CN103837903B - 基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置。是由发射机上位机平台通过网口线与无线网络数据收发单元、无线网络天线连接，发射机上位机平台通过串口总线与发射机、发射线圈连接，接收机上位机平台通过串口总线与接收机、接收线圈连接，接收机上位机平台通过网口线与无线网络接收节点连接，无线网络接收节点连接至经无线网络收发天线产生的无线网络连接构成。在地下工程中应用全波采集的方式接收核磁共振信号，补充了地下探测前方水体的信号及噪声的全波数据，提高了地下探测水体数据采集的完整性，为后期数据处理提供更的丰富的依据。

Description

基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探设备，尤其是基于无线网络的核磁共振原理的地下全波核磁共振探测装置。

背景技术

核磁共振(MRS，Magnetic Resonance Sounding)探测方法是一种非破坏性直接探测地下水的地球物理勘探方法。随着近年来中国地下工程的建设蓬勃发展，交通隧道、水利水电及矿山能源工程等建设埋深愈来愈大，深部地质环境赋存的高地应力和高水压条件，导致施工过程中面临的岩爆和突水突泥问题愈加严峻。能否准确探测地下工程中的水体是预防地下工程事故的重中之重。但是，目前并没有仪器能够在地下通过全波测量方式实现核磁共振探测方法。

CN102062877公开了一种“对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法”，是由计算机通过串口总线分别与系统控制器、大功率电源、信号采集单元相连，系统控制器经桥路驱动器、大功率H型发射桥路和配谐电容与发射线圈连结构成；再与现有技术相比对前方是否存在含水体，以及含水体的含水量大小等信息。此种方法能够对地下工程中前方水体进行测量，但发射部分与接收部分集于一体，测量过程复杂，测量范围有限，难以实现对地下水体的精确定位。

CN102096111公开的“收发天线分离式核磁共振找水装置及找水方法”，是计算机通过串口与大功率源、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。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。此种方法提高了探测效率、精度和水平分辨率，但是，应用在地下工程中，电缆繁杂的地面核磁共振方法并不能准确的对地下水体分布情况进行估计。

无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。采用IEEE802.11a标准的无线局域网技术具有传统局域网无法比拟的灵活性。其通信范围不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。伴随 着无线网络的迅猛发展，不用架线、灵活性强等优点的无线网已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统等都是无线网络通信技术的具体应用。

地下全波核磁共振探测装置需要在狭小的地下空间内实现发射系统稳定、接收系统可精确移动摆放、以及全波数据采集与传送，需要快速无距离限制传输核磁共振接收站采集的全波数据。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置及探测方法，实现在地下工程狭小空间中进行探测，提高了地下水体探测的灵活性和实用性。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：

一种基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，该装置包括：

发射线圈；

接收线圈；

发射机,与发射线圈连接，用于发出控制发射线圈以交变电流发射激发信号，并将该激发信号的同步信号通过无线发射端发射；

发射机上位机平台，与发射机通过串口总线连接，设置发射机的相关参数；

接收机，与接收线圈连接，用于接收接收线圈感应到的氢质子产生的核磁共振信号，并通过无线同步信号接收端接收发射机发射的带有同步信号的信息，提取同步信号发射时序，并计算接收时序用于核磁共振信号的采集；

接收机上位机平台，通过串口总线与接收机连接，设置接收机参数，通过接收机接收检测到的核磁共振信号并存储；所述接收机上位机平台通过网口线连接有无线网络接收节点；

无线网络数据收发单元，通过网口线与发射机上位机平台连接以及连接无线网络天线，该无线网络数据收发单元产生网络信号与无线网络接收节点实现无线通讯连接，使得接收机上位机平台与发射机上位机平台之间数据共享。

进一步地，所述的无线网络数据收发单元包括由数据传送接口与数模转换器、功率放大器、编码器依次连接组成的信号发送线路，由解码器与滤波器、模数转换器、转换开关依次连接构成的信号接收线路。

进一步地，所述的发射机包括发射通讯接口、发射时序控制卡、驱动电路、发射桥路、 配谐电容、大功率电源、电源控制卡以及无线同步信号发射端，其中发射通讯接口，用于与发射机上位机平台通讯连接；发射时序控制卡接收发射机上位机平台的控制指令，并根据控制指令计算出发射时间和接收同步信号时间，发出接收同步信号和发出发射时序信号的控制信号；驱动电路接收发射时序信号的控制信号进行转化进而控制发射桥路将大功率电源事先在储能电容中储备的直流电压通过配谐电容控制发射线圈以交变电流发射，同时发射时序控制卡将接收同步信号通过无线同步信号发射端加载在特定无线波段向外发射。

