專利名稱：收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置及找水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球物理勘探設(shè)備及方法，尤其是收發(fā)天線與核磁共振找水裝置 分離的核磁共振找水裝置及野外工作方法。
背景技術(shù)：
核磁共振方法(Surface Nuclear Magnetic Resonance Method，簡(jiǎn)稱 SNMR方法)。CN201051151公開了一種核磁共振找水儀，由發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)、微機(jī)控制 與記錄系統(tǒng)三部分組成，DC/DC變換器一端連接電池，另一端連接超強(qiáng)儲(chǔ)能器；超強(qiáng)儲(chǔ)能器 與大功率交流方波發(fā)生器連接，其中間設(shè)有開關(guān)K1，大功率交流方波發(fā)生器還與共振頻率 發(fā)生器、開關(guān)K2、K3連接；開關(guān)K2與K3之間串接發(fā)射線圈和配諧電容器組；K3、K4分別連 接超低噪聲放大器，再連接相關(guān)檢測(cè)放大器，再連接檢波器和相位檢測(cè)器，檢波器連接A/D 轉(zhuǎn)換器并連接微機(jī)控制與記錄系統(tǒng)，相位檢測(cè)器與共振頻率發(fā)生器和A/D轉(zhuǎn)換器連接并連 接微機(jī)控制與記錄系統(tǒng)。本實(shí)用新型有益效果為體積、重量小，儀器工作安全性、可靠性大 大提高，能量利用率高，頻率穩(wěn)定性好。上述發(fā)明的核磁共振儀及其方法具有較高的測(cè)量精度，單點(diǎn)測(cè)量精確，但有一個(gè) 不足，那就是測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的只能得到很大的一個(gè)范圍內(nèi)是否有水(例如100m*100m線圈測(cè) 試面積為1萬(wàn)平方米)，難以實(shí)現(xiàn)水體的精確定位。如果把發(fā)射天線與接收天線分離進(jìn)行核磁共振地下水探測(cè)，利用收發(fā)天線分離的 方法就可以進(jìn)行一個(gè)發(fā)射、多個(gè)接收線圈接收核磁共振信號(hào)，可以精確定位地下水體，將大 大提高尋找目的層的準(zhǔn)確度。收發(fā)天線分離的方法可以提高探測(cè)的效率與精度，也避免了 許多重復(fù)工作，節(jié)省了資金、人力、時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種收發(fā)天線分離式核磁共振 找水裝置；本發(fā)明的另一目的提供一種收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置的找水方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與大功率電源、發(fā)射及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元、 信號(hào)采集單元連接，發(fā)射及控制單元通過(guò)控制總線經(jīng)H橋路與配諧電容、發(fā)射線圈和二極 管連接，發(fā)射及控制單元經(jīng)高壓繼電器和接收線圈與選頻放大單元連接，發(fā)射及控制單元 通過(guò)控制總線與電流采集單元、信號(hào)采集單元并聯(lián)連接構(gòu)成。H橋路上連接有配諧電容、發(fā)射線圈和二極管，大功率電源為H橋路供電。選頻放大單元是由通訊模塊經(jīng)MCU和DDS時(shí)鐘產(chǎn)生模塊與開關(guān)電容濾波器連接， 接收線圈經(jīng)配諧電容選擇、前置放大器、帶通濾波和開關(guān)電容濾波器與程控增益模塊連接 構(gòu)成。信號(hào)采集單元是由MCU經(jīng)時(shí)鐘控制與采集開始定時(shí)器、采集時(shí)間定時(shí)器、采樣頻率定時(shí)器連接，采樣頻率定時(shí)器與ADC連接，核磁共振信號(hào)經(jīng)ADC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與MCU連接，時(shí) 鐘控制通過(guò)信號(hào)線分別與高精時(shí)鐘、采集同步連接，MCU通過(guò)信號(hào)線分別與485通信、存儲(chǔ) 器連接構(gòu)成。收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置的找水方法，包括以下順序和步驟工a、在一個(gè)地下條件未知的測(cè)區(qū)，首先利用磁力儀測(cè)量當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)~(nT)，通過(guò) fL(Hz) = 0. 