核磁共振测井微弱信号接收链路研究＊

张嘉伟 薛志波 宋公仆 王光伟

(中海油田服务股份有限公司技术中心 北京)

核磁共振测井微弱信号接收链路研究＊

张嘉伟 薛志波 宋公仆 王光伟

(中海油田服务股份有限公司技术中心 北京)

文章主要介绍一种核磁共振测井微弱信号接收链路电路的设计,首先给出整个接收链路的设计思路,然后从各部分入手详细分析每个部分的具体功能与实现,最后对接收链路中前放电路噪声水平进行详细的分析与计算。

核磁共振;微弱信号;信号调理;接收电路;噪声电压

0 引 言

核磁共振测井方法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]。本文主要对核磁共振测井中微弱信号接受链路电路进行分析说明,详细分析了关于接收电路各部分的设计思想与接收电路噪声水平,从而对核磁共振测井中微弱信号的接收电路设计有一个比较深刻的了解与认识。

1 核磁共振测井接收链路整体设计

1.1 设计思想

图1 核磁共振测井接收链路整体框图设计

核磁共振测井接收链路的整体框图设计如图1所示。该接收链路的主要功能是对地层核磁共振微弱信出给数字采集板进行相关的采集操作。该部分是整个核磁共振测井仪器电路的核心部分,其信噪比与噪声性能直接影响整体仪器的性能参数,因此链路部分的好坏对整个仪器的性能指标至关重要。

核磁共振接收链路主要由一块隔离电路(decoupler电路)、一块前放接收电路(PreAmp电路)以及一系列辅助电路组成。其中隔离电路的主要作用是在仪器进行高压发射激发地层回波的过程中隔离天线探头信号与前放板之前的连接,起到保护前放电路的作用[2]。前放电路主要是将地层激发到底微弱回波信号进行信号调理放大,将调理后的信号输出给采集电路进行数字采集与DPSD相敏检波处理。图1中用信号发生器加衰减器来模拟实际天线上的微弱回波信号,事件控制板主要是起到控制接收链路进行相关导通与关断的作用,这个与实际CPMG序列时序有密切的关系。下面重点对接收链路中隔离板与前放接收板两部分进行分析。

1.2 隔离电路设计

核磁共振测井仪中隔离板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前放的通路,从而达到有效保护前置放大电路不受高压冲击的作用。其设计示意图如图2所示。

图2中,天线连接隔离板的输入部分,隔离板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,使其及时变低电平从而有效驱动隔离板上两个MOSFET管有效关断。图2中的收发开关是由两个耐电流极高的MOSFET管构成。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的软泻放控制信号,使隔离板上的泻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,起到泻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接收作准备。一般此时间控制为30μs以内,然后将softdump软泻放控制信号变高以断开泻放开关开始正常接收地层回波信号。

图2 核磁共振测井仪隔离电路设计

1.3 核磁共振仪前放调理电路设计

核磁共振测井仪中前放微弱信号调理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。前放微弱信号调理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;第二级主要是由三级级联的低噪声运放电路搭建而成,起到放大微弱信号的作用;第三级由一个1 MHz低通滤波放大电路构成,其主要作用是将前面放大后的信号进行低通滤波处理,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。前放信号调理电路结构框图如图3所示。

图3 微弱信号前置调理电路结构框图

由于回来的信号十分微弱大概在100 nV～5μV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-40 dB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

2 接收电路噪声分析

前面主要介绍了核磁共振测井中微弱信号接收链路的相关设计与功能分析,下面就其中最关键部分前放微弱信号接收电路的主要噪声性能再作一个细致的分析说明,从而更加清晰地了解对于微弱回波信号的接收,前放电路需要达到的性能指标要求。

2.1 前放电路噪声关键理论分析

由于回波信号微弱,接收链路前置放大所需要增益较大,考虑到放大器增益带宽积问题,接收链路前置放大采用多级放大器级联的方式得到期望的增益、阻抗特性、频率响应和功率电平,同时经常用负反馈来稳定交直流增益。

根据级联放大器的噪声系数关系式[3]:

