CN105785458A - 地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置及抗饱和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置，接收线圈经前置放大电路和程控放大电路与带通滤波电路连接，程控放大电路经带通滤波电路与AD采集卡连接，带通滤波电路经AD采集卡与计算机连接，AD采集卡经计算机与发射系统连接构成。本发明在核磁共振探水仪中嵌入一套放大倍数自动调节模块，该调节模块也可以直接取代核磁共振探水仪的接收放大电路独立工作，在噪声干扰严重的复杂环境下，通过抗饱和装置设置最佳放大倍数，解决了只使用一种放大倍数导致信号失真或放大倍数不足的问题；由于整个放大倍数调节过程都是自动完成，提高了地下水探测效率；该抗饱和方法简单，计算量小，且对放大倍数调整速度要求低等特点。

Description

地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置及抗饱和方法
技术领域
本发明涉及一种核磁共振地下水探测仪，尤其是核磁共振信号放大电路的抗饱和装置及抗饱和方法。
背景技术
核磁共振(MRS)地下水探测技术是当今地球物理领域能够直接且无损地探测地下水的方法。在地下水受交变磁场激发后，产生核磁共振信号，该信号是按指数规律衰减的正弦波信号，因此称为自由感应衰减(FID)信号。FID信号一般为纳伏(nV)级，需要经过几千或几万倍放大后才能被检测到；同时，该信号易受外界环境电磁噪声的干扰。由于不同待测区域的干扰噪声不同，甚至在同一测量区域不同时间段的电磁干扰噪声也不同。传统的核磁共振探水接收系统的放大装置只是根据经验仅在系统工作之前设置一次放大倍数，而在一个测点完成测量需要两个小时，环境噪声变化较大，尤其在噪声干扰强区段放大电路易饱和，进而导致无法采集到有效数据。若在不同区域或同一区域不同时间测量时，采用同一放大倍数也难以实现理想效果。尤其在复杂环境下，噪声干扰严重，放大倍数固定不变的情况下，放大器易饱和进而导致信号失真；因此，为了防止放大器饱和又能满足FID信号的放大倍数要求，设计一种地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置；
本发明的另一目的是提供一种地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的抗饱和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置，是由接收线圈1经前置放大电路2和程控放大电路3与带通滤波电路4连接，程控放大电路3经带通滤波电路4与AD采集卡5连接，带通滤波电路4经AD采集卡5与计算机6连接，AD采集卡5经计算机6与发射系统9连接，计算机6经MCU控制电路7与电平转换及电气隔离电路8连接，电平转换及电气隔离电路8与程控放大电路3连接构成。
AD采集卡5是由ADC模块10经电平转换及电气隔离电路11与FPGA模块12连接，RAM模块13经FPGA模块12与ROM模块14连接，FPGA模块12分别与网络接口15和SCI接口16连接构成。
计算机6分别与网络接口15和SCI接口16连接。
地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的抗饱和方法，包括以下步骤：
a、在核磁共振探水系统工作之前，根据待测地点环境噪声强度人工手动设置程控放大倍数和整体信号的上限预设值及下限预设值；
b、工作中，每次采集时间为256ms，采样点数为6400，计算机6根据本次AD采集卡5采集的所有信号，计算出6400个采集点绝对值中的最大值Vmax；
c、计算机6把Vmax发送给MCU控制电路7，已知本次设置的放大倍数为Ai，在MCU内对Vmax与预设值比较，当Vmax大于上限预设值VH时，降低放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；当Vmax小于下限预设值VL时，增大放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；由于程控放大器可选择的是2000倍、4000倍、6000倍……30000倍、32000倍以2000为差值的等差数列，共16个不连续的整数点放大倍数，每次调整的放大倍数Ai+1的选择依据是最接近的那个整数点放大倍数，且不大于Ai+1的整数点放大倍数，如Ai+1＝5130，实际选择4000倍作为下一次的放大倍数；
