核磁共振仪器控制软件--算法的实现与优化-毕业论文.doc

1、 1 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 核磁共振 仪器控制软件 -算法的实现与优化 姓 名： 学 院：软件学院 系： 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师： 职称： 年 月 I 核磁共振 仪器控制软件 -算法的实现与优化 摘要 核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance , NMR)实 验作为一种先进的无知结构研究手段，在化学、生物、医疗等领域发挥着 越来越重 要的作用。在 NMR 研究中，算法起着举足轻重的作用。 本文的重点是关注中部分 NMR 部分 算法的实现，它为系统所关心的数据提供了一些 有用的 处理。 本文主要描述傅立叶变换算法和相位校

2、正算法。 傅立叶变换 (Fourier Transform , FT)是分析有限长序列的有用工具。它不仅对信号处理的理论研究有重要意义，而且在运算方法上起着核心的作用。它把数字计算机的应用和信号分析理论结合在一起，使得谱分析、卷积等相关 运 算都可以通过 FT在计算机上实现。 但是，由于仪器和实验条件的关系，核磁共振的 FID 信号经 FT变换后的谱线会产生相位偏差。所得的谱线往往不是需要的纯吸收线型。所以， NMR 谱的相位校正也就成了 NMR数据处理中的一个基本环节。 本文介绍了手动相位校正方法。对于一个有经验的操作员来说，手动相位校正是一个很有用的工具。他 （她） 可以通过这种方法对自动

3、相位校正后的谱图进行微调。 人工介入是 手动相位校正 算法的一个优点，也是一个缺点，因为它需要操作员有很好的经验。所以本文也介绍了几种主流的自动相位校正算法。 在本文中介绍的自动相位校正算法有熵最小值法、 DISPA 算法、 eDISPA 算法。这些算法各 有优缺点，操作员可以根据谱图数据选择不同的算法。 关键词 DFT； FFT； 手动相位校正 ； 熵最小值 法 ； DISPA； eDISPA II NMR Equipment Control Software - Algorithm Implementation and Optimization Abstract Nowadays, Nuc

4、lear Magnetic Resonance (NMR) is used widely in chemistry, Physics, Biology etc as one of the most powerful tools of structure characterization. The algorithms play an important role in the NMR researches. The main body of the paper is the implement of several algorithms in the NMR system, which pro

5、vide some useful processing for the data the system interested in. The paper focuses on Fourier Transform algorithm and Phase Correction algorithm. Fourier Transform is a useful tool to analyze the finite long sequence. It not only has important significance in the theoretical researches of signal p

6、rocessing, but also plays a central role in the computing methods. It combines the application of digital computer with the signal analysis, and makes spectral analysis, convolution, and other computing implement on the computer through the FT. However, for apparatus and experimental conditions sake

7、, the line after FT may always cause phase distortion. The result rarely exhibits the desired pure absorption line, so phase correction becomes a necessity in NMR data processing. The manual phase correction is introduced in this paper. Its a useful tool to an experienced operator. He (She) can do s

8、ome fine-tuning to the spectrum after automatic phase correction. The automatic phase correction algorithms described in this paper are Entropy Minimization, DISPA(DISPersion versus Absorption), eDISPA(extended DISPersion versus Absorption).They all have its own pros and cons, the operator can selec

9、t different processing according to the spectrum. Keyword： DFT; FFT; Manual Phase Correction; Entropy Minimization; DISPA; eDISPA III 目 录 第 1 章 引言 . 1 第 2 章 系统的总体设计 . 3 2.1 项目简介 . 3 2.1.1 项目需求分析 . 3 2.1.2 项目模块划分 . 3 2.1.3 仪器控制模块 . 4 2.1.4 实验设计模块 . 4 2.1.5 数据处理模块 . 5 2.1.6 用户管理模块 . 5 2.2 本章小结 . 6 第 3

