Способ выделения слабых сигналов магнитного резонанса и устройство для его осуществления

 

1. Способ выделения слабых сигналов магнитного резонанса,включающий когерентное суммирование регистрируемого сигнала при многократном прохождении резонансной.области Спектра, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности , и точности воспроизведения спектра магнитного резонанса при сокращении объема памяти зaпo инaющёго устройства путем усреднения только шумовых компонент регистрируемого сигнала, при каждом следующем прохождении резонансной области спектра регистрируемый сигнал сравнивают с накопленным сигналом, измеряют разность между ними и когерентно % досуммируют разностный сигнал, причем при каждом Прохождении разност (Л ный сигнал досуммируют к накопленному сигналу с весовым коэффициентом, обратно пропорциональным числу вьтолненных прохождений резонансной области спектра.

аа (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Б(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3573864/18-25 (22) 23.02.83 (46) 30.06.84. Бюл. 9 24 (72) В.Н. Линев, С.В. Маршалко, В.A. Муравский,, Е.А. Фурса и С.С. Шушкевич (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный . университет им. В.И. Ленина (53) 538.69.083(088.8) (56) 1. Дехтяренко П.И. "Синхронное детектирование в измерительной технике и автоматике". Киев, 1965, с. 3"20., 2. Пул Ч. Техника ЗПР-спектроскопии. М., "Мир", 1970, с. 531 (прототип) (54) СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙ-.

СТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ выделения слабых сигналов магнитного резонанса, включающий когерентное суммирование регистрируемого сигнала нри многократном прохождении резонансной. области

"спектра, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью повышения чувствительности.и точности воспроизведения спектра магнитного резонанса при сокращении объема памяти запоминающего устройства путем усреднения только шумовых компонент регистрируемого сигнала, при каждом следующем прохождении резонансной области спектра регистрируемый сигнал сравнивают с накопленным сигналом, измеряют разность между ними и когерентно досуммируют разностный сигнал, причем при каждом прохождении разностный сигнал досуммируют к накопленному сигналу с весовым коэффициентом, обратно пропорциональным числу выполненных .прохождений резонансной области спектра.

1100547

2. Устройство для выделения слабых сигналов магнитного резонанса, содержащее аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи и запоминающее устройство, о т л и ч а ющ е е. с я тем, что оно дополнительно содержит вычитающий и суммирующий усилители, управляемый делитель напряжения и блок управления, причем вычитающий усилитель, управляемый делитель напряжения, суммирующий усиИзобретение относится к технической физике и может быть использовано при регистрации слабых сигналов магнитного резонанса: ЭПР, ЯИР, ФМР, ДЭЯР и других.

Известны способ регистрации слабых сигналов (сигналов с малым отношением сигнал/шум) магнитного резонанса и устройство для его осуществле-1О ния, основанные на модуляции резонансI ных условий магнитного резонанса (на

«тример, модуляции магнитного поля при 1егистрации сигнала- ЭПР). В этом слу:чае магнитного резонанса регистрируется на частоте модуляции, что позволяет использовать для повышения чувствительности узкополосное усиление и синхронное детектирование. Улучшение отношения сигнал/шум регистрируемого сигнала магнитного резонанаса достигается путем сужения полосы пропускания системы регистрации (ширина полосы пропускания определяется . постоянной времени низкочастотного

RC-фильтра, включенного на выходе синхронного детектора), что связано с увеличением времени регистрации j1) Ä

Недостатком известного способа регистрации является ограниченная чувствительность, что обусловлено вкладом в регистрируемый сигнал магнитного резонанса низкочастотных дрей. фов (шумов типа 1/3) выходных каскадов синхронного детектора.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности способ выделения сигналов магнитного резонанса, включающий когерентное суммирование регистрируемого сигнала при литель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь включены последовательно, вторые. входы вычитающего и суммирующего усилителей подключены на выход цифроайалогового преобразователя, а выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами делителя напряжения и запоминающего устройства. многократном прохождении резонансной области спектра.

Устройство для осуществления способа — накопитель спектров включает аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, цифровой сумматор. и запоминающее устройство.

При когерентном суммировании сигналов, регистрируемых за М прохождений резонансной области спектра, амплитуда сигнала магнитного резонанса возрастает в И раз, тогда как интенсивность шума возрастает только в 7 раз, поскольку в отличие от сигнала магнитного резонанса его шумовые компоненты не коррелированы между собой. Таким образом известный способ обеспечивает улучшение отношения сигнал/шум регистрируемого сигнала в О раз.

