Способ регистрации сигнала резонансного взаимодействия вещества с электромагнитным излучением (ЭМИ) и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01N24/10 

опорного напряжения, лок 5 управления, блок 6 вычитания, арифметико- логический блок 7, блок 8 памяти, управляемый блок 9 деления,сумматор 10 и блек 11 идентификации. Кроме того, оно может содержать также блок 12 анализа стационарности и блок 13 мажоритарного голосования. Шина 14 является информационным входом, а шина 15 - информационным выходом устройства, шина 16 - второй выход блока 11 идентификации, тина 17 - управляемый выход устройства.

Клок 11 идентификации может быть выполнен в виде блока 18 памяти (фиг.2) либо в виде первого блока 19 памяти, накапливающего сумматора 20, второго блока 2 памяти,учла 22 управления, элемента 23 задержки и нормализатора 24 (фиг.З/, либо в виде первого 25 и второго 26 блоков памяти, арифметико-логического блока

27с регистром аккумулятором, узла

28управления и нормализатора 9 (фиг.4).

Способ осуществляют следующим образом.

При каждом очередном воспроизведении спектра магнитного резонанса по дискретизированным отсчетам соответствующего J-ro (, 1,2...) сигнал Е; предварительно, в течение заранее выбираемого числа Mj последних периодических прохождений резонансной области спектра, производят раздельное выделение текущей высокочастотной тумовой составляющей R. сигнала. При этом каждый регистрируемый в течение М: последних прохождений резонансной области спектра мгновенный 1-й (i 1,2,..М) сигнал V,j магнитного резонанса соответственно рассматривают как композицию постоянной С :н и мгновенной нысокочастот

ной шумовой г,

составляющих

V

к,си +

.

где К , - наперед фиксированный масштабный коэффициент приведения число- кодового значения оценки Г, j. ( к входной разрядной шкапе спектрометра. В общем случае он выбирается из условия Ь К,- 1, a Cj, представляет собой

1

н

М 1-0

,и-е

скользящее среднее значение п; последних сглаженных сигналов

1

5

0

1 ч

М

сигналов магнитного резонанса, сформированных на предыдущих циклах воспроизведения спектра магнитного резонанса после регистрации его мгновенных сигналов V за

соответствующее М JM ,

число периодических прохождений резонансной области спектра. В свою очередь каждый из этих сглаженных сигналов магнитного резонанса формируют путем изначального задания (с помощью источника 4 опорного напряжения по фиг.1) исходной для первого (j 1 сглаженного сигнала Я оценки, равной число-кодовому значению середины разрядной шкалы аналого-цифрового преобразователя 1 (фиг,1), и последовательного от цикла к циклу воспроизведения спектра когерентным суммированием двух составляющих по следующей зависимости

5

0

5

С

(з)

J i- г

Таким образом, ограничиваясь выделением в течение М периодических прохождений резонансной области спектра лишь текущей высокочастотной тумовой составляющей RJ сигнала, ее раздельную нормировку производят на заранее выбираемый весовой коэффициент Bj Mj/K2 согласно следующему соотношению

R М;

М

J

55

где К Ј - наперед фиксированный мас- 40 штабный коэффициент приведения число- кодового значения оценки R к выходной разрядной шкале спектрометра. Коэффициент Кг выбирают из условия К2 К1 при равномерно взвепенной 45 статистической обработке последовательности формируемых сигналов р Л и из условия , при получении сигнала Е в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего 50 значения последовательности

Указанную по соотношению (4) операцию в преимущественном варианте чисто цифровой реализации способа, т.е. в случае, когда не используют предварительное аналоговое накопление М: последних регистрируемых сигналов V;: осуществляют в два этапа. Вначале при каждом i-м прохождении

резонансной области спектра выделяют- разностный сигнал г;: между регистрируемым при этом мгновенным сигналом V

|

магнитного резонанса и

приведенном к входу спектрометра скользящей средней оценкой С; , ласно соотношению (l)

V - К v и а i

CJH

ч м

Выделяемую таким образом последовательность Гг;: I разностных сигналов когерентно суммируют и лишь по окончании последнего М -го прохождения резонансной области спектра полученную по соотношению (4) сумму всех разностных сигналов jj l подвергают нормировке на весовой коэффициент В

М:/К2 пропорциональ

ньгй числу W 1 воспроизводимых очеред ным первообразным сигналом Е. последних (v-:5 M ) прохождений резонансной области спектра.

