.Designed are the tool’s control and acquisition circuit，power amplifier circuit，Q－transfer circuit，isolation circuit，receiving circuit，etc.Solved are the technical difficulties such as high power transmit（up to thousand Watt），weak signal detection（tens nano－volt to several micro－volt），quick energy dump after pulse transmitting；the high－power pulses block during the transmitting time and dump time.The design principle and technique of key circuits are introduced and analyzed.Doped water with cupric sulfate is measured with our designed electronics and magnets，which receives ideal experimental result.The designed circuit is not only successfully uses in prototype of gradient NMR logging tool，but also has reference value for LWD NMR logging tool and NMR fluid analysis.

NMR logging tool，high power transmit，weak signal detect，energy dump，electronic circuit design

P631.84；TE122.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

國(guó)家863項(xiàng)目（2007AA06Z230）和科技部國(guó)際合作項(xiàng)目（2009DFA61030）聯(lián)合資助

于慧俊，男，1983年生，博士研究生，從事核磁共振測(cè)井儀器和低場(chǎng)核磁共振儀器研制工作。

2011－09－13 本文編輯 王小寧）