进一步地，所述接收机包括接收通讯接口、无线同步信号接收端、接收时序控制卡、全波采集卡、继电器、匹配网络以及信号放大器，其中，接收时序控制卡通过接收通讯接口与接收机上位机平台连接接收控制指令，计算出继电器延时时间和采集控制延时时间，接收时序控制卡的一输出端连接继电器，一输入端连接无线同步信号接收端，接收时序控制卡通过无线同步信号接收端接收同步信号并在同步信号的触发下通过继电器控制接收线圈接收信号，接收的信号通过匹配网络以及信号放大器进入全波采集卡内进行信号的采集，全波采集卡通过接收通讯接口输出至接收机上位机平台。

进一步地，所述全波采集卡的输入端接入接收时序控制卡的接口，通过同步信号的触发，控制全波采集卡进行数据的采集。

进一步地，所述发射时序控制卡的控制过程：

接收发射机上位机平台的控制指令，根据控制指令计算出发射时间和接收同步信号时间；

开始计时，并比较计时结果与计算的接收同步信号时间，当计时结果与同步信号时间相同时，完成接收同步信号的产生，向无线同步信号发射端发出同步信号信息；

同时，开始计时，并与设定的发射时间比较，当计时结果与发射时间相同时，完成发射时序信号的产生，向驱动电路发出指令，控制发射线圈发出变电流发射。

进一步地，所述接收时序控制卡的控制过程为：

接收来自接收机上位机平台的控制指令，计算出继电器延时时间和采集控制延时时间；

有同步信号输入时，开始计时，并比较延时计时结果与计算的采集控制延时时间，当计时结果与采集延时时间相同时，发出采集控制信号，进行数据的采集；同时开始计时，并比较延时计时结果与计算的继电器控制延时时间，当计时结果与继电器延时时间相同时，向继电器发出继电器控制信号。

本发明具有如下的优点及有益效果：本发明依据核磁共振探测原理，在地下工程中应用全波采集的方式接收核磁共振信号，补充了地下探测前方水体的信号及噪声的全波数据，提高了地下探测水体数据采集的完整性，为后期数据处理提供更丰富的依据。

发射机与接收机完全独立，且无电缆连接，两者仅通过无线同步收发终端和无线网络传输信号与数据，简化了整体系统的连接步骤和操作方式。接收机与发射机之间可以任意调整无距离限制，方便在地下工程狭小空间中进行探测，提高了地下水体探测的灵活性和实用性，能有效测量地下工程中的前方水体，能够成为地下工程中发生突水、涌泥等地质灾害预报的根据。

附图说明

图1是本发明实施例中基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置结构示意图；

图2是图1中发射机的模块结构框图；

图3是图1中接收机的模块结构框图；

图4是本发明实施例中发射时序控制卡的模块结构框图；

图5是本发明实施例中接收时序控制卡的模块结构框图；

1发射机上位机平台，2无线网络数据收发单元，3无线网络天线，4发射机，5发射线圈，6接收线圈，7接收机，8接收机上位机平台，9无线网络接收节点，10数据传送接口，11数模转换器，12功率放大器，13编码器，14解码器，15滤波器，16模数转换器，17转换开关，18发射通讯接口，19电源控制卡，20发射时序控制卡，21大功率电源，22驱动电路，23发射桥路，24配谐电容，25无线同步信号发射端，26无线同步信号接收端，27接收通讯接口，28接收时序控制卡，29继电器，30匹配网络，31信号放大器，32全波采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，一种基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，该装置包括：

发射线圈5、接收线圈6、发射机4、发射机上位机平台1、接收机7、接收机上位机平台8以及无线网络数据收发单元2，其中发射机4与发射线圈5连接，用于发出控制发射线圈5以交变电流发射激发信号，并将该激发信号的同步信号通过无线发射端发射；发射机上位机平台1与发射机4通过串口总线连接，通过发射机上位机平台1设置发射机4的相关参数；接收机7与接收线圈6连接，用于接收接收线圈6感应到的氢质子产生的核磁共振信号，接收机上位机平台8通过串口总线与接收机7连接，设置接收机7参数，通过接收机7接收检测到的核磁共振信号并存储；接收机7通过无线同步信号接收端接收发射机4发射的带有同步信号的信息，提取同步信号发射时序，通过比较同步信号发射时序与其计算的发射时间和 接收同步信号时间比较，用于控制核磁共振信号的采集；