0425淋Btl(IiT)換算出拉莫爾頻率；b、由拉莫爾頻率和發(fā)射線圈電感2;γΛ=1/λ/ΖΡ計(jì)算選擇發(fā)射配諧電容，設(shè)置發(fā)射 及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元和信號(hào)采集單元所需要的控制參數(shù)；C、在測(cè)區(qū)鋪設(shè)一個(gè)收發(fā)線圈，根據(jù)收發(fā)線圈的電感計(jì)算選頻放大單元所需的配諧d、運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置控制軟件，開始數(shù)據(jù)采集；e、數(shù)據(jù)采集完成后，運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置解釋軟件，反演得到 地下水的含水量、孔隙大小、含水層的導(dǎo)電性等信息，繪制含水量柱狀圖，測(cè)量完畢。發(fā)射發(fā)射及控制單元產(chǎn)生當(dāng)?shù)乩獱栴l率的發(fā)射方波，方波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后控制H 橋路，大功率電源產(chǎn)生需要的高壓給H橋路供電。H橋路上連接有發(fā)射線圈、配諧電容和雙 向二極管。發(fā)射線圈與配諧電容LC串聯(lián)諧振，激發(fā)地下水產(chǎn)生核磁共振。發(fā)射40mS，停止 發(fā)射后，回路中的剩余能量通過(guò)雙向二極管釋放。接收高壓繼電器在發(fā)射時(shí)使接收線圈懸空，剩余能量釋放完畢后高壓繼電器切 換使接收線圈接入放大器，在發(fā)射及控制單元的控制下信號(hào)采集單元采集核磁共振信號(hào)。有益效果現(xiàn)有核磁共振地下水探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射和接收是公用天線，公用天線需 要在匝數(shù)、尺寸、線徑、鋪設(shè)方式等多個(gè)方面同時(shí)滿足更多的約束，嚴(yán)重制約了核磁共振地 下水探測(cè)方法的應(yīng)用。本發(fā)明將發(fā)射天線和接收天線分離，使發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)能夠相 互獨(dú)立。其優(yōu)點(diǎn)是一實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和接收的高低壓隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性；二使發(fā)射天 線和接收天線的匝數(shù)、尺寸、線徑、鋪設(shè)方式等多個(gè)方面不再相互制約，通過(guò)加大發(fā)射天線 的線徑能夠?qū)崿F(xiàn)更大功率的發(fā)射、通過(guò)采用小尺寸接收天線能夠提高探測(cè)的橫向分辨率、 通過(guò)采用多匝線圈接收能夠提高接收信號(hào)的幅度，增加探測(cè)深度、通過(guò)多天線同步采集能 夠成倍提高探測(cè)的速度、通過(guò)遠(yuǎn)端參考能夠抵消干擾，提高信噪比、通過(guò)三分量測(cè)量能夠獲 取更全面的地下水分布信息。提高了探測(cè)效率、精度和水平分辨率。附圖及


圖1是收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置結(jié)構(gòu)框2是附圖1中大功率電源結(jié)構(gòu)框3是附圖1中發(fā)射線圈回路連接關(guān)系4是附圖1中接收線圈結(jié)構(gòu)框5是附圖1中選頻放大單元結(jié)構(gòu)框6是附圖1中信號(hào)采集單元結(jié)構(gòu)框7是附圖1中收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置野外工作時(shí)發(fā)射線圈、接收線 圈鋪設(shè)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與大功率電源、發(fā)射及控制單元、電流采集單元、選 頻放大單元、信號(hào)采集單元連接，發(fā)射及控制單元通過(guò)控制總線經(jīng)H橋路與配諧電容、發(fā)射 線圈和二極管鏈接，發(fā)射及控制單元經(jīng)高壓繼電器和接收線圈與選頻放大單元連接，發(fā)射 及控制單元通過(guò)控制總線與電流采集單元、信號(hào)采集單元并聯(lián)連接構(gòu)成。H橋路上連接有配諧電容、發(fā)射線圈和二極管，大功率電源為H橋路供電。如圖5所示，選頻放大單元是由通訊模塊經(jīng)MCU和DDS時(shí)鐘產(chǎn)生模塊與開關(guān)電容 濾波器連接，接收線圈經(jīng)配諧電容選擇、前置放大器、帶通濾波和開關(guān)電容濾波器與程控增 益模塊連接構(gòu)成。如圖6所示，信號(hào)采集單元是由MCU經(jīng)時(shí)鐘控制與采集開始定時(shí)器、采集時(shí)間定 時(shí)器、采樣頻率定時(shí)器連接，采樣頻率定時(shí)器與ADC連接，核磁共振信號(hào)經(jīng)ADC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與 MCU連接，時(shí)鐘控制通過(guò)信號(hào)線分別與高精時(shí)鐘、采集同步連接，MCU通過(guò)信號(hào)線分別與485 通信、存儲(chǔ)器連接構(gòu)成。