CN109597134A - 基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球物理勘探领域，涉及一种基于绝热脉冲为激发源的新型核磁共振探水装置及其方法。通过采用新型发射序列激发，可以有效提高核磁共振信号的初始振幅。由上位机向主控单元配置发射参数，主控单元通过电压传感器实时监测发射电压，并控制调压电路输出期望的发射电压，保证激发电流幅度随发射时间按照双曲正割函数形式改变逐渐增加；同时根据发射频率参数，主控单元控制激发脉冲频率，使激发脉冲频率按照双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率。通过同时调制激发电流幅度和激发频率，实现了绝热脉冲激发；通过由偏共振过渡到共振的激发方式，可以提高核磁共振信号初始振幅进而提高接收核磁共振信号的信噪比，为地面核磁共振探水技术的精确反演提供技术支持。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探领域，尤其是涉及基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置及其方法。
背景技术
核磁共振地下水探测技术是当今唯一一种非开挖式直接探测地下水的地球物理方法，该方法在地下水资源勘探、水源灾害探测和预防等方面已有广泛的应用。但由于地磁场环境下核磁共振信号十分微弱，容易受到各种环境中的电磁噪声干扰，导致接收信噪比很低，采用绝热脉冲激发源的激发方式可以有效提高核磁共振信号的强度，直接提高核磁共振探测信噪比。
CN103823244A公开的“核磁共振三分量消噪装置及消噪方法”采用一个接收线圈和两个参考线圈作为信号接收传感器，利用在同一探测地点铺设的线圈感应的x和y分量信号与z分量信号的相关性,消除z分量噪声后,滤波处理得到可靠的核磁共振信号，但是该方法对幅度较大的尖峰噪声具有消噪效果，并未说明对其他类型电磁干扰的消噪效果，另外在野外工作时需要铺设多个线圈，降低了野外探测的工作效率。
CN107329180A公开的“基于模拟梳状滤波器的核磁共振地下水探测装置及探测方法”中，将接收机接收的核磁共振信号依次经过前置放大单元、带宽滤波单元、梳状滤波单元以及二级放大单元经由采集卡单元传输至计算机，该方法利用模拟梳状滤波器对宽带放大器带内的工频谐波进行压制，但由于滤波器特性不理想，会对有效信号带来衰减，对接收信噪比的提高效果并不显著。
CN107966737A公开的“主动场核磁共振探测装置及探测方法”中，在常规采取交流激发电流激发之前，使用大电流直流预极化场对地下目标水体进行预极化，然后再使用交流激发场进行核磁共振探测。预极化场能够提高底下目标水体初始磁化强度，改善信噪比，有利于在矿井隧道环境中进行核磁共振探测。但上述方法的不足之处在于每次探测过程中，都需要先发射持续几秒的直流预极化电流，然后再发射交流激发电流，探测方式复杂且每轮探测消耗时间长，探测效率低。
以上内容都是利用不同的装置和算法对接收信号中的噪声成分进行压制，或者是采取新的激发策略提高核磁共振信号强度，在不同的探测环境下应用都会取得较好的应用效果，但是也存在一些不足之处：采用三分量线圈结合噪声抑制算法会增加布设天线的时间，噪声抑制算法消耗大量计算的时间同时对信噪比的改善及其有限；当核磁共振信号频率接近工频谐波噪声频率时，采用模拟梳状滤波器会引起有用信号成分被大幅衰减，对信噪比改善作用不大；采取预极化方法可以改善信噪比，但是探测耗时较长且难以探测深层水体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置，能够有效提高核磁共振信号强度，提高核磁共振探测信噪比。本发明适用于高噪声环境下野外核磁共振地下水探测。
本发明另一方面提供一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测方法。
本发明是这样实现的，一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置，该装置包括：
大容量储能装置，将24V瓶的直流电，经过DC-DC变换储存到大容量储能电容组中，为发射绝热脉冲激发电流提供能量；
大功率电压调制电路，包括两路调压支路，对发射电压幅度进行调制，并与发射桥路连接产生激发电流，使激发电流幅度随发射时间按照双曲正割函数形式逐渐增加；
频率调制电路，由主控单元对发射桥路的发射频率进行调制，使发射的绝热脉冲电流为调频脉冲电流，且发射电流频率随发射时间按双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率；
激发磁场控制电路，通过主控制器控制发射桥路向大功率发射线圈中通入绝热脉冲激发电流，产生交变磁场激发地下目标水体产生核磁共振效应；
主控单元，对大容量储能装置、大功率电压调制电路、频率调制电路和激发磁场控制电路进行切换和控制。
进一步地，所述大功率电压调制电路的每路调压支路均与所述大容量储能装置的输出电压反馈至主控单元，通过所述主控单元与预设输出电压值进行比较后对所述大容量储能装置的输出电压进行调整；通过两路所述调压支路同时对激发磁场控制电路输出激发电压。
