CN109917478B - 一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地球物理勘探设备领域，涉及一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统及方法，该系统包括：发射装置，包括第一主控制器，用于控制第一蓄电池为第一储能电容充电为发射线圈提供大电流发射能量；补偿装置，包括第二主控制器，用于控制第二蓄电池为第二储能电容充电为补偿线圈提供发射能量，通过补偿线圈产生激发脉冲，抵消发射脉冲在接收线圈中产生的耦合；以及向第一主控制器充电信号以及发射交流脉冲控制信号；接收装置，包括AD采集卡通过第二主控制器的发送的同步信号进行MRS信号或耦合信号的采集；以及PC上位机。本发明采用补偿线圈抵消发射线圈发射时在接收线圈内因耦合产生的感应信号，有效的解决了死区时间导致有效信号损失的问题。

Description

一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统及方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统及方法。
背景技术
地面磁共振技术(Magnetic Resonance Sounding，MRS)是一种基于核磁共振理论的非入侵式地下水探测的地球物理新方法，现已广泛应用在浅层地下水探测中。核磁共振探水系统进行地下水探测时，首先由发射装置通过发射线圈进行交流脉冲发射，然后接收线圈将感应到的地下水中氢质子释放的MRS信号通过接收装置回传并存储，最后通过对该信号的一系列处理得到对应的水文地质信息。由于发射线圈呈感性，因此需在交流脉冲发射前进行配谐。交流脉冲激发时，由于磁场耦合会导致接收线圈中存在感应信号，因此在交流脉冲激发结束与接收系统进行信号采集之前存在一个时间间隔，用于释放在发射过程中接收线圈耦合的感应信号，这段时间为死区时间(也叫能释时间)。如图1所示，由于MRS信号指数衰减特性，因此死区时间后测量导致实际测量的信噪比低，影响探测效果。
王世隆，林君，王言章，随阳轶，孟慧，刘丽敏.直升机式航空时间域电磁法全波收录[J].吉林大学学报(工学版)，2011，(3)公开了一种采用补偿线圈减弱一次感应场的方法，并成功应用在直升机式航空电磁探测中，该方法中补偿线圈与发射线圈共中心且直接相连，保证了补偿线圈中的电流方向与发射线圈相反，从而相互抵消。
CN 108535667公开了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，采用一正一反的双补偿线圈解决了补偿线圈参数受制于发射线圈参数的问题。该方法中的两个补偿线圈与发射线圈共中心且相互连接，减小了补偿线圈的尺寸和重量。
上述两种方法在电磁探测中效果显著，但不适用于核磁共振地下水探测系统。在野外实际工作中，核磁共振系统通常采用大回线(边长为100m的正方形)发射以获取更有效的MRS信号，线圈铺设时发射、接收和补偿线圈共中心程度差，采用发射和补偿线圈直接连接的方式补偿效果不理想。此外，采用发射线圈与补偿线圈直接相连的方案，补偿线圈与发射线圈之间的连线很长，导致发射线圈等效电感和等效电阻变大。电感的大小直接影响发射时谐振电压的大小，电感变大时谐振电压变大(当前的边长100m方形线圈产生的谐振电压已达到4800V)，当由于级联补偿线圈增大谐振电压，实际配谐电容器件难以满足高压要求。此外，电磁探测系统激发电流约为几十安培，而核磁共振系统激发电流高达几百安培，在大电流的情况下，由于等效电阻变大，要求发射装置提供更多的能量以达到相同的探测效果，对发射系统要求更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统及方法，死区时间导致有效信号损失的问题。
本发明是这样实现的，
一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统，该系统包括：
发射装置，包括第一主控制器，用于控制第一蓄电池为第一储能电容充电为发射线圈提供大电流发射能量；
补偿装置，包括第二主控制器，用于控制第二蓄电池为第二储能电容充电为补偿线圈提供发射能量，通过补偿线圈产生激发脉冲，从而抵消发射脉冲在接收线圈中产生的耦合；以及向第一主控制器充电信号以及发射交流脉冲控制信号；
