CN109143389A - 一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及方法,包括垂向接收线圈接收垂向的工频干扰信号;东西向接收线圈接收东西向的工频干扰信号;南北向接收线圈接收南北向的工频干扰信号;采集电路采集垂向、东西向以及南北向的工频干扰信号;上位机根据采集电路采集的三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;主控制器根据上位机的指令,控制万向云台按照可能的向量方向进行转动,通过万向接收线圈接收工频干扰信号并通过采集电路传递至上位机。本装置能准确定位到空间存在的工频干扰信号,并测量出工频干扰源的大小及方向,便于核磁共振探测中对工频干扰源的寻找并剔除,减少工频干扰所产生的信号噪声。

Description

一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及测量方法
技术领域
本发明属于地球物理探测仪器领域,尤其是一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及测量方法。
背景技术
核磁共振探测地下水是一种直接探测地下水的方法技术,具有高效、快速、分辨率高、结果直观等特点,随着水资源短缺问题的日益严重,核磁共振探测地下水具有更广阔的的发展空间,核磁共振探测地下水的基本原理是由水中的氢质子在二次磁场的极化作用下产生跃迁后再回到低能级状态时产生了大量具有拉莫尔频率的能量子,此时地面的接收线圈感应到的MRS信号是检测到的核磁共振信号,此信号非常微弱,极易引入外界电磁噪声,而工频干扰源正是在此频段范围内,并且噪声幅值大、分布普遍,对核磁共振信号影响较大。如何对工频干扰信号进行剔除是核磁共振探测的一个攻尖点,在研究如何剔除工频干扰信号的过程中,首要前提是寻找到最大工频干扰源,所以研究一种工频干扰源定向装置不仅给核磁共振探测地下水提供了方便,也为其它领域的工频干扰源消除提供了相关技术仪器。
CN101666834公开了一种抗工频干扰的信号采样方法及系统,所述方法包括以下步骤:步骤A,于输入的市电交流信号中提取工频信号,通过工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪,并产生一工频同步信号;步骤B,根据工频同步信号锁定工频干扰信号的过零点相位,在过零点相位对输入的检测信号进行同步采样。上述发明要求在工频信号过零点处进行相位检测,具有一定难度,并且还会引入误差,上述发明重点在工频干扰信号的采集,并不是寻找与定向。
CN203502602U公开了一种消除工频谐波干扰的核磁共振探测装置,,由接收线圈与增益可调放大器、滤波器和二级放大连接,二级放大的一端连接强度指示,二级放大的另一端连接迟滞比较器,迟滞比较器的一端经触发器与加法器连接,迟滞比较器的另一端经延时器与加法器连接,加法器与计算机连接构成。有效地消除拉莫尔频率接近工频噪声的谐波频点处的噪声,在消噪过程中对MRS信号无影响,同时可以抑制同频干扰。上述发明是接收线圈摆放固定,只能接收到与接收线圈正向耦合到的工频噪声信号,并不能在整个三维空间内检测到最强的工频干扰信号并剔除。
上述发明都重点在于工频干扰信号的消除系统与装置,而在三维空间内,存在多个工频干扰源,大小和方向各不相同,如果在检测过程中能寻找到信号强度最强的工频干扰源并剔除,则能保留噪声更小的有用信号,因此能在三维全空间范围内对工频干扰信号进行寻找并定向是解决问题的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及方法,解决现有技术中不能在整个三维空间内检测到最强的工频干扰信号并剔除的问题。
本发明是这样实现的,
一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置,该装置包括:
垂向接收线圈,与水平面平行,接收垂向的工频干扰信号;
东西向接收线圈,与所述垂向接收线圈垂直以及东西方向垂直,接收东西向的工频干扰信号;
南北向接收线圈,与所述垂向接收线圈和所述东西向接收线圈垂直,接收南北向的工频干扰信号;
采集电路,采集垂向、东西向以及南北向的工频干扰信号;
上位机,根据采集电路采集的信号三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;
主控制器,根据上位机的指令,控制一万向云台按照可能的向量方向进行转动,从而带动设置在万向云台的万向接收线圈转动指令操作的角度,通过万向接收线圈接收工频干扰信号并通过采集电路传递至上位机。
进一步地,所述垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈分别通过继电器分时接入到前置放大器,实现三维的工频干扰源信号分时测量,接收信号依次通过前置放大器、带通滤波器、后置放大器进行信号调理后给采集电路进行信号采集,所述继电器通过主控制器控制。
进一步地,所述主控制器控制前置放大器和后置放大器的控制进行放大倍数调节,保证采集信号幅度在要求范围内。
进一步地,所述万向接收线圈通过继电器分时接入到前置放大器,接收信号依次通过前置放大器、带通滤波器、后置放大器进行信号调理后给采集电路进行信号采集,所述继电器通过主控制器控制。
进一步地,上位机向主控制器发出测量命令并将采集的信号进行处理,步骤包括:
发测量命令给主控制器;
依次接收垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈所接收到工频干扰信号值a、信号值b、信号值c;