进一步地，所述调压支路受控制单元控制对大容量储能装置的电压进行降压，包含PWM输出模块、IGBT驱动电路、DC-DC调压电路、电压传感器模块、隔离放大器、A/D电压采样电路、负载切换开关、以及假负载电路；
PWM输出模块，产生控制调压电路的PWM脉冲，用以控制DC-DC调压电路开关管IGBT工作；
IGBT驱动电路，将PWM输出模块产生的PWM脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对PWM脉冲进行功率放大，输送给DC-DC调压电路，控制开关管IGBT工作；
DC-DC调压电路，通过DC-DC调压电路变换实现对储能电容组的储能电压进行降压，同时实现对输出电压幅度的调制，使发射负载中流过的激发电流幅度随时间按照双曲正割函数形式变化；
电压传感器，实时采集DC-DC调压电路的输出电压；
隔离放大器，将电压传感器采集的高压电压信号经过隔离放大后，转换为较低的电压值；
A/D电压采样电路，在主控单元控制下，将隔离放大器的输出电压值转换为数字量，输入进主控单元；
负载切换开关，在所述控制单元控制下负责切换假负载电路和发射桥路与DC-DC调压电路之间的连接；
假负载电路，在调压电路输出电压建立稳定过程中，作为DC-DC调压电路的假负载。
进一步地，所述频率调制电路包括：
标准频率源，与所述主控单元连接，为分频模块提供标准频率信号；
分频模块，在主控单元控制下，对标准频率源的时钟信号进行分频；
频率合成模块，对分频后的时钟进行频率合成，使激发频率数值随时间按照双曲正切函数变化；
激发脉冲生成模块，将所述频率合成模块生成的信号转变为激发脉冲，为发射桥路提供激发脉冲信号；
光耦隔离模块，将激发脉冲生成模块和激发磁场控制电路之间进行光电隔离。
进一步地，所述频率调制电路发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由频率调制电路对绝热脉冲激发电流的发射频率进行调制，按照公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)其中，β为归一化系数，t为发射时间，实时计算激发电流频率，并生成绝热激发脉冲。
进一步地，所述大容量储能装置包括：
光耦隔离模块，在主控单元控制大容量储能电路的过程中，将主控单元和DC-DC充电电路之间进行光电隔离；
DC-DC充电电路，在主控单元的控制下，将24V电瓶储存的电能转换为恒流电流；
储能电容组，由DC-DC充电电路向储能电容组进行充电，由储能电容组储存高压能量，其输出电压通过调压支路进行电压调节。
进一步地，所述激发磁场控制电路包括：IGBT驱动电路、串联大功率发射桥路、高压谐振电容、大功率发射线圈、以及电流传感器；其中，
IGBT驱动电路，频率调制电路产生的激发脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对激发脉冲进行功率放大，输送给串联大功率发射桥路，控制串联大功率发射桥路的IGBT开关管；
串联大功率发射桥路，由两路H桥串联组成，每路H桥由4块IGBT开关管组成，每路调压支路的输出电压分别连接一路H桥，串联的H桥与高压谐振电容和大功率发射线圈连接；
高压谐振电容，作为串联发射回路的配谐元件，与发射线圈的寄生串联电感和寄生串联电阻形成串联谐振电路；
大功率发射线圈，与高压谐振电容形成串联谐振回路，通入交流激发电流后，产生交流激发磁场；
电流传感器，电流传感器采集流过发射线圈的大功率激发电流，并将采集的信号输送给主控单元。
进一步地，所述激发磁场控制电路包括：
发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由电流传感器实时采集流过大功率发射线圈的激发电流波形数据，按照公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]其中，δ为激发电流系数，实时计算激发电流幅度，从而控制调压支路的输出电压，使发射绝热脉冲激发电流幅度满足上述公式。
进一步地，该装置包括高压继电器、接收线圈以及信号采集电路，其中，
所述高压继电器在发射激发电流时受主控单元的控制断开接收线圈和信号采集电路的连接；发射结束后连接接收线圈和信号采集电路；
所述信号采集电路在主控单元的控制下在激发过程结束后，采集核磁共振信号。
一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测方法，该方法包括：
储存到大容量电能为发射绝热脉冲激发电流提供能量；
将大容量电能输出至两路，对两路的输出电压进行调整至预设输出电压值；
通过两路输出至激发磁场控制电路实现两路串联向大功率发射线圈中通入绝热脉冲激发电流；
对发射桥路的发射频率进行调制，使发射的绝热脉冲电流为调频脉冲电流，且发射电流频率随发射时间按双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率；
具体包括：
a、在野外环境中选择一个测区，在测区内选择一探测点，包围探测点铺设直径为100m的圆形发射线圈或者边长为100m的方形线圈，并将同样尺寸的接收线圈平行于发射线圈铺设；
