收发天线分离式核磁共振找水装置及找水方法

摘要

本发明涉及一种收发天线分离式核磁共振找水装置及找水方法。计算机通过串口与大功率电源、发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元、信号采集单元连接，发射及控制单元通过控制总线经H桥路与配谐电容、发射线圈和二极管连接构成。本发明将发射天线和接收天线分离，使发射系统和接收系统能够相互独立。其优点是：一是，实现了发射和接收的高低压隔离，提高了系统的可靠性；二是，使发射天线和接收天线的匝数、尺寸、线径、铺设方式等多个方面不再相互制约，提高了接收信号的幅度，增加探测深度，提高探测的速度，远端参考能够抵消干扰，提高信噪比，通过三分量测量能够获取更全面的地下水分布信息，提高了探测效率、精度和水平分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探设备及方法，尤其是收发天线与核磁共振找水装置分离的核磁共振找水装置及野外工作方法。

背景技术

核磁共振方法(Surface Nuclear Magnetic Resonance Method，简称SNMR方法)。

CN201051151公开了一种核磁共振找水仪，由发射系统、信号接收系统、微机控制与记录系统三部分组成，DC/DC变换器一端连接电池，另一端连接超强储能器；超强储能器与大功率交流方波发生器连接，其中间设有开关K1，大功率交流方波发生器还与共振频率发生器、开关K2、K3连接；开关K2与K3之间串接发射线圈和配谐电容器组；K3、K4分别连接超低噪声放大器，再连接相关检测放大器，再连接检波器和相位检测器，检波器连接A/D转换器并连接微机控制与记录系统，相位检测器与共振频率发生器和A/D转换器连接并连接微机控制与记录系统。本实用新型有益效果为：体积、重量小，仪器工作安全性、可靠性大大提高，能量利用率高，频率稳定性好。

上述发明的核磁共振仪及其方法具有较高的测量精度，单点测量精确，但有一个不足，那就是测量一个点的只能得到很大的一个范围内是否有水(例如100m*100m线圈测试面积为1万平方米)，难以实现水体的精确定位。

如果把发射天线与接收天线分离进行核磁共振地下水探测，利用收发天线分离的方法就可以进行一个发射、多个接收线圈接收核磁共振信号，可以精确定位地下水体，将大大提高寻找目的层的准确度。收发天线分离的方法可以提高探测的效率与精度，也避免了许多重复工作，节省了资金、人力、时间。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种收发天线分离式核磁共振找水装置；

本发明的另一目的提供一种收发天线分离式核磁共振找水装置的找水方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

计算机通过串口与大功率电源、发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元、信号采集单元连接，发射及控制单元通过控制总线经H桥路与配谐电容、发射线圈和二极管连接，发射及控制单元经高压继电器和接收线圈与选频放大单元连接，发射及控制单元通过控制总线与电流采集单元、信号采集单元并联连接构成。

H桥路上连接有配谐电容、发射线圈和二极管，大功率电源为H桥路供电。

选频放大单元是由通讯模块经MCU和DDS时钟产生模块与开关电容滤波器连接，接收线圈经配谐电容选择、前置放大器、带通滤波和开关电容滤波器与程控增益模块连接构成。

信号采集单元是由MCU经时钟控制与采集开始定时器、采集时间定时器、采样频率定时器连接，采样频率定时器与ADC连接，核磁共振信号经ADC、数据转换与MCU连接，时钟控制通过信号线分别与高精时钟、采集同步连接，MCU通过信号线分别与485通信、存储器连接构成。

收发天线分离式核磁共振找水装置的找水方法，包括以下顺序和步骤工：

a、在一个地下条件未知的测区，首先利用磁力仪测量当地地磁场B₀(nT)，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

b、由拉莫尔频率和发射线圈电感计算选择发射配谐电容，设置发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元和信号采集单元所需要的控制参数；

c、在测区铺设一个收发线圈，根据收发线圈的电感计算选频放大单元所需的配谐电容

d、运行收发天线分离式核磁共振找水装置控制软件，开始数据采集；

e、数据采集完成后，运行收发天线分离式核磁共振找水装置解释软件，反演得到地下水的含水量、孔隙大小、含水层的导电性等信息，绘制含水量柱状图，测量完毕。

发射：发射及控制单元产生当地拉莫尔频率的发射方波，方波经过驱动后控制H桥路，大功率电源产生需要的高压给H桥路供电。H桥路上连接有发射线圈、配谐电容和双向二极管。发射线圈与配谐电容LC串联谐振，激发地下水产生核磁共振。发射40mS，停止发射后，回路中的剩余能量通过双向二极管释放。