d、MCU控制电路7通过电平转换及电气隔离电路8设置程控放大电路3的放大倍数Ai+1，设置后的放大倍数作为下一次采集信号的放大倍数；
e、MCU控制电路7设置完成放大倍数后，向计算机6发送完成指令，计算机6控制发射系统9发射，进行下一次激发；
f、激发结束后，计算机6控制AD采集卡5采集的信号，再根据AD采集卡5采集的信号做出Vmax评估，再通过MCU比较Vmax和预设值，设置下一次程控放大电路的放大倍数，每一次采集的数据都作为设置下次放大倍数的依据，如此循环，至采集结束。
有益效果：本发明在核磁共振探水仪中嵌入一套放大倍数自动调节模块，该调节模块也可以直接取代核磁共振探水仪的接收放大电路独立工作，在噪声干扰严重的复杂环境下，通过抗饱和装置设置最佳放大倍数，解决了只使用一种放大倍数导致信号失真或放大倍数不足的问题；由于整个放大倍数调节过程都是自动完成，提高了地下水探测效率；该控制方法简单，计算量小，具有对放大倍数调整速度要求低等特点。
附图说明
图1为地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置结构框图
图2为附图1中AD采集卡5的结构框图
图3为实施例中第一次采集的信号时域图
图4为实施例中第二次采集的信号时域图
1接收线圈，2前置放大电路，3程控放大电路，4带通滤波电路，5AD采集卡，6计算机，7MCU控制电路，8电平转换及电气隔离电路，9发射系统，10ADC模块，11电平转换及电气隔离电路，12FPGA模块，13RAM模块，14ROM模块，15网络接口，16SCI接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：
地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置，是由接收线圈1经前置放大电路2和程控放大电路3与带通滤波电路4连接，程控放大电路3经带通滤波电路4与AD采集卡5连接，带通滤波电路4经AD采集卡5与计算机6连接，AD采集卡5经计算机6与发射系统9连接，计算机6经MCU控制电路7与电平转换及电气隔离电路8连接，电平转换及电气隔离电路8与程控放大电路3连接构成。
AD采集卡5是由ADC模块10经电平转换及电气隔离电路11与FPGA模块12连接，RAM模块13经FPGA模块12与ROM模块14连接，FPGA模块12分别与网络接口15和SCI接口16连接构成。
计算机6分别与网络接口15和SCI接口16连接。
地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的抗饱和方法，包括以下步骤：
a、在核磁共振探水系统工作之前，根据待测地点环境噪声强度人工手动设置程控放大倍数和整体信号的上限预设值及下限预设值；
b、工作中，每次采集时间为256ms，采样点数为6400，计算机6根据本次AD采集卡5采集的所有信号，计算出6400个采集点绝对值中的最大值Vmax；
c、计算机6把Vmax发送给MCU控制电路7，已知本次设置的放大倍数为Ai，在MCU内对Vmax与预设值比较，当Vmax大于上限预设值VH时，降低放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；当Vmax小于下限预设值VL时，增大放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；由于程控放大器可选择的是2000倍、4000倍、6000倍……30000倍、32000倍以2000为差值的等差数列，共16个不连续的整数点放大倍数，每次调整的放大倍数Ai+1的选择依据是最接近的那个整数点放大倍数，且不大于Ai+1的整数点放大倍数，如Ai+1＝5130，实际选择4000倍作为下一次的放大倍数；
d、MCU控制电路7通过电平转换及电气隔离电路8设置程控放大电路3的放大倍数Ai+1，设置后的放大倍数作为下一次采集信号的放大倍数；
e、MCU控制电路7设置完成放大倍数后，向计算机6发送完成指令，计算机6控制发射系统9发射，进行下一次激发；