В результате, осуществляя когерентное суммирование выделенной по соотношению (4) высокочастотной шумовой составляющей К: сигнала и скользящей средней оценкой С.., , формируют согласно соотношению (3) очередной j-й сглаженный сигнал S. магнитного резонанса, за счет которого обновляют скользящую выборку из N последних сформированных сглаженных сигналов {RJ-, , ,..O,SJ.N,

Окончательно по указанной обновленой скользящей выборке воспроизводят очередной J-й первообразный сигнал Е- магнитного резонанса

N,о

-г

(5)

При этом также находят по соотношению (2) очередную скользящую среднюю оценку условия:

С. исходя из следующего

1 Ј nj N,

(6)

определяющего заранее задаваемую глубину памяти к предыстории контролируемого процесса для выделения высокочастотной шумовой составляющей Н;.ц сигнала уже при следующем цикле ее выделения. В преимущественном варианте (фиг.2 и 3) реализации способа в качестве скользящего среднего значе4

Cj принимается сам сигнал EJ,

, В частном (фиг.2)

ния

т.е. задают

случае N 1

п

либо ограничиваются

- 10

возможностью воспроизведения получаемым сигналом К , лишь М последних прохождений резонансной области спектра путем задания К , 5 К2 . Либо задавая К2 , используют дополнительную возможность для повпг шения отношения сигнал/шум эя счет выделения очередного первообразного сигнала К,1 магнитного резонанса уже в виде экспоненциально взвешенного

скользящего среднего значения

Мо -Т V

15

Е)

к,

к,

, 1

(J

- Е

Г

Ег,

(7)

Mj

М,

5

0

о прохождений

0

5

воспроизводящего уже не ( 2 2 m - 1 ) -М0 последних резонансной области спектра.

Осуществляют непрерывный по скользящей выборке локальный контроль за тенденцией отклонения от нулевого уровня последовательности выделяемых шумовых составляющих R 1 сигналов. Указанную тенденцию, характеризующую с наперед выбранной доверительной вероятностью Ра (1 - Q), где Q - заранее выбираемый уровень значимости, степень изменения уже информационной составляющей сигнала Е. от цикла к циклу его последовательного обновления, выявляют по тесту стационарности, которому подвергают L последних выделенных шумовых составляющих сигналов RJ, RJ, ,..., R j . L .

Классификацию теста стационарности осуществляют с помощью, например, одного из наиболее мощных непараметрических критериев стационарности критерия Рамачандрана-Рантганатана для суммы квадратов длин серий,каждая из которых представляет собой непрерывную последовательность из 1, шу- 5 мовых составляющих Rj l одного и того же знака („: Ј т,)э конкретно, после получения очередного j-ro первообразного сигнала производят проверку выполнения следующего условия стационарности для используемого критерия:

s; Q; L 2ГЦ

х ™ ймакс С; L) - ,

где m - число серий длины 1

) - выборке из последних I. вылеленных

шумовых составляющих пс-рвообразных сигналов, я {W;b аредставля0

0

5

(8)

на

ет собой протабулированный критический порог для используемой статистики .

При обнаружении, после каждого получения очередной ,1-й шумовой составляющей R первообразного,невыпол нения условия стационарности (8) уменьшают для формирования следующего (j + 1)-го сглаженного сигнала

S

J4

магнитного резонанса число пос

ледующих прохождений резонансной области спектра на максимально допускаемую величину для заранее выбранного уровня значимости Q „ Практически, число М, + , последующих прохождений резонансной области спектра уменьшают вдвое по сравнению с числом М; предыдущих прохождений,причем такое последовательное уменьшение числа М .4. прохождений резонансной области спектра осуществляют при непрерывном действии дрейфа от цикла к циклу получения следующих первообразных сигналов вплоть до установления заранее выбранного минимального числа Ммии прохождений резонансной области спектра,, В то же время, при прекращении дрейсЬа осуществляют с момента выполнения условия стационар ности (8) последовательное от цикла к циклу увеличение числа прохождений резонансной области спектра вплоть до достижения им заранее выбранного максимального числа М wouc. В результате такой адаптивной вариации числа М :+« обеспечивают уменьшение динамической ошибки смещения при воспроизведении спектра магнитного резонанса на участках дрейфа peso нансных условий путем автоматического в целом уменьшении в этих случаях числа воспроизводимых прохождений резонансной области спектра,

Аппаратурно способ реализуется следующим образом.

Регистрируемый при каждом i-м прохождении резонансной области спектра

сигнал магнитного резонанса поступает на информационный вход 14 устройства (фиг.1). При этом каждый из G дискретизированных отсчетов сигнала V;j Ъ , синхронизированный с наперед установленным для него сдвигом по отношению к началу отсчета текущей развертки резонансной об- . ласти спектра, пропускается (строби- руется) коммутатором 3 на вход суммирующего усилителя 2. Последнее осу15662758

щестнляетгя по соответствующему 5 -му сигналу (} 1,2...Г,) с первого выхода блока 5 управления, где - порядковый номер соответствующего диск- ретизированного отсчета сигнала.