接收机上位机平台8通过网口线连接无线网络接收节点9；无线网络数据收发单元2，通过网口线与发射机上位机平台1连接以及连接有无线网络天线3，该无线网络数据收发单元2产生网络信号与无线网络接收节点9实现无线通讯连接，使得接收机上位机平台8与发射机上位机平台1之间数据共享。

无线网络数据收发单元2包括由数据传送接口10与数模转换器11、功率放大器12、编码器13依次连接组成的信号发送线路，由解码器14与滤波器15、模数转换器16、转换开关17依次连接构成的信号接收线路。

如图2所示，发射机4包括发射通讯接口18、发射时序控制卡20、驱动电路22、发射桥路23、配谐电容24、大功率电源21、电源控制卡19以及无线同步信号发射端25，其中发射通讯接口18，用于与发射机上位机平台1通讯连接；发射时序控制卡20 通过自身的串口通讯单元接收发射机上位机平台1的控制指令，并根据控制指令计算出发射时间和同步信号时间，发出同步信号和发射时序信号的控制信号；驱动电路22接收发射时序信号的控制信号进行转化进而控制发射桥路将大功率电源21事先在储能电容中储备的直流电压通过配谐电容24控制发射线圈5以交变电流发射，同时发射时序控制卡20将同步信号通过无线同步信号发射端加载在特定无线波段向外发射。其中，发射桥路23采用的是H桥路构成，两路桥路分别有两个大功率IGBT开关管。发射机上位机平台1设置发射机4的发射时间、激发脉冲频率等相关参数，接收机上位机平台8设置接收机7的信号放大器参数、接收信号中心频率、匹配系数等各项接收机工作参数。

发射机上位机平台1通过串口连接发射通讯接口18对电源控制卡19和发射时序控制卡20进行参数设置。向电源控制卡19设置充电时间和充电电压后，电源控制卡19控制大功率电源21中的升压DC-DC模块向储能电容输出设定电压以备发射。发射时序控制卡20由逻辑器件产生TTL电平的发射时序，频率为当地拉莫尔频率，发射时间持续40ms，驱动电路22将该控制信号经过转换，驱动发射桥路23。发射桥路23工作时，将大功率电源21事先在储能电容中储备的直流电压通过配谐电容24和发射线圈5以交变电流发射。地下水中的氢核收到发射电流产生的电磁场激发，跃迁至高能级。

如图4所示，发射时序控制卡20包括可编程指令控制器，可编程指令控制器的一输出端为接收同步信号输出端口，接收同步信号输出端口与无线同步信号发射端连接，可编程指令控制器还连接有比较器I、计时器I、比较器II、计时器II以及发射时序信号输出端口，同步信号输出端口起始输出低电平，在板卡时钟的时基下，开始计时，同步信号输出端变化输 出高电平，通过计时器I计时，并通过比较器I比较计时结果与计算的同步信号时间，当计时结果与同步信号时间相同时，同步信号输出端恢复输出低电平，完成同步信号的产生；发射时序信号输出端起始输出低电平，开始计时输出高电平，计时器II计时，计时结果通过比较器II与设定的发射时间比较，当计时结果与发射时间相同时，发射时序信号输出端口恢复低电平，完成发射时序信号的产生。

如图3所示，接收机包括接收通讯接口27、无线同步信号接收端26、接收时序控制卡28、全波采集卡32、继电器29、匹配网络30以及信号放大器31，其中，接收时序控制卡28通过携带的串口通讯单元以及接收通讯接口27与接收机上位机平台连接接收控制指令，根据控制指令计算出继电器29延时时间和采集控制延时时间，接收时序控制卡28的一输出端连接继电器29，一输入端连接无线同步信号接收端26，接收时序控制卡28通过无线同步信号接收端接收发射机发射的同步信号并在同步信号的触发下通过继电器29控制接收线圈6接收氢质子产生的核磁共振信号，接收的信号通过匹配网络30以及信号放大器31进入全波采集卡32内进行信号的采集，全波采集卡32通过接收通讯接口输出至接收机上位机平台8。全波采集卡32的输入端接入接收时序控制卡28的接口，通过同步信号的触发，控制全波采集卡32进行数据的采集。