Объем памяти П запоминающего устройства накопителя определяется раз-, рядностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), числом накоплений и

N =2, числом каналов накопления К и: составляет

t1à(min) k n >О, .)I где Ф " число двоичных разрядов .АЦП, определяющее точность воспроизведения сигнала магнитного резонанса (точность "l ).

При заданном объеме памяти П увеличение чувствительности (т.е. увеличение числа накоплений Й ) возможно только вследствие уменьшения разрядности АЦП п1 (т.е. снижения точности воспроизведения регистрируемого спектра магнитного резонанса). И наоборот, увеличение точности воспроиз1 10054.7 ведения спектра путем увеличения разрядности АЦП и| возможно только в ущерб максимально достижимой чувствительности f2) ..

Недостатками указанных способа и устройства являются невысокая точность воспроизведения накопленных спектров магнитного резонанса и ограниченная чувствительность.

Цель изобретения — повышение чувст.10 вительности и точности. воспроизведения спектра магнитного резонанаса при сокращении объема памяти запоминающего устройства, путем усреднения только шумовых компонент реги- 15 стрируемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу выделения слабых сигналов магнитного резонанса,. включающему когерентное суммирование 20 регистрируемого сигнала при многократном прохождении резонансной области спектра, при каждом прохождении резонансной области спектра регистрирующий сигнал сравнивают с накоп- 25 ленным сигналом, измеряют разность между ними и когерентно досуммируют разностный сигнал, причем при каждом следующем прохождении разностный сигнал досуммируют к накопленному р сигналу с весовым коэффициентом, обратно пропорциональным числу выполненных прохождений резонансной области спектра.

Устройство для выделения слабых сигналов магнитного резонанса, содержащее аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи и запоминающее устройство,;дополнительно содержит вычитающий и суммирующий 4р усилители, управляемый делитель на" напряжения и блок управления, причем вычитающий усилитель, управляемый делитель напряжения, суммирующий усилитель, аналого-цифровой пре- 45 образователь, запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь включены последовательно, вторые входы вычитающего и суммирующего усилителей подключены на выход цифроаналогового преобразователя, а выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами делителя напряжения и запоминанйцего устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для выделения слабых сигналов магнитного резонанаса, реалиэующего предлагаемый способ, на фиг. 2 — спектры ЭПР образца (дефенил пикрилгидразина (ДФПГ).

Устройство содержит аналого-цифро-. вой 1 и цифроаналоговый 2 преобразователи, запоминающее устройство 3, вычитающий 4 и суммирующий 5 усилители, управляемый делитель б напряжения и блок 7 управления, причем вычитаюпуй усилитель 4, делитель б напряжения, суммирующий усилитель 5, АЦП 1, запоминающее устройство .3 н

ЦАП 2 включены последовательно, вторые входы вычитающего 4 и суммирующе-. го 5 усилителей подключены на выход

ЦАП 2, а выходы блока 7 управления соединены соответственно с управляющими входами делителя б напряжения и запоминающего устройства 3.

Представленные на фиг. 2 спектры

ЗПР образца ДФПГ выделены иэ шума известным (спектры 8-10) и предлагаемым (спектры 11-13) способами при различном числе накоплений.

На вход устройства поступает сигнал, регистрирующий при прохождении ,резонансной области спектра. с ю ф (1) где 5< — сигнал, регистрируемый при

1 -ом прохождении резонансной области спектра, 5с- сигнал магнитного резонанса (информативная компонента регистрируемого сигнала, 5ш„ - шумовая компонента регистрируемого сигнала.

И отличие от известного предлагаемый способ выделения сигнала маг нитного резонансао из шума базируется не на когерентном суммировании н регистрируемых сигналов!.Е- б, (т. е.

Ы< на одновременном суммировании инфор" чативной 5q, и шумовой5ю, компонент регистрируемого сигнала), а на когерентном суммировании только шумовых компонент .Я, 5 ; регистрируемого сигнала, что обеспечивается путем выполнения следующих операций.

Из регистрируемого сигнала 5, вычитаетея,. сигнал, записанный в памяти запоминающего устройства (ЗУ) 3, (г) что осуществляется вычитающим усилителем 4, иа один из входов которого поступает регистрируемый сигнал 5,, 1100547

" (<.:;,- - „-. ) (3) 10

Г1=п1 k а на другой — сигнал .5,11.1, записанный в памяти ЗУ при предыдущем (i-1) прохождении резонансной области спектра.

Разностный сигнал нормируется на весовой коэффициент, обратно пропорциональный числу выполненных прохождений что выполняется управляемым делителем напряжения 6.

