CN109884719B - 连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理探测技术领域，尤其是一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及方法，该装置包括：上位机、主控制器、发射电路以及接收电路；发射电路的储能通过储能电容提供，并通过储能电容与发射桥路连接在发射线圈内产生发射电流，所述储能电容通过继电器组连接主控制器，主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；发射电路包括直流电源在主控制器控制下为储能电容充电；发射电路包括桥路驱动器驱动发射桥路；接收电路通过高压继电器的开合来接入或是断开接收线圈，所述高压继电器通过主控制器控制，通过对储能电容一次性充电，而多次连续发射电流，连续采集的方式，减少了充电过程中造成的时间浪费，大大缩短了核磁共振探测的时间。

Description

连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及探测方法

技术领域

本发明属于地球物理探测技术领域，尤其是一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及方法。

背景技术

核磁共振探测方法是一种通过在发射线圈中发射一定长度和频率的矩形包络正弦脉冲电流，电流产生磁场激发地下水中氢质子产生能级跃迁，当发射电流撤去时，氢质子回到原来能级，释放出大量具有拉莫尔频率的能量子，接收线圈中感应到核磁共振信号，此方法是一种无破坏直接探测地下水的方法，具有快速、直接等特点，在国内外引起了广泛的关注与应用。

核磁共振探测方法通过测量不同激发脉冲矩(发射电流与发射时间)的FID信号，绘制出E0-q曲线，得到地下水相关信息。在发射线圈等效面积一定的情况下，勘探深度主要与激发脉冲矩有关，传统的探测方法一般发射时间是不变的，主要通过改变发射电流来改变探测深度，发射电流I＝U/R，发射线圈的电阻不变，所以通常通过改变发射电压，改变发射电流。发射电压是由大功率高压电源经过储能电容充电升压后给发射桥路，传统的探测过程是储能电容充电一次，发射电流一次，采集接收数据一次，因接收数据需要多次叠加消除电磁干扰，所以进行多次充电-放电-采集的循环，因储能电容充电的速度慢，大大降低了探测的效率。

中国专利CN106814400A公开了一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法，采用PC机，内置有上位机软件对参数进行设置；MCU主控单元与PC机进行通讯,对阵列逆变电源进行控制；FPGA逻辑控制单元，接受所述MCU主控单元的启动命令，产生的具有拉莫尔频率时序通过驱动模块驱动发射桥路，使得发射桥路工作,将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；能释单元，通过MCU主控单元控制,连接激发线圈的储能电容组，在发射结束后根据储能电容组中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放。本发明能够保持每次发射激发电压，还能够在多次叠加后保持初始设定电压，而且在减小体积的同时提高对储能电容组的充电效率。

中国专利CNIO4216021A公开了一种基于分步式发射的地下核磁共振探测方法。采用的探测装置包括发射线圈、发射上位机、MCU下位机、DC-DC升压电源、储能电容、发射桥路、检测装置以及配谐电容，发射上位机通过串口总线以及通讯接口与MCU下位机相连接，MCU下位机与DC-DC升压电源连接,DC-DC升压电源连接储能电容给储能电容充电，同时MCU下位机通过驱动控制电路连接发射桥路后与储能电容相连接，储能电容通过配谐电容连接发射线圈相连接，同时储能电容通过检测装置检测电压，检测装置的输出端与MCU下位机相连接，检测装置检测发射线圈的电流与MCU下位机相连接,通过对储能电容的一次充电多次发射的模式，提高了探测过程中的工作效率,减少了重复工作的时间。

上述发明均具有其独到之处，在特殊的应用场合具有较好的应用效果和较高的探测效率，但也存在一些不足之处，基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法，仍是采用传统一次充电、放电、采集的探测模式，只是在采用阵列电源模块的方式持续为储能电容充电，保证持续稳定的发射电压，同时发射后采用放电模块对剩余电压进行释放，此做法仍浪费一定的工作时间，同时放电过程对采集信号的噪声影响有待于进一步测量。一种基于分步式发射的地下核磁共振探测方法，其采用一次充电，多次发射的方式进行探测，但是在发射后又重新对发射电流进行调节，调节配谐电容等，这就在发射和采集过程中加入了多次测量并调整配谐电容的过程，造成了时间的浪费。此外上述两种方法都是在发射时间一定的条件下，通过改变发射电流改变激发脉冲矩，并没有对发射方法提出更新的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及探测方法，解决充电时间太长造成时间浪费，降低了磁共振的探测效率的问题。

