低场磁共振技术在油气探测领域得到了广泛应用，它能够检测岩层流体氢核弛豫时间T₁、T₂，以及扩散系数D，进而确定流体的分布，而流体分布可以为岩心的孔隙分布、孔隙度、渗透率、自由流体指数以及束缚水含量的测量提供依据^[1,2].石油勘探目前也逐步向低孔、低渗、非常规储层迈进，这类储层（比如页岩）的核磁共振信号非常微弱、衰减较快^[3].观测小孔隙中的流体，就需要减小仪器的回波间隔（TE），以提高对衰减快的短T₂分量的分辨能力，以及减小扩散对T₂测量的影响^[4].

核磁共振射频（RF）线圈（又称天线）通过发射射频高压向探测区提供射频场，RF脉冲停止后，天线上的残余能量会引起天线的机械振动，由于天线处于磁场中，这种振动会引入噪声，从而干扰核磁共振信号的采集，这种由天线振动引入的干扰称为振铃效应.核磁共振信号的采集是在RF脉冲结束后进行的，但是RF脉冲结束后往往伴随着呈衰减振荡趋势的振铃，越靠近RF脉冲，振铃干扰越大，对短T₂的数据采集造成了极大的干扰.低场核磁共振仪器本身信号较弱，振铃效应会更加突出.振铃效应不可避免，只有加快天线残余能量释放，才能减弱振铃效应^[5].

很多专家学者为抑制振铃信号展开了相关研究.一些商业化低场核磁仪器也采用了相应的技术来加速天线能量泄放，以降低天线残余能量影响.如Oxford仪器采用了Q-sense技术，缩短了TE，进一步提高了快弛豫信号的信噪比，并申请了相关专利.Magritek公司的2 MHz岩心分析仪通过快速泄放等方法，可以将TE缩短至60 μs.哈里伯顿的MRIL-P型测井仪和贝壳休斯的MREX测井仪都采用了主动泄放技术，每次发射结束通过场效应管（MOSFET）切换到串有无感电阻的通路来泄放残余能量^[6]，使最小TE分别可以达到0.6 ms和0.45 ms.2000年，Sun等^[7]提出的“Ring Killer”技术采用两个脉冲序列来消除振铃效应：第一个CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列用于采集地层信号和振铃，第二个特殊的脉冲序列只用来测量振铃信号，然后两次测量信号相减即消除振铃.该方法在T₁相对较小的地层应用效果很好，但是通用性很差，没有得到广泛的应用.2003年，Manfred^[8]尝试采用四周期的脉冲序列对振铃信号进行抑制，每组脉冲序列采用不同的发射频率，四组发射频率的差值设定与从激励脉冲结束到开始采集前的时间有关，这样可以消除部分振铃信号.目前，抑制振铃策略依然主要基于1979年由Fukushima等^[9]提出的相位交替对脉冲序列（PAPs）方法，该方法简单直接、易于实施.

通过高效的能量泄放电路和振铃信号抑制脉冲序列来进一步缩短TE已经成为低场核磁共振仪器设计和应用的通识^[10,11]，然而目前这些技术依然存在一些问题.比如，PAPs只能消除一部分来自180˚脉冲的振铃信号；主动泄放没有针对不同的负载情况采用不同的策略；探头和滤波器的死时间会导致信号在进行傅立叶变换时产生相位误差.本文尝试在硬件电路和数据采集处理等方面进行优化，进一步抑制振铃，提高低场核磁共振谱仪对快弛豫组分的测量准确度.

核磁共振测井仪电路通常包括以下几个主要组成部分，分别是全桥发射器、谐振LC网络、泄放电路、隔离电路等^[12].全桥发射器将直流高压转换为特定频率下的交流信号提供给探头.探头的LC谐振网络由RF线圈和调谐电容构成.RF线圈用来激发核自旋和探测核进动信号^[13].在激发模式时，即脉冲发射期间，RF线圈作为一个能量变换器，把RF功率变换为探测区域中的磁场B₁，此时希望它以最小RF功率产生最大的B₁场，并尽可能多的用于激发待测样品，天线的品质因数（Q）值越高，发射效率越高.在接收模式时，即回波信号接收期间，RF线圈作为信号耦合器，会感应样品探测区域内质子进动产生的横向磁化强度（M）的变化，此时希望它以最高的信噪比接收核磁共振信号.量化RF线圈性能的指标是信噪比和空间均匀性，但是两者是相互矛盾的，因为提高均匀性就需要增加线圈体积，体积越大，需要的RF功率越高，对信噪比的影响越大.因此，也希望天线Q值越高，发射效率越高.谐振LC网络用于存储和释放能量，它的性能决定RF线圈的收发效果.脉冲发射期间，天线将能量向外界辐射直至全部衰减.