Просуммированный г постоянной сос0

0

25

зо 4Q

тачяющей Cfl, задаваемой через соответствующий масштабный преобразователь, источником 4 аналоговый сигнал + о с выхода усилителя 2 преобразуется АЛП 1 в цифровой код, который поступает на информационный вход блока 6 вычитания. При этом в соответствии с соотношением () на второй вход блока 6 вычитания с выхода 6 блока М идентификации поступает одноименный -и дискретиэирован- ный цифровой отсчет скользящего среднего значения Г соотношением ходе блока 6 формируется 1-й цифровой разностный сигнал , который когерентно суммируется арифметико- логическим блоком 7 с ранее выделенной парциальной суммой одноименных )-х дискретизированных отсчетов выделяемой по соотношению (4) текущей

j-i, определяемого 2), В результате на вы5

о Q

0

5

1-и шумовой составляющей R сигнала.

Синхронность выполнения указанных операций обеспечивается тем, что по их завершении посредством каждого 0-го сигнала с первого выхода блока 5 управления на выходе 16 блока 11 выставляется следующий по порядку 0+1)-и дискретизированный отсчет скользящей средней оценки С, +П« Вместе с зтим посредством того же ч-го сигнала с первого выхода блока 5 управления обеспечивается запись в блок 8 стековой памяти результата когерентного суммирования арифметико- логическим блоком 7 выделенного в текущем такте v -го дискретизированно- го отсчета разностного сигнала rij c накопленной к этому моменту суммой одноименных -х дискретизированных отсчетов выделяемой шумовой составляющей сигнала. Причем одновременно с такой записью обновленной информации в блок 8 стековой памяти на его информационном выходе выставляется цифровой код ранее когерентно накопленной за (i-1) предыдущих прохождений резонансной области спектра суммы уже 0+1)-х одноименных дискретизированных отсчетов выделяемой по соотношению (4J)

шумовой гостявляющей R,v + J первообразного сигнала.

Процесс такого циклического обновления содержимого блока 8 стековой памяти, равно как и процесс циклического обращения на информационном выходе 16 блока 11 всех С цифровых дискрет скользящей средней оценки С , продолжается вплоть до наступления завершающего М:-го прохождения резонансной области спектра при получении очередного j-ro сигнала К: магнитного резонанса.

При этом во всех вариантах функционирования устройства (фиг.1) в самом начале (i 1 каждого j-ro цикла выделения Rj посредством соот ветствующей команды также с второго выхода блока 5 управления дискрети- зированные отсчеты первого (г 1) выделенного разностного сигнала г( -$3 складывают не с содержимым блока 8, а с сигналом логического О, обеспечивая тем самым очищение блока 8 стековой памяти от цифровых данных, накопленных в нем на предьщу щем (j-I)-M цикле выделения Rj-i

В процессе осуществления последнего М j-ro прохождения резонансной области спектра каждая из G выделенных } -и парциальных сумм % г;: -) подвергается в блоке 9 операции деления на нормирующий коэйхЪициент А: М:/Кл, задаваемый с третьего, выхода блока 5 управления. этом каждый из G операндов, подвергаясь согласно соотношению (А) в блоке 9 укорочению справа на Р. разрядов (в силу равенства величины Mj/K/p целой степени числа 2) в виде соответствующего v -го дискретиз грован- ного отсчета выделенной шумовой составляющей R: 3 поступает на вход блока 10 суммирования. В результате, на выходе последнего согласно соотношению (3) при каждом -м такте формируются одноименные дискретизи- рованные отсчеты j-ro сглаженного сигнала S j 3 магнитного резонанса, которые по сигналу с второго выхода блока 5 управления последовательно записываются в блок 11 идентификации.

Вариант блока 11 идентификации (фиг.З) соответствует наиболее характерному случаю использова шя в качестве скользящей (j-l)-rt средней оценки Cj-| самого (j-l)-ro сигна6627510

ла Е , , соответствующие дискрети- зированные отсчеты которого хранятс в блоке 21 памяти. При этом высокая экспрессность и соответственно высокая точность способа в таком варианте определяется получением в таком случае по соотношению (5) сигнала Ej в виде скользящего среднего зна- jg чения NI(J последних (N г 1) сглаженных сигналов f-S, хранимых в блоке 19 памяти (на фиг.З накапливающий сумматор 20 содержит регистр-аккумулятор, содержимое которого каждый j рая обнуляется с помощью сигнала с выходя элемента 23 задержки).