发射时序控制卡20在产生发射TTL时序的同时，通过发射时序信号输出端口传送至无线同步信号发射端，使同步信号加载在特定无线波段向接收机7发射。无线同步信号接收端26经过初始化后一直处在等待接收状态，在检测到无线同步信号发射端25发射出同步信号后，将同步信号提取，送入接收机的接收时序控制卡28进行时序处理。

如图5所示，接收时序控制卡28包括可编程指令控制器，可编程指令控制器接收来自串口通讯单元的控制指令，计算出继电器延时时间和采集控制延时时间；该可编程指令控制器的一输入端为同步信号输入端，一输出端为采集控制信号输出端口，该采集控制信号输出端口连接全波采集卡，一输出端为继电器控制信号输出端口与继电器连接，该接收时序控制卡28还包括板卡时钟，以及延时比较器I和延时比较器II，该接收时序控制卡28的控制过程：

同步信号输入端连接有无线同步信号接收端，当有同步信号输入时，输入TTL逻辑电平，可编程指令控制器进行电平识别，采集控制信号输出端起始输出低电平，当同步信号为上升沿时，在板卡时钟的时基下，开始计时，采集控制信号输出端保持低电平不变，通过延时比较器I计时并比较延时计时结果与计算的采集控制延时时间，当计时结果与采集延时时间相同时，采集控制信号输出端变化为高电平，持续时间后恢复低电平，完成采集控制信号的产生；继电器控制信号输出端起始输出低电平，开始计时输出高电平，当同步信号为上升沿时， 在板卡时钟的时基下，开始计时，继电器控制信号输出端保持低电平不变，通过延时比较器II计时并比较延时计时结果与计算的继电器控制延时时间，当计时结果与继电器延时时间相同时，继电器控制信号输出端变化为高电平，持续时间后恢复低电平，完成继电器控制信号的产生。

依据核磁共振原理，在电流发射结束一定时间后，地下水中的氢质子会产生弛豫效应，利用传感器接收线圈6可以感应到氢质子产生的核磁共振信号。接收机上位机平台8通过接收通讯接口17设置采样频率、放大器放大倍数等接收机参数，并将参数下载至接收时序控制卡28中。接收时序控制卡28处理接收到的无线同步信号，并做精确延时控制继电器29和全波采集卡32。接收线圈6上接收的信号经过匹配网络30后，信号中混叠的电磁噪声将会降低，核磁共振信号被初步提取。信号再经过信号放大器31，微弱的核磁共振信号便会放大至全波采集卡32可以采集到的幅度。设置好采样频率的全波采集卡32将放大后的模拟核磁共振信号采集为数字信号，通过接收通讯接口27存储到对应的共享文件存储位置，完成对核磁共振信号的有效接收。

基于无线网络的地下全波核磁共振探测方法，包括以下顺序和步骤：

a.在测区内选定测点，以测点为中心垂直铺设发射线圈5与接收线圈6，并将发射线圈5与发射机4的发射线圈接线端连接，接收线圈6与接收机7的接收线圈接线端连接；

b.发射机上位机平台1通过网口及网络设置连接无线网络数据收发单元2和无线网络天线3，产生无线网络；

c.接收机上位机软件平台8与无线网络接收节点9通过网口连接，设定的无线网络与无线网络接收节点9连网，建立共享数据存储路径；

d.将发射机上位机平台1通过串口与发射机4连接，接收机上位机平台8与接收机7连接，并对其工作参数进行配置；

e.运行地下全波核磁共振探测装置控制软件，探测装置开始运行，并进行全波数据采集；

f.数据采集完成后，采集的数据已由接收机上位机平台8通过文件共享路径全部保存至发射机上位机平台1，在发射机上位机平台1运行地下全波核磁共振探测装置解释软件，反演估算出涌水量、渗透率、孔隙大小等水文参数，将能够成为地下工程中发生突水、涌泥等地质灾害预报的根据。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，发射机上位机平台1通过网口线与无线网络数据收发单元2、无线网络天线3连接，发射机上位机平台1通过串口总线与发射机4、发射线圈5连接， 多个接收机上位机平台8分别通过串口总线与对应接收机7、接收线圈6连接，多个接收机上位机平台8分别通过网口线与对应无线网络接收节点9连接，各无线网络接收节点9均连接至经无线网络收发天线3产生的无线网络连接。

