核磁共振测井发射模块的噪声抑制_张彬.pdf

第卷第期 年月电力电子技术，核磁共振测井发射模块的噪声抑制张彬，王旭 红，张一鸣，郝思睿（北京工业大学，信息 学部电磁理论与新技术研宄中心，北京）摘要：核磁共振测井的各模块挂在同一链 路，独立模块的工作状态不仅影响着自身功 能，还会影响到链路上前后模块功能。基于此，针对发射模块待机噪声问题需要进 行优化。通过逐级分析和对比系统前 后 噪 声水平，得出影响发射模块待机噪声的主要因素是驱动碳化硅金属（）氧化物 半导体 场效应晶体管（）的电源模块的次级输出纹波，该纹波会通 过、二极管、无 源器件等寄 生参数传导，耦 合到天线端。此处设计了一个无源滤波电路，以降低电源模块次 级输出的纹波。仿真和实验数据表明，使用该滤 波电路后，发射模块的待机噪声 得 到了有效抑制。关键词：滤波电路；核磁共振 测 井；噪声抑 制中 图分类号：文献标识码：文章编 号：（），（，）：，？（）（）？，？，：；：（）引言随着电子技术、材 料 技术、仪器制造、计 算机科学、地质科学等相关理论和技 术的不断进步，核磁共振测井经过近几 十 年发展 取 得飞速进步队核磁共振探测的目的是为了解决油气储 层评价问题，将医学核磁共振成像的原理和方法应用到油气田的井下观测中，可实现有 效而快捷的观测。利用地层中的物质，如水和石油等具 有不同核磁共振性质这种 差异，就可对油气和水进行区分。随 钻 核磁共振测井仪技术的研发是一项综合性的各领域技术 密集 结合的系统性工程，需要对基金项目：中国科学院科技先导项专 项（）定稿日期：作 者简介：张彬（），男，硕士研究生，研究 方 向 为电 力电子与电气传 动。整 套系统紧密配合。此处详细分析了核磁共振测井发射模 块的待机噪声及其在模块间传递路径，提出了一种 新型抑制电源纹波的电路，并通过实验验证了电路功能，最终实 现了对 核磁共振测井发 射 模块噪声 的抑 制。核磁共振测井仪发射模块结构核磁共 振测井仪 整机结构在总 结借鉴现有商业化仪器电子线路的基础上，此处结合自主设 计的磁体和天线特点，选用了各半导体器件 公司最新研发的高 性能、耐 高温器件，设计了核磁共振测井仪的电子 线路。所设计的电子线路由功 率脉冲 发 射驱动、功 率脉冲 发射电路、泄放驱动、泄放电路、隔离电路、接收电路、主控电路、地面系统和天线组成，该电子线路框图如图所示。核磁共振测井发射模块的嗓声抑制面控糸统电路功率 社冲发射驱 动功率咏 冲发射电铬卜泄放驱动接收电路汊放 电路卜隔 离电路图电子线 路框图 场效应管？，其中，组成一个桥臂，组成一个 桥臂，其为发射的射频脉 冲补 充谐振损耗的能量，发射全桥电路 输出端与发 射天 线相连。核磁共振测井仪发射模块待机噪声分析整 支 仪器的工作流程为：地面系统将命令 发送给主控电路，主控电路 将相应 信息解码并创建指 令产生全部时序和 仪器所需的控制信 号，并将控制 信号发送到 功率脉冲发射驱动、泄放驱动。功率脉冲发射驱动 将主控电路 发出的发射脉 冲 放 大为 大电流的驱动控制 信号，以驱动功率 脉冲 发射电路的功率器件。功率脉 冲 发射电路发出大功率的射频脉冲传输到天线，由天线发射到地层以产生核磁 共振。射 频脉冲发射完 成后，由泄放电路快速泄放掉天线中残余的能量，待能量 泄放 完成 后，回波信号通过隔离电路进入接收电路，并对微弱的回波信 号进行放大。主控接收 到放大 后的回波信号，进行数据采集和数 字处理，以完 成整支仪器核磁共振测井功能。核磁共振测 井仪发射模块核磁共振测井仪发射模块的主要 功 能 是提供大功率的射频脉 冲，其发射的脉 冲频率为拉 莫尔频率，在拉莫尔频率下，氢核的磁能级 之间能发生共振跃迁，进而 产生核磁 共振。此处所设计功 率 脉冲 发射电路以全 桥结 构为基础，电路结 构 见图。由于拉莫尔频 率 为，故此处所用功率器件为。具体 分为个部分，分别为换向全桥电路、自举隔离电路及发射全桥电路。具体工作原理如 下：换向全桥电路包括个场效应管丫丫义彳其中丫丫“且成一个 桥臂，组成一个桥臂，两 个 桥臂分别接入高压电源；自举隔离电路包括储能短接电容，隔离二极管，电阻其中尽通过丫，和私，？