收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置的找水方法，包括以下順序和步驟工a、在一個(gè)地下條件未知的測(cè)區(qū)，首先利用磁力儀測(cè)量當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)~(nT)，通過(guò) fL(Hz) = 0. 0425淋Btl(IiT)換算出拉莫爾頻率；b、由拉莫爾頻率和發(fā)射線圈電感2;γΛ=1/λ/ΖΡ計(jì)算選擇發(fā)射配諧電容，設(shè)置發(fā)射 及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元和信號(hào)采集單元所需要的控制參數(shù)；C、在測(cè)區(qū)鋪設(shè)一個(gè)收發(fā)線圈，根據(jù)收發(fā)線圈的電感計(jì)算選頻放大單元所需的配諧d、運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置控制軟件，開始數(shù)據(jù)采集；e、數(shù)據(jù)采集完成后，運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置解釋軟件，反演得到 地下水的含水量、孔隙大小、含水層的導(dǎo)電性等信息，繪制含水量柱狀圖，測(cè)量完畢。發(fā)射發(fā)射及控制單元產(chǎn)生當(dāng)?shù)乩獱栴l率的發(fā)射方波，方波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后控制H 橋路，大功率電源產(chǎn)生需要的高壓給H橋路供電。H橋路上連接有發(fā)射線圈、配諧電容和雙 向二極管。發(fā)射線圈與配諧電容LC串聯(lián)諧振，激發(fā)地下水產(chǎn)生核磁共振。發(fā)射40mS，停止 發(fā)射后，回路中的剩余能量通過(guò)雙向二極管釋放。接收高壓繼電器在發(fā)射時(shí)使接收線圈懸空，剩余能量釋放完畢后高壓繼電器切 換使接收線圈接入放大器，在發(fā)射及控制單元的控制下信號(hào)采集單元采集核磁共振信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通訊，速率為57600bit/s。大功率電源在計(jì)算機(jī)和大功率電源MCU的控制下給大容量電容充電達(dá)到設(shè)置的 電壓值，給H橋路的IGBT供電。發(fā)射及控制單元產(chǎn)生發(fā)射波形、繼電器切換信號(hào)、電流開始采集信號(hào)、信號(hào)開始采 集控制信號(hào)。電流采集單元采集發(fā)射電流波形。信號(hào)采集單元采集核磁共振信號(hào)波形，以32倍拉莫爾頻率采集，AD利用M位 Σ Δ型AD7760，利用數(shù)字正交方法檢測(cè)核磁共振信號(hào)包絡(luò)。選頻放大單元由核磁共振阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、核磁共振前置放大器、LC選頻放大器、工 頻陷波器和后級(jí)放大器組成。選頻放大單元頻率可以在lkHz-3kHz范圍內(nèi)調(diào)整，中心頻率處放大倍數(shù)為40萬(wàn)倍。對(duì)核磁共振前置放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電源與后級(jí)放大電路的 電源間加入一個(gè)高性能的電源濾波器，減少不同級(jí)放大電路產(chǎn)生的竄擾。收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置野外具體工作方法a、在一個(gè)地下條件未知的測(cè)區(qū)，首先利用磁力儀測(cè)量當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)~(nT)，通過(guò) fL(Hz) = 0. 0425淋Btl(IiT)換算出拉莫爾頻率；b、由拉莫爾頻率和發(fā)射線圈電感L，計(jì)算選擇發(fā)射配諧電容2;r/, =/4lC，設(shè)置發(fā) 射及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元和信號(hào)采集單元所需要的控制參數(shù)；C、在測(cè)區(qū)鋪設(shè)一個(gè)收發(fā)線圈，根據(jù)收發(fā)線圈的電感計(jì)算選頻放大單元所需的配諧d、運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置控制軟件，開始數(shù)據(jù)采集；e、集完成后，運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置解釋軟件，反演得到地下水 的含水量、孔隙大小、含水層的導(dǎo)電性等信息，繪制含水量柱狀圖，測(cè)量完畢。
權(quán)利要求