求出信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c;
将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个;
将模相同,方向相反的两组坐标向量,去掉负向量,保留正向量,保留4组向量结果和命令发送给主控制器;
主控制器驱动万向云台转动,测量4组向量方向上的工频干扰值,等待主控电路的测量结果,如果结果没到则继续等待;结果到后,保存结果并显示最大工频干扰值及方向向量,之后结束工作流程。
进一步地,所述主控制器在测量的过程中采集信号后测量幅值,检测幅值是否在输入信号范围内,如果不是则通过主控制器调整前置放大器和后置放大器的放大倍数,如果是则表明放大倍数合适,则完成一次测量。
一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向测量方法,该方法包括:
分时测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值;
对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;
将万向接收线圈分别按照可能的向量方向进行转动,通过万向接收线圈接收工频干扰信号,分析出最大工频干扰值及方向向量。
进一步地,对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量包括:
求取垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c;
将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个;
将模相同,方向相反的两组坐标向量,去掉负向量,保留正向量,保留4组向量结果。
进一步地,在测量测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值的过程对采集信号检测幅值是否在输入信号范围内,如果不是则通过测量装置的调整前置放大器和后置放大器的放大倍数,如果是则表明放大倍数合适,则完成一次测量。
本发明与现有技术相比,有益效果在于:本发明包括垂向、东西向、南北向三维接收线圈及连接万向云台的万向接收线圈可接收三维全空间范围内任意方向上的工频干扰信号,通过测量电路和上位机的运算找到最强工频干扰源的方向并显示其工频干扰的信号大小,应用于核磁探测找水领域中,可寻找到最大工频干扰源利于干扰的剔除,保留纯净的核磁共振信号,减少了野外探测中人工旋转线圈寻找最强工频干扰源的操作复杂性,此系统全自动仪器操作,人机界面友好,显示直观,使野外施工更便捷。
附图说明
图1是一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置总体框图;
图2是垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈固定于三角支架的示意图;
图3是接收线圈传感器的选频原理图;
图4是上位机处理流程图;
图5是主控制器处理流程图;
图6是主控制器测量过程的工作流程图;
图7是x、y、z方向空间坐标系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参见图1所示,一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置,该装置包括:垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈组成的三维接收线圈以及一个安装在万向云台上随着万向云台转动的万向接收线圈,垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈以及万向接收线圈均通过继电器与一套信号调理电路和采集电路连接,通过主控制器控制几个继电器分时与调理电路和采集电路连接,调理电路包括依次连接的前置放大器、带通滤波器以及后置放大器。采集电路将采集的信号传输至上位机内。
垂向接收线圈形成的平面与水平面平行,接收垂向的工频干扰信号;
东西向接收线圈与所述垂向接收线圈垂直以及东西方向垂直,接收东西向的工频干扰信号;
南北向接收线圈与所述垂向接收线圈和所述东西向接收线圈垂直,接收南北向的工频干扰信号;
三个方向的工频干扰信号是通过主控器控制各自的继电器达到分时采集的目的,采集的信号依次通过前置放大器、带通滤波器、后置放大器进行信号调理后给采集电路进行信号采集后传递至上位机内。
上位机对采集电路采集的信号进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量,并将可能的工频干扰源向量数据和控制命令传递至主控制器,主控器根据上位机的指令,控制万向云台按照可能的向量方向进行转动,通过万向接收线圈接收工频干扰信号并通过采集电路传递至上位机。
