一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，所述系统包括控制软件，控制软件分别与n个发射接收通道连接，n个发射接收通道分别连接到NMR探头的各个通道；各发射接收通道均包括有FPGA控制器，FPGA控制器经依次设置的DDS或DAC、固定放大器一、频率变换器一、发射数控衰减器、功率放大器、双向定向耦合器连接到NMR探头，双向定向耦合器的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二，可变放大器二经依次设置的接收数控衰减器、频率变换器二、模数转换器ADC连接到FPGA控制器。本发明专利技术提出的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，能够自动完成对所有需要校正的发射通道、频率点和功率线性的校准，测量简单，速度快，精度高。

A calibration system and method of emission power linearity of NMR instrument

The invention relates to a transmission power linearity calibration system and method of an NMR instrument. The system includes control software, which is respectively connected with n transmission and reception channels, and N transmission and reception channels are respectively connected to each channel of an NMR probe. Each transmission and reception channel includes an FPGA controller, which is successively set with DDS or DAC, fixed amplifier I Frequency converter I, emission numerical control attenuator, power amplifier and bidirectional directional coupler are connected to NMR probe, forward coupler of bidirectional directional coupler is connected to variable amplifier II of receiving channel, and variable amplifier II is connected to FPGA controller through receiving numerical control attenuator, frequency converter II and analog-to-digital converter ADC successively set. The invention provides a calibration system and method of emission power linearity of an NMR instrument, which can automatically complete the calibration of all emission channels, frequency points and power linearity that need to be calibrated, with simple measurement, fast speed and high precision.

【技术实现步骤摘要】
一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法
本专利技术涉及核磁共振仪器
，特别是涉及一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法。
技术介绍
核磁共振仪器是应用核磁共振原理研制生产的，它通过向置于强磁场中的被测物体发射高功率射频脉冲信号激发被测物体原子核的共振现象，不同结构的分子基团的核磁共振信号有不同的化学位移，且一般的，一种物质内混杂着多种不同的分子基团，其核磁共振信号相互叠加，并相互干扰，为了更直观的观察某一种分子基团的核磁共振信号，需要选择性的只对其中某个或几个化学位移位置的核磁共振信号进行激发。核磁共振仪器使用带有一定函数形状的发射脉冲选择性地只激发某些化学位移位置的核磁信号，这种脉冲简称为形状脉冲，形状脉冲的输出功率随着时间按一定的函数变化，脉冲的函数形状的准确度由输出功率变换的准确度保证，并直接影响选择性激发的结果，因此客观要求核磁共振仪器的发射功率呈现良好的线性度，以使形状脉冲的函数形状与理想的形状函数吻合。核磁共振仪器中，发射部分由信号源、发射机、射频功放、前置放大器串联组成，各部分在不同的输入功率、频率下输出功率的线性各不相同，即均呈现出一定的非线性，因此需要对发射系统在不同的频率下的功率线性度进行校准。同时核磁共振仪器有多个发射通道，需要对每个通道分别进行校准。为了实现高线性度，要求校准精度应当优于0.1％。功率线性度校准的内容包括：1)将信号源、发射机、射频功放、前置放大器串联成一个发射整体；2)将发射通道置于某个工作频率下；3)通过发射机发射脉冲，在发射功率的变化范围内改变发射脉冲的功率，并精确测量每一个发射功率点的实际功率；4)计算每个发射功率点实际功率值与理想线性功率值之间的误差，形成误差表；5)改变发射频率范围，并重复对不同频率下的功率校准测量；6)改变不同的发射通道，对所有通道重复以上测量。目前，发射脉冲的功率使用脉冲功率测量设备手动测量或用软件自动读取设备的测量数据，该办法存在明显的缺陷：1)测量设备的测量精度不够高，测量结果存在很大的误差；2)测量设备的量程有限，无法覆盖全部发射功率范围，必须手动接入不同的衰减器以改变接收增益，而衰减器会进一步带来测量误差；3)无法自动切换通道，需要将测量设备在不同的测量通道间手动切换；4)手动连接线缆、设备，手动读取测量数据的测量过程繁杂，耗时长，测量数据需要手动记录，无法实现自动化测量。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提出了一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，解决现有发射功率线性度校准存在的测量精度低、测量功率范围小且操作复杂、耗时长的问题，并实现全自动功率误差校准。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，包括控制软件，所述控制软件连接到n个发射接收通道，并提供n个发射接收通道内部件的控制参数；n个所述发射接收通道的功能完全相同，并连接到NMR探头的不同射频通道；各所述发射接收通道均设有FPGA控制器，所述FPGA控制器经发射通道经依次设置的DDS或DAC、固定放大器一、频率变换器一、发射数控衰减器、功率放大器、双向定向耦合器连接到NMR探头，所述双向定向耦合器的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二，所述可变放大器二经依次设置的接收数控衰减器、频率变换器二、模数转换器ADC连接到FPGA控制器。进一步的，所述DDS或DAC输出频率固定、幅度可变的信号，由频率变换器一将DDS或DAC输出信号的频率转换为目标输出频率。进一步的，所述发射数控衰减器以小于1dB的精度对发射功率进行衰减，以控制发射信号的最大功率；DDS或DAC高精度地改变输出信号的幅度，使发射信号的功率在最大功率范围内任意变化。进一步的，所述前向耦合器耦合一部分发射功率，并送入接收通道。进一步的，所述NMR探头每个通道的谐振频率与每个发射接收通道的射频频率相同。进一步的，所述频率变换器二将接收信号的频率转换为固定频率，所述固定频率低于模数转换器ADC采样率的1/3。进一步的，所述FPGA控制器对可变放大器二和接收数控衰减器进行控制，以调节接收信号的增益，使接收信号的幅度处于模数转换器ADC的最佳检测范围；一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准，具体包括以下步骤：S1：控制软件从需要进行功率校正的通道中选择一个设置为发射通道；S2：在选择的通道内根据需要校正的频率范围设置初始校正频率；S3：控制软件控制发射通道发射功率线性变化的脉冲序列，功率变化的范围覆盖核磁共振仪器的发射功率范围；S4：前向耦合器检测的发射脉冲信号传输至接收通道，控制软件设置接收数控衰减器控制接收通道处于适宜的增益，控制软件控制模数转换器ADC将接收模拟信号转换为数字信号；S5：控制软件通过接收的数字信号幅度计算每个发射功率点输出脉冲的实际功率，并计算每个功率点的线性误差值ΔA：ΔA＝实际测量功率值-设定功率值，当检测功率点的线性误差ΔA大于设定的阈值时，认为其超过了线性工作范围，超过线性工作范围的数据舍弃；S6：记设定的额定功率设置值为PLmax，其对应的理论额定功率记为Pmax，PLmax在测量的发射功率线性工作范围内；S7：测量额定功率值PLmax的发射信号的实际功率P1max，计算额定功率值的误差：ΔP＝P1max-Pmax；S8：计算每个功率点的实际误差：ΔPSet＝ΔA+ΔP；S9：将发射通道、发射频率、功率设置值、功率点实际校正误差ΔPSet、功率值记为误差校正表；S10：控制软件变换该发射通道的发射频率，并重复步骤S2-S9，直到该发射通道内所有的频率扫描完成，新的频率点的功率误差记入误差校正表；S11：控制软件变换发射通道，并重复步骤S1-S10，直到所述的发射通道均扫描完成，新的通道的发射功率误差记入误差校正表。进一步的，步骤S3中脉冲序列由n个发射脉冲组成，每个脉冲的宽度pn相同、功率线性变化、脉冲时间间隔dn相同；脉冲的占空比小于功率放大器的最大占空比；发射通道与接收通道的开始和结束完全同步。进一步的，步骤S11形成的发射功率的误差校正值分为整数部分ΔPint和小数部分ΔPdec，整数部分校正值ΔPint设为数字可变衰减器的衰减值，小数部分校正值ΔPdec设为DDS或DAC的功率变化值，使DDS或DAC始终接近满幅输出，输出信号具有最佳的形状分辨率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统及方法，能够实现对发射通道、所有发射频率、所有发射功率的测量，所有参数设置、通道切换、测量和误差计算由控制软件全自动实现，测量简单，速度快，精度高。附图说明图1为本专利技术实施例所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统的结构框图；图2为本专利技术实施例所述的单个发射接收通道的发射功率线性度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，包括控制软件(12)，所述控制软件(12)连接到n个发射接收通道(13)，并提供n个发射接收通道(13)内部件的控制参数；n个所述发射接收通道(13)的功能完全相同，并连接到NMR探头(14)的不同射频通道；各所述发射接收通道(13)均设有FPGA控制器(1)，所述FPGA控制器(1)经发射通道内依次设置的DDS或DAC(2)、固定放大器一(3)、频率变换器一(4)、发射数控衰减器(5)、功率放大器(6)、双向定向耦合器(7)连接到NMR探头(14)，所述双向定向耦合器(7)的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二(8)，所述可变放大器二(8)经依次设置的接收数控衰减器(9)、频率变换器二(10)、模数转换器ADC(11)连接到FPGA控制器(1)。/n