f、激发结束后，计算机6控制AD采集卡5采集的信号，再根据AD采集卡5采集的信号做出Vmax评估，再通过MCU比较Vmax和预设值，设置下一次程控放大电路的放大倍数，每一次采集的数据都作为设置下次放大倍数的依据，如此循环，至采集结束。
如图1所示，地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置是由接收线圈1经前置放大电路2和程控放大电路3与带通滤波电路4连接，程控放大电路3经带通滤波电路4与AD采集卡5连接，带通滤波电路4经AD采集卡5与计算机6连接，AD采集卡5经计算机6与发射系统9连接，计算机6经MCU控制电路7与电平转换及电气隔离电路8连接，电平转换及电气隔离电路8与程控放大电路3连接构成。
如图2所示，AD采集卡5是由ADC模块10经电平转换及电气隔离电路11与FPGA模块12连接，RAM模块13经FPGA模块12与ROM模块14连接，FPGA模块12分别与网络接口15和SCI接口16连接构成。
计算机6分别与网络接口15和SCI接口16连接。
接收线圈1感应地面磁共振信号，信号经过前置放大电路2、程控放大电路3与带通滤波电路4后，作为AD采集卡5的输入，FPGA模块12控制ADC模块10把采集的地面磁共振信号发送给计算机6，计算机6做出信号处理，得出最大评估值，并把评估值发送给MCU控制电路7，在MCU内对评估值与预设值比较，当评估值大于上限预设值时，降低放大倍数，当评估值小于下限预设值时，增大放大倍数，每一次采集的数据作为下次放大倍数的参考，如此循环，至工作结束。
地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的抗饱和方法，包括以下步骤：
a、在核磁共振探水系统工作之前，根据待测地点环境噪声强度人工手动设置程控放大倍数和整体信号的上限预设值及下限预设值；
b、工作中，每次采集时间为256ms，采样点数为6400，计算机6根据本次AD采集卡5采集的所有信号，计算出6400个采集点绝对值中的最大值Vmax；
c、计算机6把Vmax发送给MCU控制电路7，已知本次设置的放大倍数为Ai，在MCU内对Vmax与预设值比较，当Vmax大于上限预设值VH时，降低放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；当Vmax小于下限预设值VL时，增大放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；由于程控放大器可选择的是2000倍、4000倍、6000倍……30000倍、32000倍以2000为差值的等差数列，共16个不连续的整数点放大倍数，每次调整的放大倍数Ai+1的选择依据是最接近的那个整数点放大倍数，且不大于Ai+1的整数点放大倍数，如Ai+1＝5130，实际选择4000倍作为下一次的放大倍数；
d、MCU控制电路7通过电平转换及电气隔离电路8设置程控放大电路3的放大倍数Ai+1，设置后的放大倍数作为下一次采集信号的放大倍数；
e、MCU控制电路7设置完成放大倍数后，向计算机6发送完成指令，计算机6控制发射系统9发射，进行下一次激发；
f、激发结束后，计算机6控制AD采集卡5采集的信号，再根据AD采集卡5采集的信号做出Vmax评估，再通过MCU比较Vmax和预设值，设置下一次程控放大电路的放大倍数，每一次采集的数据都作为设置下次放大倍数的依据，如此循环，至工作结束。
实施例
在长春北湖湿地公园，以发射线圈和接收线圈大小都是50m*50m，加入抗饱和装置的核磁共振地下探水系统为例，对地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的应用进行说明。
a、在核磁共振探水系统工作之前，根据待测地点环境噪声强度人工手动在计算机6上设置初始放大倍数为20000倍，上限预设值VH＝4V，下限预设值VL＝0.5V；
b、工作中，每次采集时间为256ms，采样点数为6400，计算机6根据本次AD采集卡5采集的所有信号，计算出6400个采集点绝对值中的最大值Vmax；