接收装置，包括AD采集卡通过第二主控制器的发送的同步信号进行MRS信号或耦合信号的采集；
PC上位机，将接收到的耦合信号经数字滤波处理后提取具有发射频率的信号，对剩余耦合信号与系统的本底噪声进行比较后对补偿参数调整，以及存储补偿参数以及采集到的有效MRS信号。
进一步，所述PC上位机在一个工作循环内，根据设定的参数向第一主控制模块发送预设参数后，通过第一主控制模块向第二主控制模块控制第一储能电容和第二储能电容充电。
进一步，在一个工作循环内，充电完毕后，发射装置和补偿装置分别根据初始参数设置发射交流脉冲，接收装置将发射发射期间接收到的耦合信号传递至PC上位机。
进一步，补偿装置的补偿电流的初值根据预设发射线圈电流大小以及系统发射、接收参数进行估计，满足：
Figure BDA0002013904010000031
其中，N0为发射线圈的匝数，R0为发射线圈的半径，NL为补偿线圈的匝数，RL为补偿线圈的半径，I0为发射线圈的电流，IL为补偿线圈的电流，I0与IL方向相反。
进一步，在一个工作循环内，PC上位机对耦合信号判断后调整补偿电流，根据调整后的补偿电流发射激发脉冲，并通过接收线圈进行MRS信号的采集。
进一步，对耦合信号的判断为：剩余耦合信号低于系统的本底噪声。
一种提高采集信号幅度的磁共振探水方法，该方法包括：
设置发射线圈、补偿线圈以及接收线圈；
对发射参数和补偿参数进行预设；
发射线圈与补偿线圈根据预设参数发射交流脉冲；
接收线圈接收发射期间的耦合信号；
对耦合信号与系统的本底噪声进行判断，若高于系统的本底噪声，则将补偿参数调整直到低于系统的本底噪声；
按照调整后的补偿参数发射激发脉冲，通过接收线圈接收MRS信号。
进一步，该方法具体包括：
a、设置参数：通过PC上位机向第一主控模块发送系统工作参数和控制指令；
b、储能电容充电：第二主控制器向第一主控制器发送充电信号，第一主控制器控制第一DC-DC变换模块第一蓄电池向第一储能电容充电；同时，第二主控制器控制第二DC-DC变换模块由第二蓄电池向第二储能电容充电；直到第一储能电容和第二DC-DC变换模块分别达到指定的充电电压，充电完成；
c、发射交流脉冲：第二主控制器向第一主控制器发送工作信号；第一主控制器控制第一H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，第二主控制器控制第二H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，接收线中的感应信号通过AD采集卡采集后传送至PC上位机，该数据为发射期间接收线圈中的耦合信号；
d、调整补偿参数：通过去耦效果调整补偿线电流参数，以在发射期间接收线圈感应的信号为参考依据，并把感应的信号先经数字滤波处理，再利用锁相放大器技术提取具有发射频率的信号，为剩余耦合信号，PC上位机提取剩余耦合信号的最大包络幅度后，与系统本底噪声进行比较，通过第二主控制器调整第二DC-DC变换模块的充电电压幅度来改变补偿线圈中的发射电流，使得剩余耦合信号的最大包络幅度逐渐较小，直至低于系统的本底噪声,修改后的参数通过PC上位机发送至第二主控制器，重复上述步骤b、c，步骤c中的补偿电流随着参数的变化改变。耦合结果在误差允许范围内则判定补偿参数调整完成，并记录该条件下的补偿参数；
e、发射激发脉冲：执行上述步骤b，充电完成后，第二主控制器向第一主控制器发送工作信号；第一主控制器控制第一H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，第二主控制器控制第二H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发，补偿线圈的发射电流大小为调整后的电流大小；
f、采集信号：第二主控制器向AD采集卡发送同步信号；接收线圈中感应到的MRS信号通AD采集卡传送至PC上位机；
g、叠加测量：根据步骤a中设置的叠加次数，重复执行步骤e和f，直到叠加完成。
h、等待进入下一次工作循环：设置参数、储能电容充电、发射交流脉冲、调整补偿参数、发射激发脉冲、采集信号、叠加测量，直到探测结束。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