但在RF脉冲结束后，RF线圈的能量不会马上消失，残余能量带来的振铃信号对核磁共振信号的接收采集会带来很大的影响^[14]，能量的变化反映在天线电压和天线电流上.低场环境下，被测样品的信号强度通常在-80 dBm量级，持续时间远远小于振铃信号的持续时间^[15].图1是MRIL-P型核磁共振测井仪中探头的LC谐振电路结构.为了确保探测区域的范围足够大，天线呈马鞍状分布^[16]，天线L1、L2分别位于磁体两侧.发射电路作为电压源为天线提供射频电压u，从而使天线产生电流i，进而产生稳定的射频场辐射至地层空间，假如谐振阻抗为R，i = u/R.激励脉宽为40 μs时，两天线的电流及停止施加激励后的能量泄放情况（用电流表示）仿真如图2所示，脉冲发射结束后，天线能量呈现指数衰减振荡，天线电压u和天线电流i呈现同样的衰减趋势，电压衰减趋势如(1)式所示：

其中，${{U}_{0}}$为初始电压；${{\tau }_{R}}$为天线恢复时间常数，Q为天线的品质因数，ω为天线谐振频率；φ为天线电压初始相位.

天线恢复时间（即能量泄放时间）一般为天线恢复时间常数${{\tau }_{R}}$的14~23倍^[17].而天线恢复时间常数${{\tau }_{R}}=\frac{2Q}{\omega }$与天线的Q值呈正比，与谐振频率呈反比.因此在特定频率下，降低天线的品质因数Q，可以减少天线恢复时间，即抑制振铃，但降低天线Q值会使仪器的灵敏度降低；在天线Q值一定的情况下，谐振频率越低，天线恢复时间越长.在低场核磁共振应用条件下，较小的频率造成天线恢复时间非常长，当信号强度较低时，振铃效应会更加突出.在测量包含有短弛豫组分的样品时，采集到的核磁共振信号已不能准确反映被测样品的真实信息^[18].

因此，在脉冲发射和信号接收期间需要天线保持高Q，以提高发射效率和接收效率；在脉冲发射结束后，需要尽快转换到低Q状态，让天线能量尽快泄放，避免污染回波信号.Q开关设计思路如图3所示.

早期使用的无源泄放电路又称为被动泄放电路，电路示意图如图4(a)所示.为了匹配天线的谐振阻抗，与天线并联的电阻R非常高，约为100 kΩ.尽管该方案能在脉冲发射之后通过电阻R泄放天线中残余的能量，但天线的品质因数Q也被电阻R拉低，发射效率降低，从而需要更高的发射功率^[19]，进而降低回波信号的信噪比.图4(b)为基于场效应控制的有源泄放电路，该电路基于Q转换思想，它添加了外部电路控制信号，当发射脉冲结束，Q开关会立即接通阻性负载，通过降低系统的Q来加快LC电路的能量耗散.但是开关管的使用会给天线引入新的脉冲振荡或者噪声，无法确定Q开关断开后的振荡是来自Q开关本身还是来自线圈的残余信号.上述两种方案都是通过能量转化的方式，将电磁能量转化为热能从而减少能量泄放时间，但是连续工作期间可能会产生大量热耗散，对电阻器件功率指标要求较高，长时间工作不可避免会造成电阻器件损坏，从而影响RF线圈性能.

基于低场核磁共振的探头电路，我们设计了基于耦合变压器的互感线圈Q转换电路，电路原理图如图5所示.左侧为收发一体探头，右侧为Q转换电路，二者通过空心变压器进行耦合.变压器次级线圈（L1、L2）可以表示为一个很小的电感，与主线圈的电感L0相比微不足道；它的电感值在频率改变时变化很小，并且在Q转换时不会引入新的脉冲振荡.因此，相对于其他有源Q转换电路，互感线圈Q转换电路更有优势.Q转换电路也是一组谐振电路，当天线L3和L4收到脉冲激励时，Q转换电路关闭，电压互感器的次级线圈没有电流，在这种状态下，与主电路串联的变压器初级线圈L0保存了所有引入的RF能量.Q转换电路开启时，Q阻尼器耦合到主电路，变压器的次级线圈以及R1、R2有效地从探头吸收能量.

