CN109814161B - 一种航空磁共振地下水探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空磁共振测深领域，一种航空磁共振地下水探测装置及方法，该装置包括：空中系统和地面系统，其中，空中系统包括：航空飞行器搭载航空磁共振探测系统主机，通过天线拖拽缆与航空磁共振探测发射天线及航空磁共振信号接收天线相连；以及飞行器噪声采集天线与航空磁共振探测系统主机相连；所述地面系统包括：地面控制器与无线信息收发器，其中地面控制器将坐标等探测信息通过无线信息收发器发送至航空磁共振探测系统主机；无线信息收发器传递空中系统与地面系统之间的信息。利用飞艇、直升机等航空飞行器搭载新型磁共振地下水探测仪器，对测区内的地下水进行快速探测，提高探测效率。同时，降低测区地表环境条件对磁共振测深方法的限制，进一步提高磁共振测深找水方法的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及航空磁共振测深领域，具体涉及一种航空磁共振地下水探测装置及方法。
背景技术
核磁共振找水技术是一种直接、准确的地下水探测方法。磁共振方法也可应用于隧道、矿井等灾害水源探测领域，应用于这些环境时采用收发分离天线形式，同时天线的尺寸较小，使磁共振方法能够应用于地下工程中。
在地面探测时，可以采用多线圈同时测量模式，对地下水体的分布状态进行2D/3D成像。
目前，所有的磁共振探测方法都是在地面或者地下工程中进行的，受到地面的实际情况，存在以下的问题，第一野外探测的不便，第二造成地表的破坏，第三，探测的效率低下，耗费大量的人力与物力。
有文献公开，采用飞机携带接收线圈的方式，例如申请号为201710130504.9，名称为：一种地空核磁共振地下水探测系统及探测方法，采用地空的方式进行地下水的探测。采用发射机通过改变接地电极的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，用搭载在飞行器上的接收线圈采集宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，地面主控系统经通讯模块远程控制激发电流的发射与停止，地面主控系统经通讯模块远程控制与接收线圈连接的接收机在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号。上述的技术方案中，仍然需要在地面布置电极，难以实现大范围快速的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种航空磁共振地下水探测装置及方法，利用飞艇、直升机等航空飞行器搭载新型磁共振地下水探测仪器，对测区内的地下水进行快速探测，提高探测效率。同时，降低测区地表环境条件对磁共振测深方法的限制，进一步提高磁共振测深找水方法的应用范围。
本发明是这样实现的，一种航空磁共振地下水探测装置，该装置包括：空中系统和地面系统，其中，空中系统包括：
航空飞行器搭载航空磁共振探测系统主机，通过天线拖拽缆与航空磁共振探测发射天线及航空磁共振信号接收天线相连；以及
飞行器噪声采集天线与航空磁共振探测系统主机相连；
所述地面系统包括：地面控制器与无线信息收发器，其中
地面控制器将坐标信息通过无线信息收发器发送至航空磁共振探测系统主机；
无线信息收发器传递空中系统与地面系统之间的信息。
进一步地，所述航空磁共振探测发射天线与航空磁共振信号接收天线固定为一体。
进一步地，所述航空磁共振探测系统主机包括：
所述无线控制指令接收器接收来自地面控制器的信息，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度；将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线；
探测系统工作时序发生器接收所述无线控制指令接收器的测量频率信息；
核磁共振激励信号发生器，收到探测系统工作时序发生器发送的测量频率信息后，在所述探测系统工作时序发生器时序控制下产生一定时间长度的方波信号；
1kHz-5kHz频段功率放大器，接收核磁共振激励信号发生器的方波信号进行放大处理，通过航空磁共振探测发射天线进行发射。
进一步地，所述航空磁共振探测系统主机还包括信号采集卡，接收线圈接收的信号通过一高压保护器后送至一1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中。
进一步地，所述信号采集卡还用于在探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中。
进一步地，所述大容量数据存储器将数据通过一无线数据发送器发送至地面系统。
一种航空磁共振地下水探测方法，该方法包括：
确定被测区域的GPS坐标位置，地面控制器将坐标信息通过通信网络发送至航空飞行器，航空飞行器挂载航空磁共振探测主机、航空磁共振探测发射天线与航空磁共振探测接收天线，飞抵被测区域；
航空飞行器抵达被测区域后，地面控制器将测量频率、探测深度、探测区域面积信息发送至飞行器的无线控制指令接收器，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度；将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线；将测量频率信息发送至探测系统工作时序发生器，控制系统工作频率；
通过磁共振激励信号发生器收到测量频率信息后，产生一定时间长度的方波信号，送至1kHz-5kHz频段功率放大器，1kHz-5kHz频段功率放大器将超大容量电池储存器中的电能释放到发射天线中，在天线中形成频率与磁共振激励信号发生器频率相等、强度与超大容量电能储存器成正比的激发电流，完成对被测区域目标下水体的激发；