b、线圈铺设完毕后，使用LCR测试仪测试大功率发射线圈的寄生串联电感L和寄生串联电阻R；使用磁力仪测出当地地磁场强度B0；根据拉莫尔频率计算公式计算出拉莫尔频率f0，其中γ为氢质子的旋磁比；根据计算出高压谐振电容的电容值C，并将高压谐振电容值调整为C；
c、将发射线圈的一端与高压谐振电容的一端串联，发射线圈和高压谐振电容的另一端连接至大功率串联发射桥路的两端，将接收线圈两端连接至高压继电器两端；
d、线圈铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；点击上位机系统自检功能，系统完成自检；
e、系统自检无误后，通过上位机设置最大发射电流幅度、最小发射电流幅度、发射时间、能释时间、最大发射频率、最小发射频率、A/D采集时间、工作方式、脉冲矩数和叠加次数；
f、设置完成后，启动工作，点击发射参数设置，由上位机向主控单元配置发射参数；点击接收参数设置，由上位机向主控单元配置接收参数；发射参数和接收参数配置完成后，点击开始发射，仪器开始工作；
g、首先进行噪声采集，采集得到的噪声数据由上位机绘制波形，评估当前测区的噪声环境是否适合开展核磁共振地下水探测，并将经过多次采集叠加的噪声数据保存在上位机当中；
h、发射之前由主控单元控制DC-DC充电电路对储能电容进行充电；
i、充电结束后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与假负载电路相连，同时控制DC-DC调压电路对储能电容组进行降压；
j、DC-DC调压电路输出电压达到预设值后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与串联大功率发射桥路相连；同时控制频率调制电路和发射桥路工作，由主控单元根据公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)实时计算激发电流频率值，使发射频率随发射时间逐渐增加至当地拉莫尔频率；根据公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]，其中，δ为激发电流系数，实时计算激发电流幅度值，使激发电流幅度随发射时间逐渐增加，实现发射绝热脉冲激发电流；
k、激发过程中由主控单元实时控制电流传感器实时采集激发电流数据，并上传至上位机显示；
l、激发结束后由主控单元控制信号采集电路采集核磁共振信号，并上传至上位机显示；
m、重复步骤f-l，实现一组探测过程。每轮发射过程由主控单元根据上位机最初配置的发射参数计算每轮的发射参数。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明是应用新型绝热脉冲激发源进行核磁共振地下水探测的新方法，绝热脉冲激发方式可以有效提高探测信噪比，使装置具有能够在复杂噪声环境下进行探测的优点。通过上位机配置发射参数，主控单元控制大功率电压调制电路和频率调制电路工作，通过大功率串联发射电路发射绝热脉冲激发电流，能够直接提高核磁共振信号强度，对于利用核磁共振原理在超大噪声环境下对地下水进行有效探测，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置系统框图；
图2为本发明实施例提供的大功率串联发射桥路电路图其中图2A与图2B中的电流方向相反；
图3为本发明实施例提供的归一化绝热脉冲激发电流波形图；
图4为图3中归一化绝热脉冲激发电流幅度(图4B)和频率变化图(图4A)；
图5为本发明中的上位机软件面板；
其中图中，1上位机，2通信接口，3主控单元，4光耦隔离模块，5 DC-DC充电电路，6储能电容组，7 24V电瓶，8第一PWM输出模块，9 IGBT驱动电路，10第一DC-DC调压电路，11第一负载切换开关，12第一假负载电路，13第一电压传感器，14第一隔离放大器，15第一A/D电压采样电路，16第二PWM输出模块，17第二IGBT驱动电路，18第二DC-DC调压电路，19第二负载切换开关，20第二假负载电路，21第二电压传感器，22第二隔离放大器，23第二A/D电压采样电路，24标准频率源，25分频模块，26频率合成模块，27激发脉冲生成模块，28光耦隔离模块，29第三IGBT驱动电路，30串联大功率发射桥路，31高压谐振电容，32大功率发射线圈，33电流传感器，34 LCR测试仪，35接收线圈，36高压继电器，37信号采集电路。
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。