10、 章 傅立叶变换 . 7 3.1 傅立叶变换简介 . 7 3.2 傅立叶变换的原理 . 7 3.3 DFT 与 FFT . 8 3.4 基 2-FFT 算法描述 . 8 3.5 本章小结 . 10 第 4 章 相位校正 . 11 4.1 相位校正简介 . 11 4.2 相位校正原理 . 11 4.3 手动相位校正 . 11 4.3.1 手动相位校正简介 . 11 4.3.2 手动相位 校正流程图 . 13 4.4 DISPA(DISPersion versus Absorption) . 13 4.4.1 DISPA 简介 . 13 4.4.2 DISPA 原理 . 15 4.4.3 DISP

11、A 算法流程图 . 16 4.5 eDISPA(extended DISPersion versus Absorption) . 17 4.5.1 eDISPA 简介 . 17 4.5.2 标准相位校正程序 . 17 4.5.3 经典的 DISPA . 17 IV 4.5.4 NMR 谱图的扩展 . 18 4.5.5 q因子方法 . 19 4.5.6 eDISPA 算法 . 19 4.5.7 eDISPA 算法流程图 . 21 4.6 熵最小化法 . 22 4.6.1 熵最小化法简介 . 22 4.6.2 熵最小化法原理 . 22 4.6.3 熵最小化法算法流程图 . 23 4.7 本章小结

12、. 24 第 5 章 总结 . 25 致 谢 . 26 附 录 . 29 1.FFT 算法 . 29 2.手动相位校正 . 31 3.DISPA . 32 V Contents Chapter 1 Introduction . 1 Chapter 2 The dotal design of system . 错误 !未定义书签。 2.1 Brief ntroduction to the project . 错误 !未定义书签。 2.1.1 Project demand requiment analysis . 错误 !未定义书签。 2.1.2 Project module division .

13、 错误 !未定义书签。 2.1.3 Apparatus control module . 错误 !未定义书签。 2.1.4 Experiment design module . 错误 !未定义书签。 2.1.5 Data processing module. 错误 !未定义书签。 2.1.6 Account management module. 错误 !未定义书签。 2.2 Summary of this chapter . 错误 !未定义书签。 Chapter 3 Fourier Transform. 错误 !未定义书签。 3.1 Brief introduction to FT . 错误

14、!未定义书签。 3.2 The principle of FT . 错误 !未定义书签。 3.3 DFT and FFT . 错误 !未定义书签。 3.4 Description of radix2-FFT algorithm . 错误 !未定义书签。 3.5 Summary of this chapter . 错误 !未定义书签。 Chapter 4 Phase correction . 错误 !未定义书签。 4.1 Brief introduction to phase correction . 错误 !未定义书签。 4.2 The principle of phase correctio

15、n . 错误 !未定义书签。 4.3 Manual phase correction . 错误 !未定义书签。 4.3.1 Brief introduction to manual phase correction . 错误 !未定义书签。 4.3.2 Flow chart of manual phase correction . 错误 !未定义书签。 4.4 DISPA(DISPersion versus Absorption) . 错误 !未定义书签。 4.4.1 Brief introduction to DISPA . 错误 !未定义书签。 4.4.2 The principle of

16、 DISPA . 错误 !未定义书签。 VI 4.4.3 Flow chart of DISPA . 错误 !未定义书签。 4.5 eDISPA(extended DISPersion versus Absorption) . 错误 !未定义书签。 4.5.1 Brief introduction to eDISPA . 错误 !未定义书签。 4.5.2 Standard phase correction procedures . 错误 !未定义书签。 4.5.3 Classic DISPA . 错误 !未定义书签。 4.5.4 Extended to NMR spectrum . 错误 !未

17、定义书签。 4.5.5 q-factor method. 错误 !未定义书 签。 4.5.6 The eDISPA algorithm . 错误 !未定义书签。 4.5.7 Flow chart of eDISPA algorithm . 错误 !未定义书签。 4.6 4.6 Entropy Minimization . 错误 !未定义书签。 4.6.1 Brief introduction to EM . 错误 !未定义书签。 4.6.2 The principle of EM . 错误 !未定义书签。 4.6.3 Flow chart of EM. 错误 !未定义书签。 4.7 Summa