c、计算机6把Vmax发送给MCU控制电路7，已知本次设置的放大倍数为Ai，在MCU内对Vmax与预设值比较，当Vmax大于上限预设值VH时，降低放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；当Vmax小于下限预设值VL时，增大放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；由于程控放大器可选择的是2000倍、4000倍、6000倍……30000倍、32000倍以2000为差值的等差数列，共16个不连续的整数点放大倍数，每次调整的放大倍数Ai+1的选择依据是最接近的那个整数点放大倍数，且不大于Ai+1的整数点放大倍数，如Ai+1＝5130，实际选择4000倍作为下一次的放大倍数；
第一次采集数据结果如图3所示，抗饱和装置自动计算得出Vmax＝4.5V，Vmax>VH，大于上限预设值，需要下调放大倍数，计算Ai+1＝3.2*Ai/Vmax＝14222，实际设置程控放大器的放大倍数为14000倍；
d、MCU控制电路7通过电平转换及电气隔离电路8设置程控放大电路3的放大倍数Ai+1，设置后的放大倍数作为下一次采集信号的放大倍数；
e、MCU控制电路7设置完成放大倍数后，向计算机6发送完成指令，计算机6控制发射系统9发射，进行下一次激发；
第二次采集数据结果如图4所示，其最大绝对值Vmax＝3.7V，VL<Vmax<VH,信号处于上限预设值和下限预设值之间，既达到了放大信号的要求，又防止了在单一放大倍数情况下放大器饱和问题；
f、激发结束后，计算机6控制AD采集卡5采集的信号，再根据AD采集卡5采集的信号做出Vmax评估，再通过MCU比较Vmax和预设值，设置下一次程控放大电路的放大倍数，每一次采集的数据都作为设置下次放大倍数的依据，如此循环，至采集结束。

Claims (3)

1.一种地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置，其特征在于，是由接收线圈(1)经前置放大电路(2)、程控放大电路(3)、带通滤波电路(4)、AD采集卡(5)和计算机(6)与发射系统(9)连接，程控放大电路(3)经电气隔离电路(8)与MCU控制电路(7)连接，MCU控制电路(7)与计算机(6)连接构成。
2.按照权利要求1所述的地面磁共振信号放大电路的实时抗饱和装置，其特征在于，AD采集卡(5)是由ADC模块(10)经电平转换及电气隔离电路(11)与FPGA模块(12)连接，RAM模块(13)经FPGA模块(12)与ROM模块(14)连接，FPGA模块(12)分别与网络接口(15)和SCI接口(16)连接，网络接口(15)和SCI接口(16)分别与计算机(6)连接构成。
3.按照权利要求1所述的地面磁共振信号放大电路的抗饱和装置的抗饱和方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在核磁共振探水系统工作之前，根据待测地点环境噪声强度手动设置程控放大倍数和整体信号的上限预设值及下限预设值；
b、工作中，每次采集时间为256ms，采样点数为6400，计算机(6)根据本次AD采集卡(5)采集的所有信号，计算出6400个采集点绝对值中的最大值Vmax；
c、计算机(6)将Vmax发送给MCU控制电路(7)，已知本次设置的放大倍数为Ai，在MCU内对Vmax与预设值比较，当Vmax大于上限预设值VH时，降低放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；当Vmax小于下限预设值VL时，增大放大倍数，设置下一次调整的放大倍数Ai+1＝3.2*Ai/Vmax；
d、MCU控制电路(7)通过电平转换及电气隔离电路(8)设置程控放大电路(3)的放大倍数Ai+1，设置后的放大倍数作为下一次采集信号的放大倍数；
e、MCU控制电路(7)设置完成放大倍数后，向计算机(6)发送完成指令，计算机(6)控制发射系统(9)发射，进行下一次激发；
f、激发结束后，计算机(6)控制AD采集卡(5)采集的信号，再根据AD采集卡(5)采集的信号做出Vmax评估，然后通过MCU比较Vmax和预设值，设置下一次程控放大电路的放大倍数，每一次采集的数据都作为设置下次放大倍数的依据，如此循环，至采集结束。
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