参见附图1，一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置，包括：上位机1、通信接口2、主控单元3、大容量储能装置、大功率电压调制电路、频率调制电路、激发磁场控制电路、信号接收单元。大容量储能装置由光耦隔离模块4、24V电瓶7、DC-DC充电电路5和储能电容组6互相连接组成；大功率电压调制电路由两路调压支路组成，第一调压支路由第一PWM输出模块8、第一IGBT驱动电路9、第一DC-DC调压电路10、第一负载切换开关11、第一假负载电路12，第一电压传感器13、第一隔离放大器14和第一A/D电压采样电路15相互连接组成；第二调压支路由第二PWM输出模块16、第二IGBT驱动电路17、第二DC-DC调压电路18、第二负载切换开关19、第二假负载电路20，第二电压传感器块21、第二隔离放大器22和第二A/D电压采样电路13相互连接组成；频率调制电路由标准频率源24、分频模块25、频率合成模块26、激发脉冲生成模块27和光耦隔离模块28相互连接组成；激发磁场控制电路由第三IGBT驱动电路29、串联大功率发射桥路30、高压谐振电容31、大功率发射线圈32和电流传感器33相互连接组成；信号接收单元由接收线圈35和经高压继电器36与信号采集电路37相互连接组成。
大容量储能装置将24V瓶的直流电，经过DC-DC变换储存到大容量储能电容组中，为发射绝热脉冲激发电流提供能量；
大功率电压调制电路包括两路调压支路，对发射电压幅度进行调制，并与发射桥路连接产生激发电流，使激发电流幅度随发射时间按照双曲正割函数形式逐渐增加；
频率调制电路由主控单元对发射桥路的发射频率进行调制，使发射的绝热脉冲电流为调频脉冲电流，且发射电流频率随发射时间按双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率；
激发磁场控制电路通过主控制器控制发射桥路向大功率发射线圈中通入绝热脉冲激发电流，产生交变磁场激发地下目标水体产生核磁共振效应；
主控单元，对大容量储能装置、大功率电压调制电路、频率调制电路和激发磁场控制电路进行切换和控制。
大功率电压调制电路的每路调压支路均与所述大容量储能装置的输出电压反馈至主控单元，通过所述主控单元与预设输出电压值进行比较后对所述大容量储能装置的输出电压进行调整；通过两路所述调压支路同时对激发磁场控制电路输出激发电压。
所述调压支路受控制单元控制对大容量储能装置的电压进行降压，其中PWM输出模块产生控制调压电路的PWM脉冲，用以控制DC-DC调压电路开关管IGBT工作；
IGBT驱动电路将PWM输出模块产生的PWM脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对PWM脉冲进行功率放大，输送给DC-DC调压电路，控制开关管IGBT工作；
DC-DC调压电路通过DC-DC调压电路变换实现对储能电容组的储能电压进行降压，同时实现对输出电压幅度的调制，使发射负载中流过的激发电流幅度随时间按照双曲正割函数形式变化；
电压传感器实时采集DC-DC调压电路的输出电压；
隔离放大器将电压传感器采集的高压电压信号经过隔离放大后，转换为较低的电压值；
A/D电压采样电路在主控单元控制下，将隔离放大器的输出电压值转换为数字量，输入进主控单元；
负载切换开关在所述控制单元控制下负责切换假负载电路和发射桥路与DC-DC调压电路之间的连接；
假负载电路在调压电路输出电压建立稳定过程中，作为DC-DC调压电路的假负载。
所述频率调制电路：标准频率源与所述主控单元连接，为分频模块提供标准频率信号；
分频模块在主控单元控制下，对标准频率源的时钟信号进行分频；
频率合成模块对分频后的时钟进行频率合成，使激发频率数值随时间按照双曲正切函数变化；
激发脉冲生成模块将所述频率合成模块生成的信号转变为激发脉冲，为发射桥路提供激发脉冲信号；
光耦隔离模块将激发脉冲生成模块和激发磁场控制电路之间进行光电隔离。
所述频率调制电路发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由频率调制电路对绝热脉冲激发电流的发射频率进行调制，按照公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)实时计算激发电流频率，并生成绝热激发脉冲。
所述大容量储能装置各模块的功能包括：光耦隔离模块在主控单元控制大容量储能电路的过程中，将主控单元和DC-DC充电电路之间进行光电隔离；
DC-DC充电电路在主控单元的控制下，将24V电瓶储存的电能转换为恒流电流；
储能电容组由DC-DC充电电路向储能电容组进行充电，由储能电容组储存高压能量，其输出电压通过调压支路进行电压调节。
所述激发磁场控制电路包括：IGBT驱动电路、串联大功率发射桥路、高压谐振电容、大功率发射线圈、以及电流传感器；其中，
IGBT驱动电路频率调制电路产生的激发脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对激发脉冲进行功率放大，输送给串联大功率发射桥路，控制串联大功率发射桥路的IGBT开关管；
串联大功率发射桥路由两路H桥串联组成，每路H桥由4块IGBT开关管组成，每路调压支路的输出电压分别连接一路H桥，串联的H桥与高压谐振电容和大功率发射线圈连接；
高压谐振电容作为串联发射回路的配谐元件，与发射线圈的寄生串联电感和寄生串联电阻形成串联谐振电路；
大功率发射线圈与高压谐振电容形成串联谐振回路，通入交流激发电流后，产生交流激发磁场；
电流传感器采集流过发射线圈的大功率激发电流，并将采集的信号输送给主控单元。
