一种核磁共振测井仪能量泄放与微弱信号接收电路设计

摘 要：针对核磁共振仪器需在同一天线上进行高压发射与极微弱信号接收的特点，提出一种高压能量泄放与微弱信号接收电路的设计。高压能量泄放电路主要完成仪器发射后残留在天线上剩余能量的泄放工作。微弱信号接收电路主要完成对极微弱信号进行放大滤波处理的功能，同时隔离发射时天线上的高压信号以保护接收电路，并对所设计的前放接收电路的噪声水平进行分析与测试。目前该泄放与前放接收电路已经成功应用于仪器的设计中，并得到了很好的应用效果。

关键词：核磁共振 能量泄放 信号调理 核磁回波 高压隔离

中图分类号：TN912

一、引言

核磁共振测井可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响。在过去的近20年里，核磁共振测井仪器研制和资料应用一直是石油测井领域的热点和前沿领域，受到广泛关注[1]。本文主要介绍一种关于核磁共振测井仪能量泄放与微弱信号接收电路的设计，重点分析能量泄放与微弱信号接收电路的设计原理与功能，并对接收电路的高压隔离一体化设计进行简要说明，最后对接收电路的噪声水平进行分析。目前该电路设计已经成功应用于核磁共振仪器上，并取得了良好的应用效果。

二、核磁共振测井能量泄放电路设计

（一）核磁共振CPMG序列发射与接收模型

核磁共振测井主要采用图1方式发射激励信号并产生相应的回波信号。如图1所示的这种典型的核磁共振工作方式称为CPMG序列。首先需要D0的激化时间来完成地层的磁激化，使其探测深度范围内的地层中氢原子的核磁矩能够朝着静磁场方向激化，然后发射90度脉冲信号使其核磁矩扳倒90度，其后每隔D2时间发射180度脉冲使其在同一平面的两个速度不同的矢量重合产成回波信号，这种激励接受方式称为CPMG序列[2]。

图1：核磁共振CPMG序列发射与接收模型

核磁共振测井主要采用CPMG序列来进行工作，采集一系列回波信号，并计算回波的幅值与相位，以此来制作相应的指数衰减曲线从而进行T2谱反演标定底层的孔隙度、渗透率、束缚水等信息。由于发射与接收均在同一天线上进行，所以对泄放电路以及微弱信号接收电路与高压的隔离需要做特别地设计。

（二）能量泄放电路设计

核磁共振测井中能量泄放电路是保证核磁共振仪器能够有效进行信号放大滤波预处理的关键环节，它的设计好坏直接影响到后面对回波信号的接收信噪比[3]。它主要作用是在仪器进行高压激励脉冲发射完成后能够快速有效的泄放掉天线探头上多余的残留能量，以保证地层回波信号到来时候天线探头上保持一个低噪声的状态，从而在接收回波信号时保证其输入信噪比。其原理图见图2所示：

图2：能量泄放电路原理图

图2由两个相同的电路组成，它们相应地接到天线探头与前放输入并联的两端。背靠背的场效应管Q9/Q10和Q11/Q12通过RES3、RES4端连接R3和R4两个10欧姆功率电阻后与天线探头与前放输入的并联端相连。这两个电阻体积很大，功率在45w，需要安装在仪器骨架上以尽快散热。从功率放大(主泄放)电路出来的幅值为175V的脉冲经过变压器T1～T4转变成17.5V，这样电流增加了10倍提高了电流驱动能力，可以很快使功率场效应管导通。由于这四路并联电路原理一样，因而以其中一路来分析加以说明。当DumpOn信号有效进入HI1、LO1与HI2、LO2时，一路信号经过二极管D1，使场效应管Q1导通，给功率场效应管Q9的栅极充电并使之导通。当DumpOn信号无效时，由于二极管D1的存在，Q9将继续保持导通。当DumpOff信号有效加载到输入端时，晶体管Q5导通，使得Q9的栅极放电而断开。二极管D2用来防止Q9的栅极重新充电，这样Q9保持断开直到下一个DumpOn信号的到来。二极管D9和D10的作用是起到嵌位电平防止电压幅度超过15V以有效保护Q9/Q10和Q11/Q12这四个MOS管，通过此嵌位管作用后17.5V被嵌位到15V的安全范围内。经过以上操作后，可以很好的在天线发射后有效地泄放还残留在天线上的剩余发射能量，从而有效地保证仪器正常接收回波信号的时候能够有很好的信噪比。下图3是未加入能量泄放电路与加入能量泄放电路后天线上信号对比测试抓图：