Нормированный сигнал досуммируется к сигналу, записаннному в памяти ЗУ 3

I что выполняется с помощью суммирующего усилителя 5, на один из входов которого поступает нормированный разностный сигнал, а на другой — сиг-. нал иэ памяти ЗУ 3.

Таким образом, в результате выполнения указанных операций нри 1 -м прохождении резонансной области спектра в памяти ЗУ 3 оказывается записанным сигнал ЗП1 З111-1 П -1 °

Преобразование сигнала в цифровую форму для записи в память ЗУ осущест вляется с помощью АЦП 1 а обратное преобразование (т.е. преобразование из цдфровой формы в аналоговую) при 35 выводе из памяти ЗУ 3 с помощью ЦАП

2. Точность воспроизведения регистрируемого сигнала определяется точностью преобразования АЦП и ЦАП и составляет 1/2, где п1 — разряд- 40

Ю ность АЦП и ЦАП (АЦП и ЦАП имеют одинаковую разрядность).

Последовательность выполнения операций. задается блоком 7 управления, который, кроме того, формирует сиг- 45 нал развертки для прохождения резонансной области спектра.

Рассмотрим уровни сигналов при различных прохождениях резонансной об- 50 ласти спектра, При первом прохождении резонансной области спектра регистрируемый сигнал записывается в память накопителя 5 „, = 5„ поскольку пеРед нача- 55 лом измерения информация, записанная в память ЗУ 3, стирается (II>=

О).

При втором прохождении резонансной области спектра в результате вы1 полнения операции, описываем6й выражением (2), в регистрируемом сигнале компенсируется информативная компонента 5с и выделяется только шумовая компонента

После выполнения операций, описываемых выражениями (3) и (4), в память

ЗУ 3 записывается сигнал

Аналогично после М прохождений резонансной области спектра в память

ЗУ 3 будет записан сигнал н

511н= с 11 K. >ы1 (8) 1=1

Поскольку шумовые компоненты 5„,„ не коррелированы между собой, после

N суммирований их интенсивность возрастает только в)N раз по отношению к первой компоненте бы, и в результате

Таким образом, после Й прохождений резонансной области (и, соответственно, М накоплений) отношение сигнал/шум регистрируемого сигнала магнитного резонанса на выходе предлагае. мого устройства возрастает в 1Й раэ, но в отличие от известного способа выделения слабых .сигналов без увеличения интенсивности сигнала магнитного резонанса путем уменьшения уровня шумов в -Д раз.

Объем памяти ЗУ Г1 определяется только разрядностью АЦП rh и числом каналов К . и не зависит в отличие от известного устройства от числа накоплений Й =2

Таким образом, при одинаковом объеме памяти ЗУ устройств, реализующих известный и предлагаемый способы, предлагаемый способ выделения слабых сигналов магнитного резонанса обеспечивает более высокие точность воспроизведения спектров магнитного резонанса за счет большей разрядности АЦП (которая может составлять для предлагаемого устрой1100547 ъ04о/ - — 1o00

Р 2, о) N=1

¹ 102

N= 10

N=10

Фиг.2

ВНИИПИ Заказ 4573/34 Тираж 823 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород., Ул.Проектная,4

/ ства m + n) и чувствительность путем увеличения числа накоплений, которое в отличие от известного способа не зависит от объема памяти ЗУ и опрелеляется только условиями измерений.

Спектры 8-10 зарегистрированы на радиоспектрометре ЭПР "Минск-РЭМ-100", имеющем накопитель спектров. Накопитель имеет следующие основные параметры: максимальное число накоплений

Й = 1000, число каналов К = 1024, разрядность АЦП т = 8, объем памяти

П = 16 кбит. Накопитель спектров обеспечивает увеличение отношения сигнал/ шум регистрируемого спектра ЭПР приблизительно в 30 раз (Л 30) при точности воспроизведения спектра

Предлагаемое устройство, которое применено в радиоспектрометре

"Минск-РЭГ1-10", имеет следующие параметры: число каналов К = 1024, разрядность АЦП N = 12, объем памяти П = 12 кбит. Накопитель обеспечивает точность воспроизведения регистрируемых спектров ЭПР 0,05Х, что приблизительно в 8 раэ выше, чем у известного устройства, при этом требуемая чувствительность (т,е. требуемое число накоплений) опреде- . ляется только условиями эксперимента.

Спектр 13 получен .после 10000 накоплений, что обеспечивает в 3 раза более высокую чувствительность регистраации по сравнению с чувствительностью известного накопителя (спектр

10) .