所述激发磁场控制电路包括：发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由电流传感器实时采集流过大功率发射线圈的激发电流波形数据，按照公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]实时计算激发电流幅度，从而控制调压支路的输出电压，使发射绝热脉冲激发电流幅度满足上述公式。
在一实施例中装置还包括高压继电器、接收线圈以及信号采集电路，其中，所述高压继电器在发射激发电流时受主控单元的控制断开接收线圈和信号采集电路的连接；发射结束后连接接收线圈和信号采集电路；所述信号采集电路在主控单元的控制下在激发过程结束后，采集核磁共振信号。
本装置的工作原理为：由上位机1设置发射参数并存储接收到的激发电流波形数据和采集的核磁共振信号数据，并通过通信接口2向主控单元3配置发射参数，之后由主控单元3完成发射绝热脉冲激发电流和采集核磁共振信号。首先由主控单元3发出控制信号，由光耦隔离模块4经光电隔离后，将控制信号连接至DC-DC充电电路5，由充电电路将24V电瓶7的直流电压，经过DC-DC充电电路5变换后，转换成直流恒流电流向储能电容组6充电。当储能电容组6储能电压达到设定值后，由主控单元3发出控制信号，控制两路调压电路同时开始工作；对于第一调压支路，首先由主控单元3控制第一负载切换开关11将第一假负载电路12连接到第一DC-DC调压电路10的输出端，暂时作为第一DC-DC调压电路的输出负载；然后由第一PWM输出模块8输出PWM脉冲，经过第一IGBT驱动电路9后，将PWM脉冲进行功率放大，用来驱动第一DC-DC调压电路的IGBT开关管工作；第一电压传感器13连接至第一DC-DC调压电路10的输出端，用来采集输出电压，经第一隔离放大器14将采集的输出电压信号输送给第一A/D电压采样电路15，由主控单元3控制第一A/D电压采样电路将电压信号转换为数字量后输送给主控单元，由主控单元取得当前输出电压值与预设输出电压值之间的误差电压；当前输出电压值低于预设输出电压值时，主控单元控制PWM脉冲增加脉冲宽度，使第一DC-DC调压电路输出电压增加；当前输出电压值高于预设输出电压值时，主控单元控制PWM脉冲减小脉冲宽度，使第一DC-DC调压电路输出电压减小；第二调压支路的工作原理与第一调压支路相同。当第一DC-DC调压电路10和第二DC-DC调压电路18的输出电压达到预设输出电压值之后，主控单元控制第一负载切换开关11和第二负载切换开关19将第一DC-DC调压电路10和第二DC-DC调压电路18的输出端与串联大功率发射桥路30的输入端相连；同时由标准频率源24输入标准频率信号，由主控单元控制分频模块25对标准频率信号进行分频，之后由频率合成模块26对分频模块输出的标准频率信号进行合成，生成发射频率随发射时间逐渐增加的信号，然后由激发脉冲生成模块27将频率合成模块26的输出信号转变为对应频率的激发脉冲，经过光耦隔离模块28将频率调制电路与激发磁场控制电路进行光电隔离后，将激发脉冲生成模块生成的激发脉冲输送给第三IGBT驱动电路29，经功率放大后，驱动串联大功率发射桥路工作，开始发射激发脉冲。其中，发射回路负载为由高压谐振电容31和大功率发射线圈32组成的RLC串联谐振电路，在发射回路负载回路中产生振荡的正弦电流信号，该振荡正弦信号会激发出交变磁场，激发地下目标水体产生核磁共振现象。在发射激发电流过程中，在主控单元3控制下由电流传感器33实时采集大功率发射线圈32中流过的电流波形数据，并将波形数据实时传送给主控单元。主控单元将波形数据通过通信接口2上传至上位机1进行显示和存储，并且主控单元根据采集的电流波形数据实时计算激发电流的幅度，并根据计算结果实时控制两路调压支路的电压增加或者减少，保证激发电流幅度随发射时间逐渐增加。在达到设置的发射时间后，发射过程结束，主控单元3发出控制信号控制大功率电压调制电路、频率调制电路和激发磁场控制电路停止工作，此时激发磁场消失，地下目标水体中的氢质子会产生弛豫现象，向外发射核磁共振信号。当停止激发后，由主控单元3控制高压继电器36闭合，将接收线圈35两端接入信号采集电路37，由主控单元控制信号采集电路采集由接收线圈接收到的核磁共振信号数据，并将核磁共振信号数据经通信接口2上传至上位机1进行显示和存储。上述过程为一轮激发-采集过程，每组探测由主控单元根据上位机配置的叠加次数和脉冲矩数控制仪器进行多轮激发-采集过程。
参见附图2，图2A为发射电流正向流过发射负载时大功率串联电路的工作原理图，图2B为发射电流反向流过发射负载时大功率串联电路的工作原理图。串联大功率发射桥路30由两路H桥串联组成，每个H桥由4块IGBT开关管组成。其中IGBT开关管VT1、IGBT开关管VT2、IGBT开关管VT3和IGBT开关管VT4组成一路H桥，IGBT开关管VT5、IGBT开关管VT6、IGBT开关管VT7和IGBT开关管VT8组成另外一路H桥。大功率发射线圈32等效为R、L串联模型，与高压谐振电容C串联后，串联接入两路H桥中。其中E1为第一调压支路中第一DC-DC调压电路10输出的电压源，E2为第二调压支路中第二DC-DC调压电路18输出的电压源。