参见图1为一个实施例的结构框图,垂向接收线圈1、东西向接收线圈2、南北向接收线圈3分别通过继电器(4、5、6)连接至前置放大器8,主控制器12对继电器(4、5、6)进行控制,使其分时地接入前置放大器8,实现三维的工频干扰源信号分时测量,接收信号通过前置放大器8、带通滤波器9、后置放大器10进行信号调理后给采集电路11进行信号采集,其中前置放大器8和后置放大器9均受主控制器12控制进行放大倍数调节,保证采集信号幅度在要求范围内,采集电路11采集信号后送给上位机13,上位机对三维工频干扰信号进行存储及计算,根据这三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量,上位机13将结果发给主控制器12,主控制器12控制万向云台14按照几种可能的向量方向进行转动,万向接收线圈15固定于万向云台14上,随着万向云台14进行转动,到主控制器12所发出的给定方向时停止转动,此时,主控制器12控制继电器7吸合,万向接收线圈15接收工频干扰信号,通过前置放大器8、带通滤波器9、后置放大器10进行信号调理给采集电路11,之后传至上位机13,当上位机13接收到全部可能的工频干扰源向量方向上的工频干扰后,对其进行比较分析,将最大的工频干扰源量值及方向显示于上位机13界面上。
垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈摆放示意图如图2所示,垂向接收线圈1、东西向接收线圈2、南北向接收线圈3绕制软磁铁氧体成功后,分别用螺丝固定于三角支架16所伸出的支杆上,用于接收垂向、东西向、南北向三个方向耦合到工频干扰信号。
接收线圈的选频原理如图3所示,软磁铁氧体上绕制漆包线后有一定的电感和感应电阻,根据选频原理公式计算出配谐电容,形成LC并联谐振,从而从噪声信号中选出50hz工频信号,实现选频的目的。
用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置及方法中上位机处理流程图如图4所示,首先发测量命令给主控制器,然后分别依次接收垂向、东西向、南北向接收线圈所接收到工频干扰信号值a、信号值b、信号值c,之后求出信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c,之后将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,之后根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个,然后再将模相同,方向相反的两组向量,去掉负向量,保留正向量,之后将保留的4组向量结果和命令发送给主控制器,使主控制器驱动万向云台转动,测量几个向量方向上的工频干扰值,等待主控电路的测量结果,如果结果没到则继续等待;结果到后,保存结果并显示最大工频干扰值及方向向量,之后结束工作流程。
对上述的过程原理上如下:参见图7,为一x、y、z方向空间坐标系,通过在三个方向上分别放置一个接收线圈,以x方向为例,x方向只能接收到x方向上的垂直过来的信号,大小为a,但是方向不能确定,则这个方向上的信号用向量表示可能是a或者-a,同理,y方向上信号为b或者-b,z方向上信号c或者-c,假设主信号是空间传来的,在x、y、z方向上分解为a、b、c,将其合成后,向量大小为方向用方向余弦表示,则有
向量坐标为:因为在x方向上有(a或-a),y方向上有(b或-b),在z方向上有(c或-c),根据排列组合,最后可能的向量坐标为8个。去掉方向相反的向量,共剩余4个。
本发明提供了一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置中主控电路的处理流程如图5所示,开始工作,等待上位机命令,如果是测量工频干扰命令,则控制继电器,依次接入垂向、东西向、南北向接收线圈进行测量,然后将测量结果传输给上位机,如果不是测量工频干扰命令则检测是否是寻找最大工频干扰命令,如果不是则继续等待上位机命令,如果是则控制万向云台转动,转动到命令向量方向时,停止转动后开始测量,测量后依次保存测量结果,将测量结果上传至上位机,之后结束本工作流程。
一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置中主控制器的测量流程如图6所示,开始后进行参数初始化,然后启动测量,采集信号后测量幅值,检测幅值是否在输入信号范围内,如果不是则通过主控制器调整前置放大器和后置放大器的放大倍数,如果是则表明放大倍数合适,则完成本次测量。
本实施例中装置的工作过程为:
首先根据实际探测环境选择地点摆放好三角支架用于固定垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向三维接收线圈,三角支架摆放好后,分别将垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向三维接收线圈固定其上;
然后摆放好万向云台,将接收线圈固定于万向云台上,之后将各个线圈的输出与仪器连接好,准备开始工作;
仪器上电后,上位机发采集工频干扰命令给主控制器,主控制器依次控制继电器(4、5、6)吸合,分别测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号,例如当继电器4吸合时,垂向接收线圈接入电路、接收信号依次经过前置放大器8、带通滤波器9、后置放大器10等信号调理电路的调理,然后将信号给采集电路11,采集电路11采集到信号后传至上位机13,上位机对其进行存储;按照此方式,上位机依次对垂向、东西向、南北向的工频干扰信号进行采集;
当三维信号均采集完毕后,上位机13进行数据处理流程,将三维信号分别求出其反向量后根据排列组合合成可能存在的空间向量,再将模相同,方向相反的两组向量,去掉负向量,保留正向量,之后将保留的4组向量结果和命令发送给主控制器12;
主控制器12接收到寻找最大工频干扰命令后,则控制万向云台14转动,转动到结果向量方向时,停止转动,开始测量,控制继电器7吸合,使万向接收线圈15接入电路,经信号调理电路和采集电路后将采集结果传至上位机进行存储;