图3：加入能量泄放电路对天线上信号的测试抓图

从上图3中可以清晰地看到当加入能量泄放电路后天线上发射信号残余能量快速衰减，有利于后续天线上微弱核磁共振回波信号的接收，提高了信号接收到信噪比。而当未加入能量泄放电路时，天线上残余发射信号能量衰减缓慢，由于残余能量与接收信号频率相同这样可能导致后续接收信号淹没在残余的发射信号中而不能提取。

三、微弱信号接收电路设计

（一）高压隔离功能设计

核磁共振测井仪信号接收电路中高压隔离部分的主要作用是当核磁仪器在发射高压信号激发地层回波信号时，有效阻断天线探头与信号接收电路之间的通路，从而达到有效保护后面前置放大接收电路不受高压冲击的作用[4]。高压隔离电路部分作为信号接收电路的前半部分其功能设计框图见下图4所示。

图4：信号接收电路高压隔离部分设计框图

如上图4中所示，天线连接高压隔离部分的输入，高压隔离部分具备一个输入高压检测电路，其主要是有运放搭建成一个比较器，来实时保护前放电路免受天线上高压的危害。当发射高压激励信号时候，该比较器检测到高压信号，然后强制启动收发控制逻辑模块的输出电压，使其及时变成低电平从而有效驱动隔离电路上两个MOSFET管有效关断。图4中的收发开关是由两个耐电流极高的MOSFET管STP4NB100构成。当核磁仪发完激励信号后，需要由事件控制电路产生一个softdump的软泄放控制信号，使隔离板上的泄放开关导通同时控制收发切换控制信号使RT_SW为高电平从而导通收发开关使其天线与接收电路导通的同时接地，起到泄放天线中还未损耗掉的残余能量，为紧接着的微弱地层回波信号的接收作相应的准备，一般此时间控制为30us以内。然后将softdump软泄放控制信号变低以断开泻放开关开始正常接收地层回波信号。

（二）信号接收电路原理设计

核磁共振测井仪中前放微弱信号接收电路的设计好坏直接影响到后面对回波信号幅值和相位提取的精度[5]。前放微弱信号接收电路主要是由一系列低噪声精密放大器组成。第一级由两组差分仪用放大电路（AD797）并联搭建而成，其主要作用是有效降低输入噪声电压；第二级主要是由AD797低噪声运放构成的反相放大电路，起到放大微弱信号的作用；第三级是一个2阶巴特沃兹高通滤波器，起到对微弱信号的高通滤波作用，有效滤除低频的噪声；第四级由一个5阶1MHz椭圆低通滤波电路LTC1560构成，其主要作用是将前面放大后的信号进行低通滤波处理，滤除信号中的高频噪声以提高微弱信号的信噪比；最后一级由AD8131芯片来将前面放大滤波处理后的信号转化成差分信号便于长距离传输给采集电路板，其作用主要是起到一个单端信号转双端差分信号以有效提高信号的共模抑制比，减小信号传输过程中空间差模信号干扰的作用。前放信号接收电路原理图如图5所示。

图5：微弱信号接收电路原理图

上图5中按照默认参数，该接收电路的放大倍数为4万倍左右。由于回来的信号十分微弱大概在40nv～5uv左右范围内，且噪声水平在几个微伏左右，因此其输入信躁比基本在-40dB以下，所以对前放的布局以及芯片的选择上需要特别注意其等效电压噪声应小于3nv/ 和等效电流噪声水平小于5pA/ ，这样才能够保证信号通过前放放大滤波处理后的信噪比满足实际需求，即输出噪声电压与输出信号在同一个数量级上。

（三）信号接收电路带宽测试

上图5给出了微弱信号接收电路的原理图，为了测试该信号接收电路的实际频率带宽，以信号发生器输出峰峰值5V，频率100KHz～1.2MHz变化的正弦信号为输入信号，经衰减器衰减120dB后输入至图5中接收电路输入端Vin+/-，经放大滤波处理后的信号通过接收电路最后一级差分放大器输出端Vout+/-输出至示波器CH3、CH4，记录示波器（CH3-CH4）的差分输出信号平均512次的峰峰值如下表1所示。

表1：信号接收电路输出信号峰峰值记录

上表1中输入信号频率（KHz）表示信号发生器输出峰峰值5V，频率100KHz～1.2MHz变化的正弦波，第 1～4次示波器记录（mV）表示接收电路差分输出信号经示波器平均512次的峰峰值，记录4次，单位为mV；4次记录的平均值（mV）表示第 1～4次示波器记录（mV）对应数据的平均值，单位为mV。将表1中每个频率下对应的输出信号峰峰值绘制成频率响应曲线如下图6所示：