在发射激发电流过程中，大功率串联发射桥路的工作原理为：当输出电流正向流过发射负载时，有IGBT开关管VT1、IGBT开关管VT7、IGBT开关管VT5、IGBT开关管VT3导通，激发电流的流动方向为从E1+端流出，分别流过IGBT开关管VT1、R、L、C、IGBT开关管VT7、E2-端、E2+端、IGBT开关管VT5、IGBT开关管VT3、E1-端；当输出电流反向流过发射负载时，有IGBT开关管VT2、IGBT开关管VT8、IGBT开关管VT6、IGBT开关管VT4导通，激发电流的流动方向为从E1+端流出，分别流过IGBT开关管VT2、IGBT开关管VT8、E2-端、E2+端、IGBT开关管VT6、C、L、R、IGBT开关管VT4、E1-端。因此加载在发射负载两端的电压始终为电压源E1和电压源E2之和。采用本发明所述的大功率串联发射桥路，可以提高发射电压，进而提高激发电流，并且减轻了发射过程中加载在每一个IGBT上的电压值，提高了IGBT工作的可靠性。
参见附图3为采用本发明实施例装置的归一化绝热脉冲激发电流波形图，其中实线为流过发射负载的绝热脉冲激发电流波形图，虚线为发射电流波形的幅度包络。由于发射负载的等效模型为RLC串联谐振模型，因此激发电流的波形为振荡正弦信号。绝热激发电流脉冲为调幅调频脉冲，激发电流的幅度随发射时间逐渐增加，激发电流的频率随发射时间逐渐增加至当地拉莫尔频率。由于激发电流逐渐增加至当地拉莫尔频率，因此激发地下目标水体产生核磁共振现象过程中，核磁共振过程逐渐由偏共振过渡到共振状态；由于激发电流波形幅度随发射时间逐渐增加，当核磁共振为共振状态时，发射电流幅度也最大，因此可以有效增强核磁共振过程的磁化强度，在撤去激发磁场后，产生更强的核磁共振信号。
参见附图4为图3中归一化绝热脉冲激发电流幅度和频率变化图，绝热脉冲激发电流波形为调频调幅波，激发电流的频率随发射时间逐渐由fmin增加至当地拉莫尔频率f0，激发电流的调频公式为f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)，β≈0.03为归一化系数，t(ms)为发射时间(见图4A)；激发电流的幅度随发射时间由Imin逐渐增加至Imax，激发电流的调幅公式为I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]，其中δ≈1.2为激发电流系数(见图4B)。
参见附图5，利用LabVIEW软件编写本发明的上位机控制软件，包含通讯端口选择、实验地点记录、命令按钮、运行监视、参数配置和信号波形显示功能。其中命令按钮包含发射参数设置、接收参数设置、开始发射、停止发射四个按钮；运行监视包含当前发射电压监视、当前储能电压监视、当前叠加次数监视和当前脉冲矩数监视四个功能；参数配置包含最大发射电流配置、最小发射电流配置、发射时间配置、能释时间配置、最大发射频率配置、最小发射频率配置、A/D采集时间配置、工作方式选择、脉冲矩数配置和叠加次数配置功能；信号波形显示功能显示采集的时域信号功能，包含显示信号波形的幅度和采集时间。
本发明还提供了一种采用基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置的野外工作方法，包括以下步骤：
a、在野外环境中选择一个测区，在测区内选择一探测点，包围探测点铺设直径为100m的圆形发射线圈或者边长为100m的方形线圈，并将同样尺寸的接收线圈平行于发射线圈铺设；
b、线圈铺设完毕后，使用LCR测试仪34测试大功率发射线圈的寄生串联电感L和寄生串联电阻R；使用磁力仪测出当地地磁场强度B0；根据拉莫尔频率计算公式计算出拉莫尔频率f0，其中γ为氢质子的旋磁比；根据计算出高压谐振电容的电容值C，并将高压谐振电容值调整为C；
c、将发射线圈的一端与高压谐振电容的一端串联，发射线圈和高压谐振电容的另一端连接至大功率串联发射桥路的两端，将接收线圈两端连接至高压继电器两端；
d、线圈铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开仪器电源，上位机和仪器处于待机状态；点击上位机系统自检功能，系统完成自检；
e、系统自检无误后，通过上位机设置最大发射电流幅度、最小发射电流幅度、发射时间、能释时间、最大发射频率(为当地拉莫尔频率f0)、最小发射频率、A/D采集时间、工作方式、脉冲矩数和叠加次数；
f、设置完成后，启动仪器工作，点击发射参数设置，由上位机向主控单元配置发射参数；点击接收参数设置，由上位机向主控单元配置接收参数；发射参数和接收参数配置完成后，点击开始发射，仪器开始工作；
g、仪器首先进行噪声采集，采集得到的噪声数据由上位机绘制波形，评估当前测区的噪声环境是否适合开展核磁共振地下水探测，并将经过多次采集叠加的噪声数据保存在计算机当中；
h、发射之前由主控单元控制DC-DC充电电路对储能电容进行充电；
i、充电结束后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与假负载电路相连，同时控制DC-DC调压电路对储能电容组进行降压；