本发明是这样实现的，一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置，该装置包括：上位机、主控制器、发射电路以及接收电路；

所述发射电路的储能通过储能电容提供，并通过储能电容与发射桥路连接在发射线圈内产生发射电流，所述储能电容通过继电器组连接主控制器，所述主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；

所述发射电路包括直流电源在主控制器控制下为储能电容充电；

所述发射电路包括桥路驱动器驱动发射桥路；

所述接收电路通过高压继电器的开合来接入或是断开接收线圈，所述高压继电器通过主控制器控制；

所述主控制器通过直流电源对储能电容进行一次性充电升压，主控制器中产生不同的发射波形序列控制桥路驱动器驱动发射桥路产生不同发射时间长度，在发射线圈中产生不同时长的多次发射电流；

所述上位机采集接收电路的数据并通过所述上位机对主控制器进行进行控制。

进一步地，所述接收电路还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、以及数据采集卡，所述接收线圈的接收的信号经高压继电器，前置放大器，滤波器，程控放大器，以及数据采集卡后连接上位机。

进一步地，所述主控制器控制滤波器与程控放大器，主控制器自动调节滤波器的波形带宽与程控放大器的放大倍数，经滤波器及程控放大器后的模拟信号经过数据采集卡传给上位机，上位机检测信号是否在常规信号范围内，反馈命令给主控制器，主控制器则调节滤波器和程控放大器的参数，实现自动调节参数的功能。

进一步地，所述发射波形序列包括等带宽的发射波形序列和变带宽的发射波形序列。

进一步地，所述等带宽的发射波形序列产生时间长度为40ms频率为1.3～3.7kHz的矩形包络正弦波脉冲电流；所述变带宽的发射波形序列，产生初始带宽设为40ms的矩形包络正弦波脉冲电流，之后带宽逐渐增加，带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表放电电压每次下降的初始化值。

进一步地，上位机在一次数据采集存储后，检测是否达到要求放电次数，若未达到则继续发射波形，若达到，则结束。

进一步地，所述发射波形序列产生的发射波形下降沿到时，发射停止，主控制器将高压继电器吸合，开始采集，采集完毕后高压继电器断开。

一种连续发射、快速分层探测的核磁共振探测方法，该方法包括：

据探测深度需求，主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；

主控制器通过直流电源对储能电容进行一次性充电升压；

选择发射波形序列，上位机通过主控制器发射波形序列；

发射波形下降沿到时，发射停止，主控制器将高压继电器吸合，开始采集，采集完毕后高压继电器断开；

上位机检测数据，判断放大及滤波参数是否合适，若合适进行数据存储，若不合适则通过主控制器调整程控放大器倍数，滤波器带宽后重新进行发射波形；

一次数据采集存储后，检测是否达到要求放电次数，若未达到则继续发射波形，若达到，则结束。

进一步地，所述发射波形序列包括等带宽的发射波形序列和变带宽的发射波形序列，所述等带宽的发射波形序列产生时间长度为40ms频率为1.3～3.7kHz的矩形包络正弦波脉冲电流；所述变带宽的发射波形序列，产生初始带宽设为40ms的矩形包络正弦波脉冲电流，之后带宽逐渐增加，带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表放电电压每次下降的初始化值。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明针对核磁共振探测方法进行一次充电，发射，采集的工作模式中充电时间太长造成时间浪费，降低了核磁共振的探测效率，提出了一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置及方法，通过给储能电容一次性充电，多次连续发射，采集的模式加速了探测时间，通过对储能电容容值的调节可改变最大发射电压和发射放电时间，改变此装置的最大探测深度和探测速度。此外此探测方法可改变发射波形的时间长度，从传统的等间距发射时长改为可变的发射时长，可实现地下水层的等间距分层探测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的装置结构示意图；

图2为本发明同等带宽的发射波形序列时连续放电示意图；

图3为本发明变带宽的发射波形序列时连续放电示意图；

图4为本发明方法流程图。

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。

如图1所示，本发明公开了一种连续发射、快速分层探测的核磁共振探测装置，包括上位机、主控制器、继电器组、直流电源、桥路驱动器、发射桥路、配谐电容、发射线圈、接收线圈、高压继电器、前置放大器、滤波器、程控放大器以及数据采集卡，所述上位机通过主控制器分别连接桥路驱动器，直流电源，继电器组，高压继电器，滤波器，程控放大器及数据采集卡，其中桥路驱动器经发射桥路，配谐电容连接发射线圈，直流电源连接储能电容后给发射桥路提供发射电压，继电器组连接储能电容控制储能电容容值，接收线圈经高压继电器，前置放大，滤波器，程控放大，数据采集后连接上位机。