图6为Q转换开关开启和关闭时对振铃抑制效果的cadence软件仿真对比：左侧为天线能量自然泄放的情况；右侧为使用Q转换开关后，天线能量泄放情况.发射频率为1 MHz时，观察天线振荡电流随时间的变化情况：未开启Q转换开关时，天线振荡电流降至1 A需要的时间约为25 μs；打开Q转换开关后，天线振荡电流降至1 A需要的时间约为9 μs.可以发现使用Q转换电路后，天线能量泄放时间可以缩短至原来的1/3，泄放时间大大缩短，但实际电路测试时泄放时间还要考虑负载、耦合系数、场效应管内阻等因素.

CPMG是实验室和测井中获得岩石弛豫信息时一种广泛使用的脉冲序列.在每个脉冲序列之前的等待时间（称为极化时间）之后，一个90˚脉冲将磁化矢量旋转到x-y平面（横切面）.这个90˚脉冲被称为激励脉冲或“A”脉冲.一旦进入x-y平面，自旋继续围绕静磁场B₀进动，并在散相过程中失去原来的相位^[20].在一定的时间延迟后，一个脉冲宽度为T180的180˚脉冲被应用于使自旋在横向面失相重新聚焦.这个180˚脉冲被称为重聚焦脉冲或“B”脉冲.重聚焦产生的回波可被核磁共振仪器检测，通过重复使用180˚脉冲，就会出现一系列自旋回波ECHO，如图7所示，这一系列回波通过开窗的方式来采集和处理，窗长即采集时间T_acq=T_acq2-T_acq1，这里以180˚脉冲开始为基准，T_acq1和T_acq2分别为从基准线到采集开始和结束的时间段.除了自旋回波信号，在每次脉冲发射之后，天线也会产生衰减振荡的振铃信号（包括激励脉冲引起的振铃RING90和重聚脉冲引起的振铃RING180）以及各种随机干扰噪声（noise），振铃信号衰减快慢直接影响最小TE的大小.

在TE内，存在仪器死时间T_gd、泄放时间T_dump、采集时间T_acq，四者之间的关系为：

当确定硬件系统、工作频率、外界环境、采集方法时，这些值就固定下来.T_gd代表自旋回波采集前由射频天线、电子线路、数字滤波等造成的测量死时间^[21⇓-23].当发射电路给RF线圈提供高压时，天线谐振网络不会立即响应，延迟时间与天线Q值有关，可以表示为$2Q/{{\omega }_{0}}$.同样，当RF线圈作为接收线圈时，回波信号的检测也存在$2Q/{{\omega }_{0}}$的延迟.回波信号经过模数转换器（A/D）采集后，通常要经过数字滤波器进行处理，由于滤波器固有的群延迟（T_GD）会造成信号时移问题，所以在信号滤波器的上升时间（T_DE）之前，数据不宜用来存储或使用，一般来说，T_DE ≈ 2T_GD.T_GD与数字滤波器的性能有关，带宽越窄，T_GD越长.确定采集窗的位置时需要考虑这些因素导致的时间延迟，以便正确获取核磁共振数据，尤其是在TE较短时.数据采集窗口考虑天线死时间和数字滤波导致的延迟后，实际采集窗口与理论采集窗口的延迟T_gd，可表示为：

该延迟在高频、TE较大的情况下可以忽略不计，但在低频、短TE的场合必须要考虑，否则会造成最大回波点偏离采集窗口.地层岩石中粘土束缚流体的T₂通常只有几毫秒，需尽可能准确记录其回波信号.

在线性系统中，振铃是由之前所有脉冲所引起的振铃信号的总和.在CPMG脉冲序列中，某处的振铃信号包括之前的90˚脉冲和180˚脉冲引起的振铃信号的叠加.PAPs利用了CPMG序列中地层信号对RF脉冲敏感，而随机噪声、振铃信号、直流偏置信号不具备这一性质的特点，可以滤除B脉冲产生的振铃信号.假如A脉冲引起的振铃信号为α，B脉冲引起的振铃信号为β，随机噪声为γ，回波信号为echo.PAPs的两组脉冲序列对应的采集信号可表示为：

CPMG1：α(0) + β(π/2) + γ + echo(0)

CPMG2：α(π) + β(π/2) + γ + echo(π)