j、DC-DC调压电路输出电压达到预设值后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与串联大功率发射桥路相连；同时控制频率调制电路和发射桥路工作，由主控单元根据公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)实时计算激发电流频率值，使发射频率随发射时间逐渐增加至当地拉莫尔频率；根据公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]实时计算激发电流幅度值，使激发电流幅度随发射时间逐渐增加，实现发射绝热脉冲激发电流；
k、激发过程中由主控单元实时控制电流传感器实时采集激发电流数据，并上传至上位机显示；
l、激发结束后由主控单元控制信号采集电路采集核磁共振信号，并上传至上位机显示；
m、重复步骤f-l，实现一组探测过程。每轮发射过程由主控单元根据上位机最初配置的发射参数计算每轮的发射参数。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测装置，其特征在于，该装置包括：
大容量储能装置，将24V瓶的直流电，经过DC-DC变换储存到大容量储能电容组中，为发射绝热脉冲激发电流提供能量；
大功率电压调制电路，包括两路调压支路，对发射电压幅度进行调制，并与发射桥路连接产生激发电流，使激发电流幅度随发射时间按照双曲正割函数形式逐渐增加；
频率调制电路，由主控单元对发射桥路的发射频率进行调制，使发射的绝热脉冲电流为调频脉冲电流，且发射电流频率随发射时间按双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率；
激发磁场控制电路，通过主控制器控制发射桥路向大功率发射线圈中通入绝热脉冲激发电流，产生交变磁场激发地下目标水体产生核磁共振效应；
主控单元，对大容量储能装置、大功率电压调制电路、频率调制电路和激发磁场控制电路进行切换和控制。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大功率电压调制电路的每路调压支路均与所述大容量储能装置的输出电压反馈至主控单元，通过所述主控单元与预设输出电压值进行比较后对所述大容量储能装置的输出电压进行调整；通过两路所述调压支路同时对激发磁场控制电路输出激发电压。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调压支路受控制单元控制对大容量储能装置的电压进行降压，包含PWM输出模块、IGBT驱动电路、DC-DC调压电路、电压传感器模块、隔离放大器、A/D电压采样电路、负载切换开关、以及假负载电路；
PWM输出模块，产生控制调压电路的PWM脉冲，用以控制DC-DC调压电路开关管IGBT工作；
IGBT驱动电路，将PWM输出模块产生的PWM脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对PWM脉冲进行功率放大，输送给DC-DC调压电路，控制开关管IGBT工作；
DC-DC调压电路，通过DC-DC调压电路变换实现对储能电容组的储能电压进行降压，同时实现对输出电压幅度的调制，使发射负载中流过的激发电流幅度随时间按照双曲正割函数形式变化；
电压传感器，实时采集DC-DC调压电路的输出电压；
隔离放大器，将电压传感器采集的高压电压信号经过隔离放大后，转换为较低的电压值；
A/D电压采样电路，在主控单元控制下，将隔离放大器的输出电压值转换为数字量，输入进主控单元；
负载切换开关，在所述控制单元控制下负责切换假负载电路和发射桥路与DC-DC调压电路之间的连接；
假负载电路，在调压电路输出电压建立稳定过程中，作为DC-DC调压电路的假负载。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率调制电路包括：
标准频率源，与所述主控单元连接，为分频模块提供标准频率信号；
分频模块，在主控单元控制下，对标准频率源的时钟信号进行分频；
频率合成模块，对分频后的时钟进行频率合成，使激发频率数值随时间按照双曲正切函数变化；
激发脉冲生成模块，将所述频率合成模块生成的信号转变为激发脉冲，为发射桥路提供激发脉冲信号；
光耦隔离模块，将激发脉冲生成模块和激发磁场控制电路之间进行光电隔离。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述频率调制电路发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由频率调制电路对绝热脉冲激发电流的发射频率进行调制，按照公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)，其中，β为归一化系数，t为发射时间，实时计算激发电流频率，并生成绝热激发脉冲。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大容量储能装置包括：
光耦隔离模块，在主控单元控制大容量储能电路的过程中，将主控单元和DC-DC充电电路之间进行光电隔离；
DC-DC充电电路，在主控单元的控制下，将24V电瓶储存的电能转换为恒流电流；