从上图6可以看出该信号接收电路的频率带宽在580KHz～1MHz之间。

（四）信号接收电路噪声分析

图5信号接收电路采取多路放大器级联方式，根据弗里伊斯提出的级联放大器的噪声系数关系式如下[5]：

(3.4.1)

式(3.4.1)中F1，F2，...，FN-1分别表示前N-1级放大电路噪声系数；G1，G2，...，GN-1分别表示前N-1级放大器放大倍数，F1，2，……，N代表级联网络的噪声系数。分析N级级联网络可以得出结论，在接收电路第一级增益较大时，级联网络的噪声系数主要受第一级电路噪声系数的影响，因此对信号接收电路的噪声分析主要集中在第一级电路的噪声分析上。将接收电路第一级单独提出如下图7所示：

图7：接收电路第一级放大电路

图7中电路一般采用R1=R2，R3=R4，R5=R6的设计。这样整体级联电路等效到输入的总噪声电压可以化简为：

（3.4.2）

式（3.4.2）中ENS表示信号源等效噪声电压；Rs表示信号源阻抗，Rs1，…，Rs（t-1）分别表示1，2，…，t-1放大电路输出电阻。等效噪声电压EN1，EN2，…，ENt分别表示1，2，…，t级放大器等效噪声电压，IN1，IN2，…，INt分别表示1，2，…，t级放大器等效噪声电流；G1，G2，…，Gt-1分别表示1，2，…，t-1级放大电路增益。图7中运放采用AD797芯片，等效噪声电压功率En =0.9nv/ ，等效噪声电流功率2pA/ 。由于信号源内阻小于1KΩ，源等效噪声电流功率的影响相对于等效噪声电压功率的影响不在同一数量级，可以忽略。电阻R的热噪声为：ER= ，电阻R值为10Ω，在室温条件下，其热噪声大概为4×10-10V/ ，几乎可以忽略。因此式（3.4.2）接收电路等效输入噪声可以简化为：

Eni2=Ens2+En12+En22 +ER2 （3.4.3）

上式（3.4.3）中Ens，En1，En2，ER分别表示图7中信号源等效噪声电压、U1，U2等效噪声电压与电阻R的热噪声，由于Ens与ER 很小且En12=En22=En2，则接收电路等效输入噪声电压进一步化简为：

（3.4.4）

为进一步降低输入噪声电压，图5中接收电路采取了两个如图7所示仪用差分放大电路并联设计的方式，使输入噪声电压变为Eni= E。/ =En。按照接收电路约4万倍的增益来计算，理论上接收电路的噪声输出峰峰值应为9×10-10V/ ×40000×6.6=212.5mV。将接收电路输入端短接后，示波器实际测试接收电路输出波形如下图8所示：

图8：接收电路噪声输出测试

从上图8中可知接收电路实际输出噪声峰峰值为225mv，已经与理论计算值相当接近，充分说明了对接收电路的噪声水平理论分析基本满足实际测试的情况。

四、结束语

本文重点介绍了一种核磁共振测井仪能量泄放电路与信号接收电路的设计。着重对信号接收电路各个功能进行简要说明，并对其噪声水平进行详细分析。核磁共振测井技术是目前世界上最先进的石油探测技术之一[6]。在勘探阶段可为流体性质、储层性质及可采储量等地层评价问题的解决提供有效信息[7]；在开发阶段，能为油层剩余油、采收率以及增产措施效果等问题的评价和分析提供定量数据[8]。具备该技术已经成为衡量一个公司甚至一个国家测井技术水平的一个标志[9][10]。

基金项目：中海油企业发展基金（H04010701W070552）

[参考文献]

[1]George Coates,肖立志，Manfred Prammer著,孟繁莹译.核磁共振测井原理与应用.北京：石油工业出版社,2007

[2]邵维志,庄升,丁娱娇.一种新型核磁共振测井仪―――MREx.石油仪器,2004

[3]Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments,1966

[4]华中科技大学微弱信号检测技术资料

[5]戴逸松.微弱信号检测方法及仪器.北京：国防工业出版社,1994

[6]肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京:科学出版社,1998

[7]肖立志.核磁共振测井资料解释与应用导论.北京:石油工业出版社,2001

[8]肖立志.核磁成像测井.测井技术,1995,19(4):284～293

[9]肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用.北京:科学出版社,1998

[10]肖立志,谢然红.核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向.测井技术,2003,27(4):265-269.

（作者单位：中海油田服务股份有限公司油技研究院 北京）