等待一段时间后，发射波形结束，航空磁共振探测接收天线开始接收地下水体产生的磁共振信号，信号通过高压保护器后送至1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中；
信号采集卡在探测探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中；
大容量存储器将获得的测量参数数据通过无线数据发送器实时发送回地面控制器。
进一步地，测量参数中包含了含水体产生的磁共振信号数据和飞行器噪声数据，地面控制器将两个数据综合处理后，获得更为纯净的磁共振信号。
进一步地，在测区内进行测量过程中，航空飞行器定点探测，测量完成一个测点后航空飞行器在飞行轨迹控制器的控制下，飞向下一个测点进行测量，或同时进行动态探测，测量过程中航空飞行器保持缓慢运动状态，对测线中的测点进行连续测量。
进一步地，完成测区所有测线测点的核磁共振测量后，航空飞行器返回出发点，地面控制器将测量后所有的数据进行汇集，供数据处理解释部门进行综合反演，描绘测区内地下水体的分布状态。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明，将探测系统搭载至航空飞行器上，挂载小型探测天线，对地下水体进行快速测量，相对于传统地面磁共振探测仪器来说，采用更高性能激发模块、更高性能信号检测模块，可以对磁共振测量过程进行快速完成，降低对飞行器的续航要求，同时，简化磁共振测量过程和测量结构，提高测量稳定性。通过本发明，实现地下水体的高速直接测量，为地下水资源、地下水赋存状况、恶劣地表环境下地下水状态等信息的快速普查工作提供技术支撑，提高磁共振方法探测地下水的效率，降低地表环境对磁共振探测地下水方法的限制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的航空磁共振地下水探测系统整体结构图；
图2为本发明实施例提供的航空磁共振地下水探测系统电路结构框图。
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，该装置分为空中系统和地面系统两部分构成的。空中系统由航空飞行器1搭载航空磁共振探测系统主机3，通过天线拖拽缆2与航空磁共振探测发射天线5及航空磁共振信号接收天线6相连构成的，同时，飞行器噪声采集天线4与航空磁共振探测系统主机3相连。地面系统由地面控制器7和无线信息收发器8两部分构成。
参见图2所示，航空磁共振探测系统主机包括无线控制指令接收器、探测系统工作时序发生器、超大容量电能储存器、功率放大器、磁共振激励信号发生器、飞行器飞行高度控制器、飞行器飞行轨迹控制器、无线数据发送器、大容量数据存储器、高速信号采集卡、超低信号放大器、高压保护器连接构成的。
其中，空中系统包括：
航空飞行器搭载航空磁共振探测系统主机，通过天线拖拽缆与航空磁共振探测发射天线及航空磁共振信号接收天线相连；航空磁共振探测发射天线与航空磁共振信号接收天线固定为一体。无需在地面设置发射线圈，在航空飞行器飞行航空磁共振探测发射天线掠过测线或测点直接发射磁场进行激发。
还设置有飞行器噪声采集天线与航空磁共振探测系统主机相连，采集飞行器噪声。
地面系统包括：地面控制器与无线信息收发器，其中
地面控制器将坐标等探测信息通过无线信息收发器发送至航空磁共振探测系统主机；
无线信息收发器传递空中系统与地面系统之间的信息。
参见图2所示，航空磁共振探测系统主机具体包括：
无线控制指令接收器接收来自地面控制器的信息，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度；将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线；将测量频率信息发送至探测系统工作时序发生器，控制系统工作频率。
磁共振激励信号发生器收到探测系统工作时序发生器发送的测量频率信息后，在所述探测系统工作时序发生器时序控制下产生一定时间长度的方波信号；
通过1kHz-5kHz频段功率放大器接收磁共振激励信号发生器的方波信号进行放大处理，通过航空磁共振探测发射天线进行发射。
航空磁共振探测系统主机还包括信号采集卡，接收线圈接收的信号通过一高压保护器后送至一1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中。信号采集卡通过探测系统工作时序发生器来控制采集时间。
信号采集卡还用于在探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中。大容量数据存储器将数据通过一无线数据发送器发送至地面系统。
本发明一种利用航空飞行器搭载航空磁共振探测装置进行地下水磁共振探测方法，包括以下顺序和步骤：
1、确定被测区域的GPS坐标位置，地面控制器将坐标信息通过通信网络发送至航空飞行器，航空飞行器挂载航空磁共振探测主机、航空磁共振探测发射天线与航空磁共振探测接收天线等设备，飞抵被测区域。
2、飞行器抵达被测区域后，地面控制器将测量频率、探测深度、探测区域面积等信息发送至飞行器的无线控制指令接收器，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度。将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线。将测量频率信息发送至探测系统工作时序发生器，控制系统工作频率。
3、磁共振激励信号发生器收到测量频率信息后，产生一定时间长度的方波信号，送至1kHz-5kHz频段功率放大器，功率放大器将超大容量电池储存器中的电能释放到发射天线中，在天线中形成频率与磁共振激励信号发生器频率相等、强度与超大容量电能储存器成正比的激发电流。完成对被测区域目标下水体的激发。