储能电容组，由DC-DC充电电路向储能电容组进行充电，由储能电容组储存高压能量，其输出电压通过调压支路进行电压调节。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激发磁场控制电路包括：IGBT驱动电路、串联大功率发射桥路、高压谐振电容、大功率发射线圈、以及电流传感器；其中，
IGBT驱动电路，频率调制电路产生的激发脉冲输入到IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路对激发脉冲进行功率放大，输送给串联大功率发射桥路，控制串联大功率发射桥路的IGBT开关管；
串联大功率发射桥路，由两路H桥串联组成，每路H桥由4块IGBT开关管组成，每路调压支路的输出电压分别连接一路H桥，串联的H桥与高压谐振电容和大功率发射线圈连接；
高压谐振电容，作为串联发射回路的配谐元件，与发射线圈的寄生串联电感和寄生串联电阻形成串联谐振电路；
大功率发射线圈，与高压谐振电容形成串联谐振回路，通入交流激发电流后，产生交流激发磁场；
电流传感器，电流传感器采集流过发射线圈的大功率激发电流，并将采集的信号输送给主控单元。
8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激发磁场控制电路包括：
发射绝热脉冲激发电流过程中，在主控单元的控制下由电流传感器实时采集流过大功率发射线圈的激发电流波形数据，按照公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]，其中，δ为激发电流系数，实时计算激发电流幅度，从而控制调压支路的输出电压，使发射绝热脉冲激发电流幅度满足上述公式。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括高压继电器、接收线圈以及信号采集电路，其中，
所述高压继电器在发射激发电流时受主控单元的控制断开接收线圈和信号采集电路的连接；发射结束后连接接收线圈和信号采集电路；
所述信号采集电路在主控单元的控制下在激发过程结束后，采集核磁共振信号。
10.一种基于绝热脉冲激发源的核磁共振地下水探测方法，采用权利要求1-9任意一项的装置，其特征在于，该方法包括：
储存到大容量电能为发射绝热脉冲激发电流提供能量；
将大容量电能输出至两路，对两路的输出电压进行调整至预设输出电压值；
通过两路输出至激发磁场控制电路实现两路串联向大功率发射线圈中通入绝热脉冲激发电流；
对发射桥路的发射频率进行调制，使发射的绝热脉冲电流为调频脉冲电流，且发射电流频率随发射时间按双曲正切函数形式逐渐增加至当地拉莫尔频率；
具体包括：
a、在野外环境中选择一个测区，在测区内选择一探测点，包围探测点铺设直径为100m的圆形发射线圈或者边长为100m的方形线圈，并将同样尺寸的接收线圈平行于发射线圈铺设；
b、线圈铺设完毕后，使用LCR测试仪测试大功率发射线圈的寄生串联电感L和寄生串联电阻R；使用磁力仪测出当地地磁场强度B0；根据拉莫尔频率计算公式计算出拉莫尔频率f0，其中γ为氢质子的旋磁比；根据计算出高压谐振电容的电容值C，并将高压谐振电容值调整为C；
c、将发射线圈的一端与高压谐振电容的一端串联，发射线圈和高压谐振电容的另一端连接至大功率串联发射桥路的两端，将接收线圈两端连接至高压继电器两端；
d、线圈铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；点击上位机系统自检功能，系统完成自检；
e、系统自检无误后，通过上位机设置最大发射电流幅度、最小发射电流幅度、发射时间、能释时间、最大发射频率、最小发射频率、A/D采集时间、工作方式、脉冲矩数和叠加次数；
f、设置完成后，启动工作，点击发射参数设置，由上位机向主控单元配置发射参数；点击接收参数设置，由上位机向主控单元配置接收参数；发射参数和接收参数配置完成后，点击开始发射，仪器开始工作；
g、首先进行噪声采集，采集得到的噪声数据由上位机绘制波形，评估当前测区的噪声环境是否适合开展核磁共振地下水探测，并将经过多次采集叠加的噪声数据保存在上位机当中；
h、发射之前由主控单元控制DC-DC充电电路对储能电容进行充电；
i、充电结束后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与假负载电路相连，同时控制DC-DC调压电路对储能电容组进行降压；
j、DC-DC调压电路输出电压达到预设值后，由主控单元控制两路调压支路的负载切换开关与串联大功率发射桥路相连；同时控制频率调制电路和发射桥路工作，由主控单元根据公式f(t)＝fmin+Δf·tanh(βt)实时计算激发电流频率值，使发射频率随发射时间逐渐增加至当地拉莫尔频率；根据公式I(t)＝Imax[δ-sech(βt)]实时计算激发电流幅度值，使激发电流幅度随发射时间逐渐增加，实现发射绝热脉冲激发电流；
k、激发过程中由主控单元实时控制电流传感器实时采集激发电流数据，并上传至上位机显示；
l、激发结束后由主控单元控制信号采集电路采集核磁共振信号，并上传至上位机显示；
m、重复步骤f-l，实现一组探测过程。每轮发射过程由主控单元根据上位机最初配置的发射参数计算每轮的发射参数。
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