实现换向全桥电路和发射全桥 桥臂间 的阻隔，与凡，尺并 联，起到自举抬高近一倍电压作用；发 射全 桥电路包括个仿 真分析在接收时，发射模块的状态固定 为待机状态，发射 单元功率 部分并 不工作，所有开关管均处于拉低状态，只有驱动 的驱动电源在供电。驱动电源模 块 为，可以提供正向开通电压，负向关断电压。分 析可能的干扰传导路 径 为电源模块拉低至后存在高频纹波，通过的寄生电容传导至功率传输路 径上，进而将该微弱波动 信号传导至天线上，在接收采集时一并 被收到 并放大。所采用 的为 ，其主要参数如下：输入电容；输出电容（；逆导电容；栅源极电压为；导通电阻匙（）。根 据，（可以计算得到对应的寄生参 数，搭 建仿真模型，根据驱动电源给出供电纹 波 最 大 峰 峰值为，建立功 率回路寄生参数与天线的传导模型，测量回路电压接收到的纹 波 幅值。在 中搭建仿真 模型，仿真测得在输出到天线段的待机噪 声 仿真图像如图所示，得到 仿真结果纹波最 大处峰峰 值 为，即天线上产生的噪 声峰 峰 值最大值为。由于天线能接收到的回波信号幅度仅为几十 纳伏至几微伏，故该数值会 严重 影响到回波信 号的接收，以及后续的数据采 集和数字处理。图天线 两端噪 声 仿 真 波形 纹波噪 声 测量与分析关于电源纹波和电源噪声并没有一个 给定的标准定义，可以将电源纹波理解为电源模块输出电压的波 动，与复 杂的供电网络 无关，或 是电源输出的源端电压的波动。电源噪声则是指电源模块工作在实际系统中，经过供电分布网络或耦 合形式将电源能量输送到输出端的电压的波动，或简（格）（格）（）与“（）与图发射天线 端各 级纹 波和 噪 声 由于拉 莫尔频率 为，故该实验主要 分 析 在频率左右的纹波 分量。图为驱动供电的次 级输出波 形，其中，为所测得的纹 波 波形，为 其频谱图，可见次级输出纹波的峰 峰 值 为，工作频率为，与其手册上所标称的工作频率、输出纹 波的峰 峰 值基本吻合。图为驱动端输出纹波，即端的输出纹波，其中为 测得的纹 波波形，为其频 谱图，可见通过驱动拉低后，驱动的输出纹波 大大降低，纹 波的峰 峰 值降低至，最高 峰值处即为 传导进来的 电源噪声开关 管形成的干扰，在此期间会 看到周期性的其他毛刺，即通 过寄生参 数 耦 合 其他开关 管驱动引入的噪 声，产生 略微突出的尖刺，频 谱分析 在的纹 波分量约为。图为输出端的输出噪声，即间的输出噪 声，其中为所测得的噪声波形，：为 其频 谱图，可 见 该驱动噪 声通过寄生电容耦合到端 进入功率回路，产生传导干扰，驱动 管输出端间噪 声峰峰值进一步降低，为，最 高尖刺处依然为其驱动的纹 波干扰 产生，但传导 幅值略 有下降，频谱分析左 右纹波 分 量 在（左右；以上是测量 发 射电路一路驱动和开关管的纹 波及噪 声 水 平，其 整体所形成的双全 桥功放电路功率输出端与各开关 管的或相连。图为 功率脉冲发 射电路输出端的噪声，其中为所测得的纹 波波形，为其频 谱图，可见各驱动的纹波传导都 会 在功放 端进行显示，各尖刺（格）（）与（格）（）单来 讲是电源输出的末 端电压的波动。此 处逐级对 从驱动输出端到 发射天线端的纹 波和噪 声进行测量并进行分 析，图所示为逐级测得的实验测量波形。幅值的峰峰值基 本一致，达到了，基本为峰值，而其在频率 纹 波 分量幅 值约为由于实验室原理样机的天 线 线缆 连接线缆分布较为分散，存 在 各种 寄生参 数，导致 纹波恶化，另外 受到 很大的空间干扰使得测量出现误 差，其布局并不是最科学的，故测 得的纹波与仿 真 相比波动较大，但总体趋势是一样的。天 线输出端纹波最大的尖刺周期与驱动的纹波 位置基本吻合，可判定源头来自模 块开关管，传导干扰至输出端。核磁共振测井仪为发 射接收分时运行，但两条链 路 挂接在同一天线，天 线既是大电流 射 频 场发射天线又 是微弱的核磁共振回波信号检测 天线。