1.一種收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置，其特征在于，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與大功率電 源、發(fā)射及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元、信號(hào)采集單元連接，發(fā)射及控制單元通 過(guò)控制總線經(jīng)H橋路與配諧電容、發(fā)射線圈和二極管鏈接，發(fā)射及控制單元經(jīng)高壓繼電器 和接收線圈與選頻放大單元連接，發(fā)射及控制單元通過(guò)控制總線與電流采集單元、信號(hào)采 集單元并聯(lián)連接構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置，其特征在于，選頻放大 單元是由通訊模塊經(jīng)MCU和DDS時(shí)鐘產(chǎn)生模塊與開關(guān)電容濾波器連接，接收線圈經(jīng)配諧電 容選擇、前置放大器、帶通濾波和開關(guān)電容濾波器與程控增益模塊連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置，其特征在于，信號(hào)采集 單元是由MCU經(jīng)時(shí)鐘控制與采集開始定時(shí)器、采集時(shí)間定時(shí)器、采樣頻率定時(shí)器連接，采樣 頻率定時(shí)器與ADC連接，核磁共振信號(hào)經(jīng)ADC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與MCU連接，時(shí)鐘控制通過(guò)信號(hào)線分 別與高精時(shí)鐘、采集同步連接，MCU通過(guò)信號(hào)線分別與485通信、存儲(chǔ)器連接構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1所述的收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置提供一種收發(fā)天線分離 式核磁共振找水，包括以下順序和步驟工a、在一個(gè)地下條件未知的測(cè)區(qū)，首先利用磁力儀測(cè)量當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)，通過(guò)地磁場(chǎng)換算出 拉莫爾頻率；b、由拉莫爾頻率和發(fā)射線圈電感計(jì)算選擇發(fā)射配諧電容，設(shè)置發(fā)射及控制單元、電流 采集單元、選頻放大單元和信號(hào)采集單元所需要的控制參數(shù)；C、在測(cè)區(qū)鋪設(shè)一個(gè)收發(fā)線圈，根據(jù)收發(fā)線圈的電感計(jì)算選頻放大單元所需的配諧電容；d、運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置控制軟件，開始數(shù)據(jù)采集；e、數(shù)據(jù)采集完成后，運(yùn)行收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置解釋軟件，反演得到地下 水的含水量、孔隙大小、含水層的導(dǎo)電性信息，繪制含水量柱狀圖，測(cè)量完畢。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種收發(fā)天線分離式核磁共振找水裝置及找水方法。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與大功率電源、發(fā)射及控制單元、電流采集單元、選頻放大單元、信號(hào)采集單元連接，發(fā)射及控制單元通過(guò)控制總線經(jīng)H橋路與配諧電容、發(fā)射線圈和二極管連接構(gòu)成。本發(fā)明將發(fā)射天線和接收天線分離，使發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)能夠相互獨(dú)立。其優(yōu)點(diǎn)是一是，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和接收的高低壓隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性；二是，使發(fā)射天線和接收天線的匝數(shù)、尺寸、線徑、鋪設(shè)方式等多個(gè)方面不再相互制約，提高了接收信號(hào)的幅度，增加探測(cè)深度，提高探測(cè)的速度，遠(yuǎn)端參考能夠抵消干擾，提高信噪比，通過(guò)三分量測(cè)量能夠獲取更全面的地下水分布信息，提高了探測(cè)效率、精度和水平分辨率。
文檔編號(hào)G01V3/14GK102096111SQ201010576048
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者尚新磊, 張哲 , 林君, 段清明, 王健鵬, 王應(yīng)吉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)