主控制器通过继电器组连接储能电容，通过继电器组的吸合与断开控制储能电容的大小，通过改变储能电容的大小，改变了最大发射储能电压，因探测深度与发射电压有关，间接改变最大探测深度，同时通过改变储能电容的大小也可改变发射电压的放电速度；

主控制器经桥路驱动器连接发射桥路，主控制器中可产生不同的发射波形序列，包括等带宽的发射波形序列和变带宽的发射波形序列，此时发射桥路中则可产生不同发射时间长度，发射线圈中则产生不同时长的发射电流；

主控制器通过控制高压继电器来接入或是断开接收线圈，保证发射工作时，接收线圈是处于断开的模式，防止接收线圈闭合回路产生交变电磁场，当发射完毕后高压继电器吸合，接收线圈接入系统。

主控制器连接滤波器与程控放大器，可自动调节滤波器的波形带宽与程控放大器的放大倍数，经滤波器及程控放大后的模拟信号经过数据采集传给上位机，上位机检测信号是否在常规信号范围内，反馈命令给主控制器，主控制器则调节滤波器和程控放大的参数，实现自动调节参数的功能。

如图2所示，本发明公开了一种连续的等间距发射波形序列条件下，一次性充电及连续放电的示意图，如图2所示，放电的波形序列是等间距的，每个放电脉冲的时间是相等的，采用传统的40ms发射波形序列，可看出在发射波形上升沿到时，储能电容开始放电，当发射波形下降沿到时，储能电容停止放电保持存储电压，由于储能电容上电压逐渐减小，放电电流逐渐减小，所以在相等的放电时间内，放电电压逐渐减小，从图中可看出放电电压减小速度在逐渐变慢，因探测深度在发射时间相等情况下与发射电压有关，可见发射电压逐渐减小过程即探测深度逐渐减小，且是连续减小，由此可实现对地下水层连续分层的探测。

如图3所示，本发明公开了一种连续的变间距发射波形序列条件下，一次性充电及连续放电的示意图，如图3所示，放电的波形序列是变间距的，每个放电脉冲的时间是不相等的，初始带宽设为40ms的矩形包络正弦波脉冲电流，之后带宽逐渐增加，带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表每次电压下降的初始化值，这样设计，保证每次放电后电压下降相等幅度，由此实现了对地下水等间距分层探测。

如图4所示，本发明还公开了一种连续发射、快速分层探测的核磁共振探测方法主控制器流程图：

(1)首先仪器连接好，上电后仪器开始工作进行参数初始化，初始程控放大器、滤波器等参数；

(2)根据探测实验要求，探测深度需求，主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；

(3)主控制器通过直流电源对储能电容进行一次性充电升压；

(4)根据探测要求选择通过上位机选择发射波形序列，是等间距发射波形或者是变间距发射波形，上位机通过主控制器发射波形序列；

(5)发射波形下降沿到时，发射停止，主控制器将高压继电器吸合，开始采集，采集完毕后高压继电器断开；

(6)上位机检测数据，判断放大及滤波参数是否合适，若合适进行数据存储，若不合适则通过主控制器调整程控放大器倍数，滤波器带宽后重新进行发射波形；

(7)一次数据采集存储后，检测是否达到要求放电次数，若未达到则继续发射波形，若达到，则结束本次工作流程。

下面针对具体实施方案对本探测方法的主要步骤进行详细说明：

实施例1

1首先布设好仪器发射、接收线圈，连接好仪器与线圈的接线接口，给仪器上电；

2通过上位机设定储能电容容值，进行等间距波形发射，叠加次数为16次，上位机发送开始工作指令；

3主控制器发送命令给储能电容充电至400V，开始发射-采集-发射-采集循环发射采集的工作模式，至放电次数到，下位机停止工作；

4上位机对采集后的数据进行存储叠加16次，进行波形显示，通过对所采集数据进行数据反演处理可得出地下水层的含水量示意图，因采用是等间距波形发射，则每次发射电压逐渐降低，每次降低幅度不同，从而实现了地下水层的连续分层探测。