【技术特征摘要】
1.一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，包括控制软件(12)，所述控制软件(12)连接到n个发射接收通道(13)，并提供n个发射接收通道(13)内部件的控制参数；n个所述发射接收通道(13)的功能完全相同，并连接到NMR探头(14)的不同射频通道；各所述发射接收通道(13)均设有FPGA控制器(1)，所述FPGA控制器(1)经发射通道内依次设置的DDS或DAC(2)、固定放大器一(3)、频率变换器一(4)、发射数控衰减器(5)、功率放大器(6)、双向定向耦合器(7)连接到NMR探头(14)，所述双向定向耦合器(7)的前向耦合器连接到接收通道的可变放大器二(8)，所述可变放大器二(8)经依次设置的接收数控衰减器(9)、频率变换器二(10)、模数转换器ADC(11)连接到FPGA控制器(1)。


2.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述DDS或DAC(2)输出频率固定、幅度可变的信号，由频率变换器一(4)将DDS或DAC(2)输出信号的频率转换为目标输出频率。


3.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述发射数控衰减器(5)以小于1dB的精度对发射功率进行衰减，以控制发射信号的最大功率；DDS或DAC(2)可快速高精度地改变输出信号的幅度，使发射信号的功率在最大功率范围内任意变化。


4.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述前向耦合器耦合一部分发射功率，并送入接收通道。


5.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述NMR探头(14)每个通道的谐振频率与每个发射接收通道的射频频率相同。


6.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述频率变换器二(10)将接收信号的频率转换为固定频率，所述固定频率低于模数转换器ADC(11)采样率的1/3。


7.根据权利要求1所述的一种核磁共振仪器的发射功率线性度校准系统，其特征在于，所述FPGA控制器(1)对可变放大器二(8)和接收数控衰减器(9)进行控制，以调节接收增益，使接收信号的幅度处于模数转换器ADC(11)的最佳检测范围。


8.采用权利要求1-7任意一项所述的系统进行核磁共振仪器的发射功率线性度校准方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正刚，朱天雄，宋侃，
申请(专利权)人：武汉中科牛津波谱技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42