4、一段时间后，发射波形结束，接收天线开始接收地下水体产生的磁共振信号，信号通过高压保护器后送至1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至高速信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中。其中，高压保护器的功能是防止高压发射过程中接收天线感应到的高压信号对后级电路的电冲击。
5、信号采集卡在探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中。
6、大容量存储器将获得的数据通过无线数据发送器实时发送回地面控制器，测量参数中包含了含水体产生的共振信号数据和飞行器噪声数据，地面控制器将两个数据综合处理后，即可获得更为纯净的磁共振信号。至此，完成单测点单个深度一次磁共振测量。
7、在测区内进行测量过程中，飞行器既可以定点探测，即测量完成一个测点后飞行器在飞行轨迹控制器的控制下，飞向下一个测点进行测量，同时也可以进行动态探测，即测量过程中飞行器保持缓慢运动状态，对测线中的测点进行连续测量，提高测量效率。
8、完成测区所有测线测点的核磁共振测量后，飞行器返回出发点，飞行控制器将测量后所有的数据进行汇集，供数据处理解释部门进行综合反演，描绘测区内地下水体的分布状态。
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 (7)
1.一种航空磁共振地下水探测装置，其特征在于，该装置包括：空中系统和地面系统，其中，空中系统包括：
航空飞行器搭载航空磁共振探测系统主机，通过天线拖拽缆与航空磁共振探测发射天线及航空磁共振信号接收天线相连；以及
飞行器噪声采集天线与航空磁共振探测系统主机相连；
所述地面系统包括：地面控制器与无线信息收发器，其中
地面控制器将坐标信息通过无线信息收发器发送至航空磁共振探测系统主机；
无线信息收发器传递空中系统与地面系统之间的信息；
所述航空磁共振探测系统主机包括：
无线控制指令接收器接收来自地面控制器的信息，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度；将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线；
探测系统工作时序发生器接收所述无线控制指令接收器的测量频率信息；
核磁共振激励信号发生器，收到探测系统工作时序发生器发送的测量频率信息后，在所述探测系统工作时序发生器时序控制下产生一定时间长度的方波信号；
1kHz-5kHz频段功率放大器，接收核磁共振激励信号发生器的方波信号进行放大处理，通过航空磁共振探测发射天线进行发射；
所述航空磁共振探测系统主机还包括信号采集卡，接收线圈接收的信号通过一高压保护器后送至一1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中；
所述信号采集卡还用于在探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述航空磁共振探测发射天线与航空磁共振信号接收天线固定为一体。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大容量数据存储器将数据通过一无线数据发送器发送至地面系统。
4.一种航空磁共振地下水探测方法，其特征在于，该方法包括：
确定被测区域的GPS坐标位置，地面控制器将坐标信息通过无线信息收发器发送至航空飞行器，航空飞行器挂载航空磁共振探测主机、航空磁共振探测发射天线与航空磁共振探测接收天线，飞抵被测区域；
航空飞行器抵达被测区域后，地面控制器将测量频率、探测深度、探测区域面积信息发送至飞行器的无线控制指令接收器，无线控制指令接收器将探测深度信息发送至飞行器飞行高度控制器，根据探测深度调整飞行器飞行高度；将探测区域面积信息发送至飞行器飞行轨迹控制器，自动规划飞行路线；将测量频率信息发送至探测系统工作时序发生器，控制系统工作频率；
通过磁共振激励信号发生器收到测量频率信息后，产生一定时间长度的方波信号，送至1kHz-5kHz频段功率放大器，1kHz-5kHz频段功率放大器将超大容量电池储存器中的电能释放到发射天线中，在发射天线中形成频率与磁共振激励信号发生器频率相等、强度与超大容量电能储存器成正比的激发电流，完成对被测区域目标下水体的激发；
等待一段时间后，发射波形结束，航空磁共振探测接收天线开始接收地下水体产生的磁共振信号，信号通过高压保护器后送至1kHz-5kHz频段超低信号放大器，1kHz-5kHz频段超低信号放大器将接收天线感应到的甚微弱磁共振信号放大后送至信号采集卡，信号采集卡将采集到的测量数据存入大容量数据存储器中；
信号采集卡在探测探测系统工作时序发生器的控制下，同时利用飞行器噪声采集天线，采集飞行器运动过程中产生的额外电磁噪声，将飞行器电磁噪声一并存入大容量数据存储器中；
大容量存储器将获得的测量参数数据通过无线数据发送器实时发送回地面控制器。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，
测量参数中包含了含水体产生的磁共振信号数据和飞行器噪声数据，地面控制器将两个数据综合处理后，获得更为纯净的核磁共振信号。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在测区内进行测量过程中，航空飞行器定点探测，测量完成一个测点后航空飞行器在飞行轨迹控制器的控制下，飞向下一个测点进行测量，或同时进行动态探测，测量过程中航空飞行器保持缓慢运动状态，对测线中的测点进行连续测量。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，完成测区所有测线测点的核磁共振测量后，航空飞行器返回出发点，地面控制器将测量后所有的数据进行汇集，供数据处理解释部门进行综合反演，描绘测区内地下水体的分布状态。
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