Claims (5)

1.一种基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，其特征在于，该装置

包括：

发射线圈；

接收线圈；

发射机,与发射线圈连接，用于发出控制发射线圈以交变电流发射激发信号，并将该激发信号的同步信号采用TTL电平加载在电波中通过无线发射端发射；

发射机上位机平台，与发射机通过串口总线连接，设置发射机的相关参数；

接收机，与接收线圈连接，通过无线同步信号接收端接收发射机发射的带有同步信号的信息，提取同步信号发射时序，并计算发射时序用于控制核磁共振信号的采集，接收接收线圈感应到的氢质子产生的核磁共振信号；

接收机上位机平台，通过串口总线与接收机连接，设置接收机参数，通过接收机接收检测到的核磁共振信号并存储；所述接收机上位机平台通过网口线连接有无线网络接收节点；

无线网络数据收发单元，通过网口线与发射机上位机平台连接以及连接有无线网络天线，该无线网络数据收发单元产生网络信号与无线网络接收节点实现无线通讯连接，使得接收机上位机平台与发射机上位机平台之间数据共享；

所述的无线网络数据收发单元包括由数据传送接口与数模转换器、功率放大器、编码器依次连接组成的信号发送线路，由解码器与滤波器、模数转换器、转换开关依次连接构成的信号接收线路；

所述的发射机包括发射通讯接口、发射时序控制卡、驱动电路、发射桥路、配谐电容、大功率电源、电源控制卡以及无线同步信号发射端，其中发射通讯接口，用于与发射机上位机平台通讯连接；发射时序控制卡接收发射机上位机平台的控制指令，并根据控制指令计算出发射时间和同步信号时间，发出接收同步信号和发射时序信号的控制信号；驱动电路接收发射时序信号的控制信号进行转化进而控制发射桥路将大功率电源事先在储能电容中储备的直流电压通过配谐电容控制发射线圈以交变电流发射，同时发射时序控制卡将同步信号通过无线同步信号发射端加载在特定无线波段向外发射。

2.按照权利要求1所述的基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，其特征在于，所述接收机包括接收通讯接口、无线同步信号接收端、接收时序控制卡、全波采集卡、继电器、匹配网络以及信号放大器，其中，接收时序控制卡通过接收通讯接口与接收机上位机平台连接接收控制指令，计算出继电器延时时间和采集控制延时时间，接收时序控制卡的一输出端连接继电器，一输入端连接无线同步信号接收端，接收时序控制卡通过无线同步信号接收端接收同步信号并在同步信号的触发下通过继电器控制接收线圈接收信号，接收的信号通过匹配网络以及信号放大器进入全波采集卡内进行信号的采集，全波采集卡通过接收通讯接口输出至接收机上位机平台。

3.按照权利要求2所述的基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，其特征在于，所述全波采集卡的输入端接入接收时序控制卡的接口，通过同步信号的触发，控制全波采集卡进行数据的采集。

4.按照权利要求1所述的基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，其特征在于，所述发射时序控制卡的控制过程：

接收发射机上位机平台的控制指令，根据控制指令计算出发射时间和同步信号时间；

开始计时，并将计时结果与计算的同步信号时间比较，当计时结果与同步信号时间相同时，完成同步信号的产生，向无线同步信号发射端发出同步信号信息；

同时，开始计时，并将计时结果与设定的发射时间比较，当计时结果与发射时间相同时，完成发射时序信号的产生，向驱动电路发出指令，控制发射线圈发出变电流发射。

5.按照权利要求2所述的基于无线网络的地下全波核磁共振探测装置，其特征在于，所述接收时序控制卡的控制过程为：

接收来自接收机上位机平台的控制指令，计算出继电器延时时间和采集控制延时时间；

有同步信号输入时，遇到TTL电平上升沿时开始计时，并比较延时计时结果与计算的采集控制延时时间，当计时结果与采集延时时间相同时，发出采集控制信号，进行数据的采集，同时开始计时，并将延时计时结果与计算的继电器控制延时时间比较，当计时结果与继电器延时时间相同时，向继电器发出继电器控制信号。