实施例2

在实施例1的工作基础上，改变发射模式，进行变间距波形发射，叠加次数为16次，上位机发送开始工作指令；

同样主控制器发送命令给储能电容充电至400V，开始发射-采集-发射-采集循环发射采集的工作模式，至放电次数到，下位机停止工作；

上位机对采集后的数据进行存储叠加16次，进行波形显示，通过对所采集数据进行数据反演处理可得出地下水层的含水量示意图，因采用是变间距波形发射，发射带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表每次下降初始化值，这样设计，保证每次放电后电压下降相等幅度，从而实现了地下水层的等间距分层探测。

本发明通过对储能电容一次性充电，而多次连续发射电流，连续采集的方式，减少了充电过程中造成的时间浪费，大大缩短了核磁共振探测的时间，同时通过这种连续发射的方式可实现对地下水进行连续分层探测，此外通过改变储能电容容值的方式，改变最大发射电压，实现勘探仪器探测深度的改变，另外在对地下水进行连续分层探测的基础上，提出了变发射带宽的发射波形序列，通过对发射时长的改变实现对地下水进行等间距分层探测。

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 (8)

1.一种连续发射、快速分层探测的核磁共振装置，其特征在于，该装置包括：上位机、主控制器、发射电路以及接收电路；

所述发射电路的储能通过储能电容提供，并通过储能电容与发射桥路连接在发射线圈内产生发射电流，所述储能电容通过继电器组连接主控制器，所述主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；

所述发射电路包括直流电源在主控制器控制下为储能电容充电；

所述发射电路包括桥路驱动器驱动发射桥路；

所述接收电路通过高压继电器的开合来接入或是断开接收线圈，所述高压继电器通过主控制器控制；

所述主控制器通过直流电源对储能电容进行一次性充电升压，主控制器中产生不同的发射波形序列控制桥路驱动器驱动发射桥路产生不同发射时间长度，在发射线圈中产生不同时长的多次发射电流；

所述上位机采集接收电路的数据并通过所述上位机对主控制器进行控制。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收电路还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、以及数据采集卡，所述接收线圈的接收的信号经高压继电器，前置放大器，滤波器，程控放大器，以及数据采集卡后连接上位机。

3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述主控制器控制滤波器与程控放大器，主控制器自动调节滤波器的波形带宽与程控放大器的放大倍数，经滤波器及程控放大器后的模拟信号经过数据采集卡传给上位机，上位机检测信号是否在常规信号范围内，反馈命令给主控制器，主控制器则调节滤波器和程控放大器的参数，实现自动调节参数的功能。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射波形序列包括等带宽的发射波形序列和变带宽的发射波形序列。

5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述等带宽的发射波形序列产生时间长度为40ms频率为1.3～3.7kHz的矩形包络正弦波脉冲电流；所述变带宽的发射波形序列，产生初始带宽设为40ms的矩形包络正弦波脉冲电流，之后带宽逐渐增加，带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表放电电压每次下降的初始化值。

6.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，上位机在一次数据采集存储后，检测是否达到要求放电次数，若未达到则继续发射波形，若达到，则结束。

7.按照权利要求1、4或5所述的装置，其特征在于，所述发射波形序列产生的发射波形下降沿到时，发射停止，主控制器将高压继电器吸合，开始采集，采集完毕后高压继电器断开。

8.一种连续发射、快速分层探测的核磁共振探测方法，其特征在于，该方法包括：

根据探测深度需求，主控制器通过继电器组设定储能电容的容值；

主控制器通过直流电源对储能电容进行一次性充电升压；

选择发射波形序列，上位机通过主控制器发射波形序列；

发射波形下降沿到时，发射停止，主控制器将高压继电器吸合，开始采集，采集完毕后高压继电器断开；

上位机检测数据，判断放大及滤波参数是否合适，若合适进行数据存储，若不合适则通过主控制器调整程控放大器倍数，滤波器带宽后重新进行发射波形；

一次数据采集存储后，检测是否达到要求放电次数，若未达到则继续发射波形，若达到，则结束；

所述发射波形序列包括等带宽的发射波形序列和变带宽的发射波形序列，所述等带宽的发射波形序列产生时间长度为40ms频率为1.3～3.7kHz的矩形包络正弦波脉冲电流；所述变带宽的发射波形序列，产生初始带宽设为40ms的矩形包络正弦波脉冲电流，之后带宽逐渐增加，带宽t根据公式

求出，其中Δu表示每次下降的电压值，C代表储能电容值，U代表放电电压每次下降的初始化值。

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