18、ry of this chapter . 错误 !未定义书签。 Chapter 5 Conclusion. 错误 !未定义书签。 Acknowledgement . 错误 !未定义书签。 References . 错误 !未定义书签。 Appendix . 错误 !未定义书签。 1.FFT . 错误 !未定义书签。 2. Manual phase correction . 错误 !未定义书签。 3.DISPA . 错误 !未定义书签。 1 第 1 章 引言 离散傅立叶变换 (Discrete Fourier Transform , DFT)实现了频率离散化，可以直接用来分析信号的频谱、计算滤波

19、器的频率响应，以及实现信号通过线性系统的卷积运算等，因而在信号的谱分析等方面有很大的作用。通过对信号的频谱分析，掌握信号特征，以便对信号做进一步处理，达到提取有用信号的目的，这已广泛应用于通讯、自动测试与控制、语音和图像处理、生物医学等工程技术领域。 但是，在相当长的事件里，由于 DFT 的计算量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时处理，所以并没有得到真正的应用。知道 1965 年库利 (J.W.Cooly)和图基 (J.W.Tukey)首次发现 DFT 的一种快速 算法，情况才发生根本性的改变。继库利 -图基算法之后，桑德(G.Sande)-图基等快速算法相继出现，又经其他学者进一步改进

20、，很快形成了一套高效运算方法，这就是现在通用的快速傅立叶变换，简称 FFT(the Fast Fourier Transform)。使 DFT的运算量大大简化，为 DFT 乃至数字信号处理技术的实际应用，特别是实时处理，创造了良好的条件，从而使 DFT 在实际使用了得以广泛应用。同时也使式子信号处理技术得到了土匪猛进的发展。本文中将介绍基 2-快速傅立叶变换。 已经有很多方法用来 NMR 傅立叶变换谱的零 级偏差 和一级偏差 。根据他们的计算步骤，可以分为两大类，即谱峰法和全谱法。 目前为止，绝大多数自动相位校正算法都属于谱峰法。 NMR 谱峰峰宽通常相对整个谱线范围仅占很小的比例，在单个峰范

21、围内相位岁频率变化很小，基本上保持稳定，即可认为仅有零级偏差，从而简化对谱峰的相位计算。 谱峰法中依据对单个峰的相位角的计算方法的不同又可以分成很多种类，如面积法，线性分析法，拟合法等。最早出现的是积分面积法。 1984 年，出现了 DISPA(DISPersion versus Absorption)圆线型分析的方法 4。他依 据 DISPA 圆经过原点并与两坐标轴相交。利用截距与相位角特有的几何关系，该方法不用迭代，直接计算截距，大大提高了运算速度。 1988 年，Edward 等人提出利用 DISPA 圆上很多不同点确定的弦的焦点来计算相位偏差 3。 2000 年，Zeljko 等人提出

22、了一种新思路的方法 (PAMPAS)2，其理论基础是傅立叶变换谱峰面积积分值与峰相位偏差成余弦关系，通过计算峰在给定额外相偏时的面积来计算峰的相位偏差。 谱峰法着眼于单个峰，同时也就有了检峰和选峰的问题。人们一直在探索更为简单解决问题的办法。利用整个谱图的特征 ，一次性获得谱图的零级和一级相 位偏差的方法，本文称 2 之为全普法。全普法的熵最新的代表是最小化法 1 3 第 2 章 系统的总体设计 2.1 项目简介 2.1.1 项目需求分析 NMR 仪器控制软件作为 500MHz 超导核磁共振谱仪系统的随机软件， 主要功能有 对谱仪控制，完成 NMR 实验设计及采样、数据的处理及仪器、用户管理。 软件的实现目标如下： 1. 实时准确灵活控制谱仪硬件 2. 丰富易用的实验设计（图形化脉冲序列设计） 3. 强大易用的数据处理（达到现有的商业化 NMR 数据处理软件水平） 4. 跨平台 （ Windows、 Linux和 Unix） 5. 人性化的用户界面 开发环境和开发工具 开发环境： Eclipse 3.3。 开发语言： Java jdk1.6.0。 开发平台： Windows XP。 2.1.2 项目模块划分 项目主要包括仪器控制、实验设计、数据处理和用户管理四个模块，如图 2.1。