在接收 时段内功 率脉冲发射电路处于待机状 态，供电电源、驱动电源等 产生的噪声通过各 级电路的、二极 管、无源器件 等寄生参数传导至天 线端，会引起接收链 路 底噪的增加，影响回波信号的检测，因此需要 对发射模 块的待 机噪声进行抑制。噪声抑制及实验验证目前发射端 产生的纹波噪 声出现对功率回路连接天 线端的干扰最 大可认为在内，左右分量在以内。通过观察图实验波 形，可见 噪 声形成许多尖刺，其包含多个 频率的高 次谐波，更容易通过寄生电容 而传导至功率回路和天 线接收端，且高频噪声更 容易从各器件寄生元 件中耦合 传导，产 生差模和共模干扰。对于低 频核 磁共 振，其与天线传输距离 很近，所以高频噪声几乎 不会衰减，故将 从源头上削弱驱动回路纹波，从输出端直接抑制纹 波。滤波电路的设计传统的滤 波电路一般 是由等 无源元器件构成的无源滤 波器，要想成功将高频的噪 声过 滤，常常使用低通滤 波器。传统低通滤 波器常用型滤波器型滤 波器包 括两个电容器和一个电感器，其输入和输出都呈低阻抗。型滤 波 有和两种，型滤波器电阻要消耗一些能量，且效果不如电路，故常选用型滤 波器。虽然型滤 波器对高频 信号有显著衰 减作用，但高频开关尖峰 噪声 属于共模干扰，型滤波器对于 高频微 信的纹波抑制能力并不能很好地达到预期效 果，故需对一般的滤 波器进行 改进。此处 结合扼流圈的工作特性对一般的滤波器进行了改进，在 传 统的型滤 波器前 并联 扼 流圈第卷第期电 力 电子技术，年月 二，（逛公）核磁共振测井发射模块的噪声抑制（格）（）优化后图滤波器插入损耗仿真结 果 实验测试结合 仿 真 软 件的分析及调节型滤 波网络、扼流圈等的匹配，搭建 实验平台，对电源次 级输出纹 波进行滤波，验证电路设 计的有 效性。改进后的滤波电路中器件主要参数如 下：，的型号选用。图为通 过滤 波电路后，测得电源次级输出纹波实验波形与 原波形对比。其中 图为 优 化前的纹波及其，图为优化后的纹 波及其。对比可见次级输出纹波 得到有 效抑制，电压纹 波峰峰 值为。和一对电容，其电路如图所示，由电容，电感，和共模扼 流圈构成，以起到 抑制共模干扰的效果。土图改进后的滤波电路 插入损耗是接入滤 波器前从干扰源传入负载的功率和接入滤波器后从干扰源接入负载的功 率的比值并结合 参数 仿 真计算显示的噪声抑制插入损耗，是滤 波器对于 噪声抑制能力的体现。通过软件计算改进后的滤 波电路 插入损 耗，其仿 真 结果如图所示。可见，滤波电路对于高频噪声的抑制效果十分显著，尤 其 是频率 大于 的噪 声，可最 大程 度地过 滤 掉高 次谐波。图驱动端输出噪声对比 由实验结果可见，通过调试优化发 射驱动供电输出，从源头处抑制高频纹波及噪声，基本将高频噪 声 抑制在 以下，低频噪声也会在 功率回路中被 其他阻 隔电路阻挡，避免对发 射天线的高频传导干扰。结论介绍了核磁共振测井工作原理及其 链 路结构，然后通 过逐级分 析电源纹波的传递 路径，通过仿真与实验相结合的方 法，论证发射模块待机噪声来源。由于待机噪 声 耦合到天线，会对接收 模 块的数据采 集造成很大影响。基于该现象，提出一种改进版的滤 波电路，通过仿真和实 测波形，验证了电路功能的可靠性。实验结 果表明，在 改进滤波电路作用下，发 射 模 块的待机噪 声得到有效 抑制。参 考文献？！，（）：于慧俊核磁共振测井 仪电子线 路设 计与实现青岛：中国石油大学，苏 怡 瑞，张健穹，李相 强，等大功率三相两 级型共模滤 波器的近场耦合分 析磁性 材 料及器件，（）：（格）（格）（）优化 前（）优化后图驱动端 输出纹波 对比 图为通过滤 波电路后，测得的输出端输出噪 声，即间 的输出噪声对比。其中图为优化前的噪声及其，图为优 化后的噪 声及其，通过对比可见纹 波得到了有 效 抑 制，电压纹波 峰 峰值为。，通过对比可见纹波 得到了有效抑制，电压纹波峰峰 值为。（格）（丨格）（）优 化前（）优化后图次级输出纹波对比 图为通过滤波电路后，测得的驱动端输出纹波，即端的输出纹波对比。其中图 为优化前的纹波及其，图为优化后的纹 波及其：（格）优化前（逛一）卜、）（）（）