Вариант блока 11 идентификации (фиг.4) соответствует случаю использования по соотношению (2) в ка- 20 честве скользящей средней оценки

С непосредственно одного (п 1) последнего сглаженного сигнала магнитного резонанса, хранимого в блоке 25 памяти,

25 Устройство (фиг.1) характеризуется также тем, что по истечении нескольких первых (с момента начала измерений) циклов сигналов F:, оно в соответствии с соотношением (8) начи- 30 наст по команде от блока 5 управления подвергать тесту стационарности скользящую выборку из L последних выделенных шумовых составляющих R;I сигналов. указанный тест осуществляется посредством тренданали- затора, образуемого блоком 3 мажоритарного голосования и блоком 12 анализа стационарности. i

Исключение возможности роста влия40 ния шумов квантования и ограничение шумов округления позволяет повысить чувствительность по сравнению с изве- стньгм устройством. При получении сигнала по скользящей выборке (N I)

45 возрастает не только чувствительность, но и экспрессность.

Формула изобретения

50I. Способ регистрации сигнала резонансного взаимодействия вещества с электромагнитным излучением (ЭМИ), включающий выделение, нормировку и когерентное суммирование шумовой тавляющей сигнала резонансного взаимодействия вещества с ТМП за заранее выбираемое многократное число прохождений области резонансного взаимодействия, отличают и и с я тем.

35

что, с целью повышения чувстпитель- ности, предварительно Лорнируют сглаженные сигналы резонансного взаимодействия, выделяют шумовую составляющую вычитанием скользящего среднего значения сглаженных сигналов из регистрируемого сигнала, суммируют шумовые составляющие, суммарный сигнал подвергают нормировке, когерентным суммированием пронормированного суммарного сигнала и скользящего среднего сглаженных сигналов формируют очередной сглаженный сигнал и когерент

оГшасти спектра на максимально допустимую величину.

3. Устройство регистрации сигнала резонансного взаимодействия вещества с ЧМИ,включающее коммутатор, последовательно соединенные суммирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, управляемый блок деления, блок памяти, источник опорного напряжения и блок управления, соединенный первым выходом с объединенными управляющими входами блока памяти и коммутатора, информацион

Изобретение относится к технической физике, а именно к методам выделения слабых сигналов резонансного взаимодействия с электромагнитным излучением, и может быть использовано в радиоспектроскопии - методах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или других спин-эффектов, например для измерения поляризации протонов в поляризованной мишени методом ЯМР. Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности при изменении резонансных условий. Сигнал резонансного взаимодействия формируют когерентным суммированием по скользящей выборке последних сглаженных сигналов магнитного резонанса, которые получают, в свою очередь, когерентным суммированием ранее полученного сигнала магнитного резонанса с текущей его шумовой составляющей. При этом последнюю выделяют в виде пронормированной суммы разностных сигналов между каждым из регистрируемых сигналов при прохождении резонансной области спектра и ранее полученным сигналом магнитного резонанса. Одновременно осуществляют непрерывный контроль за тенденцией отклонения от нулевого уровня выделяемых шумовых составляющих сигнала. 2 с и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

ным суммированием по скользящей выбор- ный вход которого является ингЬормаке последних сглаженных сигналов резонансного взаимодействия получают очередной сигнал резонансного взаимодействия, при этом нормировку суммарного сигнала производят на весовой ко- эффициент, пропорциональный числу прохождений резонансной области спектра, для которого выполняется условие

1-n.N,

где п - заранее выбранное число последних сглаженных сигналов резонансного взаимодействия для выделения текущей шумовой составляющей; N - заранее выбираемый объем

скользящей выборки для получения очередного сигнала резонансного взаимодействия.

0

5

Q

5

0

5

0

ционным входом устройства, отличающееся тем,что,с целью повышения чувствительности, в него дополнительно введены блок вычитания, арифметико-логический блок, сумматор и блок идентификации,причем аналого-цифровой преобразователь,блок вычитания, арифметико-логический блок, управляемый блок деления,сумматор и блок идентификации включены последовательно, суммирующий усилитель соединен первым входом с выходом источника опорного напряжения, а вторым входом с выходом коммутатора, первый управляющий вход блока идентификации соединен с первым управляющим выходом блока управления, соединенного вторым управляющим выходом с объединенными управляющим входом арифметико-логического блока и вторым управляющим входом блока идентиЛикации, первый информационный выход которого является информационным выходом устройства, а второй информационный выход соединен с объединенными вторыми информационными входами блока вычитания и сумматора, информационный выход блока памяти соединен с вторым информационным входом арифметико-логического блока, а информационный вход - с информационным входом управляемого блока деления, соединенного управляющим входом с третьим выходом блока управления.

t

6

i

1иЪ DOJffi

Сигнал

paзо ер т ни

I 5 1Фиг.2.

19

20

Л

ОН

11

16

15

-

11

12

Фиг.1

18

16

15

-

2}

/V У

16

- 15

Риг.З

Редактор С.Натрушена

Составитель т.тОропкина

Техред М.ДидыкКорректорМ.Максимишинец

Заказ 1218

Тираж 487

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., л.

Ироизводггненно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, I M

Подписное