PAPs：CPMG1 - CPMG2 = 2*α(0) + TGDγ + 2*echo

可以看出，PAPs技术有效地对回波数据进行平均，信噪比提高了2倍．

然而，由于A脉冲引起的振铃相位与产生的回波相位一致，因此PAPs技术不能消除A脉冲振铃.因此我们考虑在PAPs的基础上增加强制反转恢复脉冲，该脉冲与A脉冲的相位相反，引起的振铃相位也相反，只是该脉冲不再用于产生自旋回波.反相A脉冲通过迫使自旋系统与静态场重新对齐，加速了纵向磁化的恢复，从而能够消除A脉冲振铃影响.增加反转恢复脉冲后的脉冲序列对应的采集信号可表示为：

CPMG1：α(0) + β(π/2) + α(π) + 2γ + echo

CPMG2：α(π) + β(π/2) + α(0) + 2γ + echo(π)

PAPs：CPMG1 - CPMG2 = 2γ + 2* echo(0)

从以上效果看，虽然A脉冲引起的振铃被抵消了，但是增加了随机噪声的比重.我们进一步通过相位循环（双PAPs）的方式来降低由于数据叠加运算导致信噪比降低的情况.

CPMG1：α(0) + β(π/2) + α(π) + 2γ + echo

CPMG2：α(π) + β(π/2) + α(0) + 2γ + echo(π)

CPMG3：α(π/2) + β(0) + α(-π/2) + 2γ + echo(π/2)

CPMG4：α(-π/2) + β(0) + α(π/2) + 2γ + echo(-π/2)

双PAPs：CPMG1 - CPMG2 + CPMG3 - CPMG4 = 2 2γ + 4* echo

优化后的CPMG脉冲序列如图8，它可以去除不需要的A脉冲振铃信号（RING90），从而保留最初的几个回波，用于计算粘土束缚流体的贡献，并且这一脉冲序列可以重复运行用以进行回波平均，以提高信噪比.

通过以上分析可以发现，在每个标准的CPMG后面增加一个相位与90˚激励脉冲相位相反的强制恢复脉冲，可以起到抑制振铃的作用，该脉冲与最后一个180˚脉冲的时间间隔为TE/2.另外，在数据采集时要考虑死时间等因素引入的信号延迟.

在实验室岩心分析仪（型号：LIME-MRI-D2）上开展性能测试工作，探头LC谐振网络和Q转换电路重新制作，脉冲序列的产生和数据采集是通过片上系统（SOC）的数字后端来实现的.

Q转换器的电路图和实物图如图9所示.探头使用的电感为22 μH，2 MHz下的LC谐振网络阻抗为50 Ω，线圈L直流内阻为2.88 Ω.Q转换电路的主要元器件有MOSFET、变压器T、电容和电阻.L1、L2、C1、C2构成谐振电路，谐振频率为2 MHz，谐振阻抗与探头谐振网络匹配.作为泄放回路的关键器件，MOSFET选用IRLR3110Z，其泄放电阻R_ds在10 mΩ左右，漏源击穿电压（VDSS）可达100 V.变压器选用降压变压器，起到高压过高时保护MOSFET的作用，次级电感要远远低于初级电感.变压器的耦合系数、泄放回路电路、谐振电容均会对泄放时间产生一定的影响.经调试，在2 MHz时，该变压器T的初级线圈（探头端）电感为3.4 μH、内阻为990 mΩ，变压器次级线圈（Q-switch端）电感为728 nH、内阻为425 mΩ.变压器耦合系数K为0.75，C1和C2的电容值为18.8 nF，R1和R2为0.8 Ω时，泄放时间达到最短，此时天线的Q值为从84降至16.在Q转换电路调试过程中，可以发现：（1）天线的恢复时间与天线本身的品质因数呈正比，因为天线Q值越高，其效率越高，内阻越小；（2）天线的恢复时间与变压器的耦合系数K呈正比，K越大，天线LC振荡的能量传递到Q转换电路的效率越高.这些规律在实际电路调试过程中有着非常重要的指导意义，因为天线的恢复时间是以微秒为单位计算的，电感、电容及电阻值细微的变化将对天线恢复时间产生重要影响.