接收：高压继电器在发射时使接收线圈悬空，剩余能量释放完毕后高压继电器切换使接收线圈接入放大器，在发射及控制单元的控制下信号采集单元采集核磁共振信号。

有益效果：现有核磁共振地下水探测系统的发射和接收是公用天线，公用天线需要在匝数、尺寸、线径、铺设方式等多个方面同时满足更多的约束，严重制约了核磁共振地下水探测方法的应用。本发明将发射天线和接收天线分离，使发射系统和接收系统能够相互独立。其优点是：一实现了发射和接收的高低压隔离，提高了系统的可靠性；二使发射天线和接收天线的匝数、尺寸、线径、铺设方式等多个方面不再相互制约，通过加大发射天线的线径能够实现更大功率的发射、通过采用小尺寸接收天线能够提高探测的横向分辨率、通过采用多匝线圈接收能够提高接收信号的幅度，增加探测深度、通过多天线同步采集能够成倍提高探测的速度、通过远端参考能够抵消干扰，提高信噪比、通过三分量测量能够获取更全面的地下水分布信息。提高了探测效率、精度和水平分辨率。

附图及附图说明

图1是收发天线分离式核磁共振找水装置结构框图

图2是附图1中大功率电源结构框图

图3是附图1中发射线圈回路连接关系图

图4是附图1中接收线圈结构框图

图5是附图1中选频放大单元结构框图

图6是附图1中信号采集单元结构框图

图7是附图1中收发天线分离式核磁共振找水装置野外工作时发射线圈、接收线圈铺设示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

如图1所示，计算机通过串口与大功率电源、发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元、信号采集单元连接，发射及控制单元通过控制总线经H桥路与配谐电容、发射线圈和二极管链接，发射及控制单元经高压继电器和接收线圈与选频放大单元连接，发射及控制单元通过控制总线与电流采集单元、信号采集单元并联连接构成。

H桥路上连接有配谐电容、发射线圈和二极管，大功率电源为H桥路供电。

如图5所示，选频放大单元是由通讯模块经MCU和DDS时钟产生模块与开关电容滤波器连接，接收线圈经配谐电容选择、前置放大器、带通滤波和开关电容滤波器与程控增益模块连接构成。

如图6所示，信号采集单元是由MCU经时钟控制与采集开始定时器、采集时间定时器、采样频率定时器连接，采样频率定时器与ADC连接，核磁共振信号经ADC、数据转换与MCU连接，时钟控制通过信号线分别与高精时钟、采集同步连接，MCU通过信号线分别与485通信、存储器连接构成。

收发天线分离式核磁共振找水装置的找水方法，包括以下顺序和步骤工：

a、在一个地下条件未知的测区，首先利用磁力仪测量当地地磁场B₀(nT)，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

b、由拉莫尔频率和发射线圈电感计算选择发射配谐电容，设置发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元和信号采集单元所需要的控制参数；

c、在测区铺设一个收发线圈，根据收发线圈的电感计算选频放大单元所需的配谐电容

d、运行收发天线分离式核磁共振找水装置控制软件，开始数据采集；

e、数据采集完成后，运行收发天线分离式核磁共振找水装置解释软件，反演得到地下水的含水量、孔隙大小、含水层的导电性等信息，绘制含水量柱状图，测量完毕。

发射：发射及控制单元产生当地拉莫尔频率的发射方波，方波经过驱动后控制H桥路，大功率电源产生需要的高压给H桥路供电。H桥路上连接有发射线圈、配谐电容和双向二极管。发射线圈与配谐电容LC串联谐振，激发地下水产生核磁共振。发射40mS，停止发射后，回路中的剩余能量通过双向二极管释放。

接收：高压继电器在发射时使接收线圈悬空，剩余能量释放完毕后高压继电器切换使接收线圈接入放大器，在发射及控制单元的控制下信号采集单元采集核磁共振信号。

计算机通过串口进行通讯，速率为57600bit/s。

大功率电源在计算机和大功率电源MCU的控制下给大容量电容充电达到设置的电压值，给H桥路的IGBT供电。

发射及控制单元产生发射波形、继电器切换信号、电流开始采集信号、信号开始采集控制信号。电流采集单元采集发射电流波形。

信号采集单元采集核磁共振信号波形，以32倍拉莫尔频率采集，AD利用24位∑Δ型AD7760，利用数字正交方法检测核磁共振信号包络。

选频放大单元由核磁共振阻抗匹配网络、核磁共振前置放大器、LC选频放大器、工频陷波器和后级放大器组成。选频放大单元频率可以在1kHz-3kHz范围内调整，中心频率处放大倍数为40万倍。对核磁共振前置放大器和阻抗匹配网络的电源与后级放大电路的电源间加入一个高性能的电源滤波器，减少不同级放大电路产生的窜扰。

收发天线分离式核磁共振找水装置野外具体工作方法：

a、在一个地下条件未知的测区，首先利用磁力仪测量当地地磁场B₀(nT)，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

b、由拉莫尔频率和发射线圈电感L，计算选择发射配谐电容设置发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元和信号采集单元所需要的控制参数；

c、在测区铺设一个收发线圈，根据收发线圈的电感计算选频放大单元所需的配谐电容

d、运行收发天线分离式核磁共振找水装置控制软件，开始数据采集；

e、集完成后，运行收发天线分离式核磁共振找水装置解释软件，反演得到地下水的含水量、孔隙大小、含水层的导电性等信息，绘制含水量柱状图，测量完毕。