式中,F1、F2、…,FN-1分别为前N-1级放大电路噪声系数;G1、G2、…,GN-1分别为前N-1级放大器放大倍数,F1,2,……,N为级联网络的噪声系数。分析N级级联网络可以得出结论,在放大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噪声系数的影响,因此接收链路前置放大设计主要集中第一级噪声系数的减小上。除低噪声运算放大器的使用还需考虑合适的电路形式以满足共模抑制要求以及天线回波信号差分输出接口设计基础上实现接收链路前置放大第一级噪声系数最小。可采用耦合变压器或者几路放大器件并联实现接收链路前置放大与天线之间的噪声匹配(最佳源电阻匹配)。

未最佳源电阻匹配时的噪声系数F:

式中,En为等效噪声电压;In为等效噪声电流;Rs为信号源电阻。

最佳源电阻匹配后的最佳噪声系数Fop:

2.2 实际前放电路噪声分析与测试

前放电路的第一级是2个差分仪用放大电路的并联。该电路部分的噪声水平直接决定了整体前放电路的噪声系数水平。其每个仪用放大器结构图如图4所示。

图4 仪用放大器结构图

一般应用中采用R1=R2,R3=R4,R5=R6的设计[4]。这样整体级联电路等效到输入的总噪声电压可以化简为:

式(4)中Ens为信号源等效噪声电压;Rs为信号源阻抗,Rs1,…,Rs(t-1)分别为1,2,…,t-1放大电路输出电阻。等效噪声电压En1,En2,…,Ent分别为1,2,…,t级放大等效噪声电压,In1,In2,…,Int分别为1,2,…,t级放大等效噪声电流;G1,G2,…,Gt-1分别为1,2,…,t-1放大电路增益。前放电路运放主要采用AD797芯片,其等效噪声电压功率等效噪声电流功率信号源内阻小于1 KΩ时,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。电阻的热噪声为,图4中电阻R的取值10Ω,在室温条件下,其热噪声大概为由于前级放大倍数较大,可知电路噪声主要由前级贡献。前置放大电路等效输入噪声电压公式简化为则前置放大等效输入噪声由于接收链路前置放大电路设计的体积被限制,采用n=2的两路差分放大器并联方式设计,则并联前放第一级等效输入噪声电压为综合可知,前置放大电路的噪声主要由运放的等效输入噪声电压En决定。按照理论计算输出噪声的峰峰值9×10-10V/××40 000×6.6=212.5 mV,前放按照图3所示搭建并将输入短接,测得的噪声输出最大峰峰值225 mV。噪声输出测试如图5所示,测试所得的Pk-Pk(M)值为225 mV,已经与理论计算值相当接近,说明所设计的前放电路噪声水平已经接近其理论噪声抑制水平。

图5 前放噪声输出测试

3 结束语

本文主要论述了核磁共振微弱信号接收链路的相关设计,其中主要对接收链路中隔离电路与前放信号调理电路的设计进行了描述,对前放电路的噪声进行了理论分析与实际测试。前放电路输出噪声测试结果表明该微弱信号接收链路设计已经接近理论水平,满足核磁共振回波接收的参数要求。

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

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

[3] 刘光祜,饶妮妮,模拟电路基础[M].成都:电子科大出版社,2001

[4] 戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京:国防工业出版社,1994

PI,2010,24(6):4～6

The paper introduces a weak signals′receiving channel on NMR logging,describes the whole structure of receiving channel,analyses the every part of receiving channel,and analyses the noise level of pre-amplifier circuit which designed for NMR logging.

Key words:NMR;weak signals;signal adjust;receiving channel;voltage noise

Research of weak signals′receiving channel on NMR logging .

Zhang Jiawei,Xue Zhibo,Song Gongpu and Wang Guangwei.

P631.8+7

B

1004-9134(2010)06-0004-03

中海油企业发展基金支助(H04010701W070552)

张嘉伟,男,1982年生,工程师,2007年毕业于成都电子科技大学,现在中海油田服务股份有限公司技术中心从事石油测井仪器的研制工作。邮编:101149

2010-05-29编辑:高红霞)