在此基础上，使用优化的脉冲序列来进一步消除RF脉冲引入的振铃，脉冲序列的实现基于SOC电路方案.SOC集成了现场可编程门阵列（FPGA）结构和运行Linux操作系统的硬处理器.在该设计中，FPGA结构在常规操作期间捕获的数据通过集成片上总线传输到硬件处理器进行进一步处理.FPGA使用通用输入/输出（GPIO）引脚控制前端模拟电路，运行实际脉冲序列，并临时存储采集的数据.数据采集电路采用ADI公司研制的14位、最高采样频率为65 MHz的高精度高速模数转换器AD9244，采集自旋回波信号，通过正交检波得到信号的实部和虚部数据.采集时序如图10所示，黄色为发射控制信号，蓝色为泄放信号，红色为采集控制信号.RF脉冲发射期间对接收回路进行隔离保护；RF脉冲发射完毕，通过Q转换电路对振铃进行快速泄放.采集窗位于180˚脉冲的中间位置，在此结合前面的分析，采集窗在程序内部做了偏移调整.

本文将Q开关“接通”的时间（阻尼时间）设定为从RF脉冲的末尾开始，直至振铃信号下降到大约4 μV环境噪声水平的时间，测试样品为T₂=200 ms的硫酸铜溶液，浓度为0.15 g/L，使用自旋回波（spin echo，SE）序列测试单回波受振铃影响情况.当C3、C4分别是181 pF和68 pF时，Q = 84.施加脉宽为20 μs的脉冲后，打开Q开关，天线L电压最大值接近2 kV.为了保证能量泄放效果，阻尼时间设为25 μs，接收器增益为40 dB.TE分别为500 μs、100 μs、60 μs采集到的原始回波信号如表1所示.无Q转换器时，信号受振铃干扰严重，信噪比很低；5次重复实验的信号幅度波动较大.测试得到的信号幅度范围在11.3~12.9 μV之间.有Q转换器时，信噪比较高；信号幅度波动较小，幅度范围稳定在11.1~11.8 μV之间，并且随着TE的缩短，信号幅度有增加趋势.TE越长，回波信号受噪声影响越小；缩短TE的过程中，振铃位置保持不变，而回波向振铃靠近，回波信号受噪声影响明显，信噪比降低.相比没有使用Q转换器时，使用Q转换器后的天线恢复时间更短（由280.0 μs缩短为18.2 μs）.

Q转换电路在加快能量泄放和抑制振铃信号方面取得了较好的效果，而本文最终目的是为了缩短TE，实现快T₂弛豫组分磁共振信号的采集.为了验证本文设计的能量泄放电路和优化脉冲在采集快弛豫信号时的有效性，我们配置了8 mL硫酸铜溶液，浓度为54 g/L，T₂为1 ms左右.分别采用两组序列进行硫酸铜溶液测试：一组为常规CPMG脉冲序列，一组为优化后的脉冲序列.为了进行对比，采用同样的序列参数和同样的反演处理程序.设置等待时间为2 s，TE为60 μs，回波个数为500个，叠加次数为16来尽可能过滤噪声.测试结果如图11所示，图11(a)为数据采集处理后的衰减回波串的幅度值，红色线为优化后的数据，蓝色线为常规CPMG脉冲得到的数据，灰色为回波串的趋势线.分别对衰减的回波串数据进行反演，得到图11(b)所示的T₂谱.从图中可以看出，优化后的脉冲序列得到的衰减回波串信噪比较高，同时反演包络较为平滑；而常规脉冲序列得到的回波串噪声明显，并且T₂谱受噪声影响明显，最高点幅值和形态与优化后的反演数据差异较大.由此可以发现，采用Q转换电路，以及对90˚和180˚产生的振铃信号抑制效果较好的优化脉冲序列后，对多采集的回波数据信息进行滤波、反演处理，可以有效的提取快T₂弛豫组分的核磁共振信号.

低场核磁共振TE的影响因素涉及RF脉冲宽度、天线恢复时间、控制系统延时和数字滤波延时等方面，而减少天线振铃干扰是缩短TE的关键.

本文设计的新型Q转换电路，在能量泄放阶段，将天线的品质因数降为原来的约1/5时，可以有效缩短天线恢复时间.在传统PAPs技术上，增加反转恢复脉冲和相位周期循环可以进一步抑制包括振铃在内的噪声，大大提高信噪比，有利于采集快弛豫组分的T₂信号.同时，增加反转恢复脉冲对于缩短等待时间，增加数据采集数量，也具有重要意义，这也是下一步即将开展的研究工作.

本研究基于北京青檬艾柯科技有限公司的LIME-MRI-D2谱仪开展试验工作，对该公司提供的试验平台表示衷心感谢．

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