依次采集并存储各个向量方向上的工频干扰信号后,上位机进行运算比较,将幅值最大的工频干扰信号幅值及其所对应的空间向量显示于人机界面上,进而清晰直观的得到三维工频干扰源的量值及方向。
本发明提供了一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向测量方法,该方法包括:
分时测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值;
对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;
将万向接收线圈分别按照可能的向量方向进行转动,通过万向接收线圈接收工频干扰信号,分析出最大工频干扰值及方向向量。
对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量包括:
求取垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c;
将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个;
将模相同,方向相反的两组坐标向量,去掉负向量,保留正向量,保留4组向量结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向装置,其特征在于,该装置包括:
垂向接收线圈,与水平面平行,接收垂向的工频干扰信号;
东西向接收线圈,与所述垂向接收线圈垂直以及东西方向垂直,接收东西向的工频干扰信号;
南北向接收线圈,与所述垂向接收线圈和所述东西向接收线圈垂直,接收南北向的工频干扰信号;
采集电路,采集垂向、东西向以及南北向的工频干扰信号;
上位机,根据采集电路采集的三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;
主控制器,根据上位机的指令,控制一万向云台按照可能的向量方向进行转动,从而带动设置在万向云台的万向接收线圈转动指令操作的角度,通过万向接收线圈接收工频干扰信号并通过采集电路传递至上位机。
2.按照权利要求1所述的装置,其特征在于,所述垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈分别通过继电器分时接入到前置放大器,实现三维的工频干扰源信号分时测量,接收信号依次通过前置放大器、带通滤波器、后置放大器进行信号调理后给采集电路进行信号采集,所述继电器通过主控制器控制。
3.按照权利要求2所述的装置,其特征在于,所述主控制器控制前置放大器和后置放大器的控制进行放大倍数调节,保证采集信号幅度在要求范围内。
4.按照权利要求2所述的装置,其特征在于,所述万向接收线圈通过继电器分时接入到前置放大器,接收信号依次通过前置放大器、带通滤波器、后置放大器进行信号调理后给采集电路进行信号采集,所述继电器通过主控制器控制。
5.按照权利要求1所述的装置,其特征在于,上位机向主控制器发出测量命令并将采集的信号进行处理,步骤包括:
发测量命令给主控制器;
依次接收垂向接收线圈、东西向接收线圈、南北向接收线圈所接收到工频干扰信号值a、信号值b、信号值c;
求出信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c;
将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个;
将模相同,方向相反的两组坐标向量,去掉负向量,保留正向量,保留4组向量结果和命令发送给主控制器;
主控制器驱动万向云台转动,测量4组向量方向上的工频干扰值,等待主控电路的测量结果,如果结果没到则继续等待;结果到后,保存结果并显示最大工频干扰值及方向向量,之后结束工作流程。
6.按照权利要求1所述的装置,其特征在于,所述主控制器在测量的过程中采集信号后测量幅值,检测幅值是否在输入信号范围内,如果不是则通过主控制器调整前置放大器和后置放大器的放大倍数,如果是则表明放大倍数合适,则完成一次测量。
7.一种用于核磁的三维工频干扰源定量定向测量方法,其特征在于,该方法包括:
分时测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值;
对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量;
将万向接收线圈分别按照可能的向量方向进行转动,通过万向接收线圈接收工频干扰信号,分析出最大工频干扰值及方向向量。
8.按照权利要求7所述的测量方法,其特征在于,
对信号值进行三个方向上的分向量求出可能的工频干扰源向量包括:
求取垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值a、信号值b、信号值c的相反向量-a、相反向量-b、相反向量-c;
将信号值a、相反向量-a代入垂向坐标轴,将信号值b、相反向量-b代入东西向坐标轴,将信号值c、相反向量-c代入南北向坐标轴,根据排列组合求出可能的三维坐标向量8个;
将模相同,方向相反的两组坐标向量,去掉负向量,保留正向量,保留4组向量结果。
9.按照权利要求7所述的测量方法,其特征在于,在测量测量垂向、东西向、南北向的工频干扰信号值的过程对采集信号检测幅值是否在输入信号范围内,如果不是则通过测量装置的调整前置放大器和后置放大器的放大倍数,如果是则表明放大倍数合适,则完成一次测量。
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