(1)本发明采用补偿线圈抵消发射线圈发射时在接收线圈内因耦合产生的感应信号，有效的解决了死区时间导致有效信号损失的问题。
(2)本发明采用独立补偿控制装置，仅通过信号线与发射装置的控制器相连，有效的解决了因发射线圈与补偿线圈直接连接时连线过长导致的等效参数增大的问题。
(3)本发明一次补偿数据多次使用的方式，有效的解决了因线圈铺设误差导致补偿效果不理想的问题。
附图说明
图1为地面磁共振信号示意图；
图2示出了本发明系统结构及线圈铺设方法示意图；
图3示出了本发明工作流程示意图。
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2所示，一种提高采集信号幅度的磁共振探水装置，包括发射装置、补偿装置、接收装置以及PC上位机，发射装置，包括第一主控制器，用于控制第一蓄电池为第一储能电容充电为发射线圈提供大电流发射能量；
补偿装置，包括第二主控制器，用于控制第二蓄电池为第二储能电容充电为补偿线圈提供发射能量，通过补偿线圈产生激发脉冲，从而抵消发射脉冲在接收线圈中产生的耦合；以及向第一主控制器充电信号以及发射交流脉冲控制信号；
接收装置，包括AD采集卡通过第二主控制器的发送的同步信号进行MRS信号或耦合信号的采集；
PC上位机，将接收到的耦合信号经数字滤波处理后提取具有发射频率的信号，对剩余耦合信号与系统的本底噪声进行比较后对补偿参数调整，以及存储补偿参数以及采集到的有效MRS信号。
在连接关系上，PC上位机1与第二主控制器7连接，第二主控制器7与第二DC-DC变换模块9、第二H桥斩波模块11、第一主控制器2、AD采集卡14连接，第一主控制器2与第一H桥斩波6模块、第一DC-DC变换模块4连接，第一蓄电池3与第一DC-DC变换模块4连接，第一DC-DC变换模块4与第一储能电容5连接，第一储能电容5与第一H桥斩波模块6连接，第一H桥斩波模块6与发射线圈15连接，第二蓄电池8与第二DC-DC变换模块9连接，第二DC-DC变换模块9与第二储能电容10连接，第二储能电容10与第二H桥斩波模块11连接，第二H桥斩波模块11与补偿线圈17连接，接收线圈16与匹配网络12连接，匹配网络12与滤波放大模块13连接，滤波放大模块13与AD采集卡14连接，AD采集卡14与PC上位机1连接。
如图2所示，PC上位机1，用于人机交互，操作人员通过PC上位机1向第二主控模块7发送系统参数及控制指令；
PC上位机1，还用于显示系统状态，存储补偿参数以及采集到的有效MRS信号；
第一主控制器2，用于控制第一DC-DC变换模块4由第一蓄电池3向第一储能电容5充电，控制第一H桥斩波模块6通过发射线圈5产生激发脉冲，从而激发地下水；
第一蓄电池3：用于为第一储能电容5提供能量；
第一DC-DC变换模块4：用于将第一蓄电池3中的能量转换至第一储能电容5中；
第一储能电容5：用于为发射线圈15提供大电流发射能量；
第一H桥斩波模块6：用于将第一储能电容5中的直流信号转换为交流脉冲；
第二主控制器7，用于控制第二DC-DC变换模块9由第二蓄电池8向第二储能电容10充电，控制第二H桥斩波模块11通过补偿线圈17产生激发脉冲，从而抵消发射脉冲在接收线圈中产生的耦合；
第二主控制器7，用于向第一主控制器2传送控制信号；以及用于向AD采集卡14传送同步信号；
第二蓄电池8：用于为第一储能电容10提供能量；
第二DC-DC变换模块9：用于将第一蓄电池8中的能量转换至第一储能电容10中；
第二储能电容10：用于为补偿线圈17提供发射能量；
第二H桥斩波模块11：用于将第一储能电容10中的直流信号转换为交流脉冲；
匹配网络12，由LC带通滤波器和匹配电容组成，用于接收线圈16的阻抗匹配；
滤波放大模块13，用于信号的初步处理，包括多级放大和滤波；
AD采集卡14，用于模数转换，在同步信号命令下，将初步处理后的模拟信号转换成数字信号，并将其传送至PC上位机1。
一种提高采集信号幅度的磁共振探水方法，如图3所示，包括以下步骤：
a、设置参数：操作人员通过PC上位机1向第一主控模块2发送系统工作参数和控制指令。工作参数包括发射电流和补偿电流大小以及叠加次数。其中，为防止直接发射导致发射与补偿匹配偏差过大从而出现耦合信号过强毁坏接收系统的情况，补偿线圈电流大小根据预设发射线圈电流大小以及系统发射、接收参数进行初步估计，应满足：
Figure BDA0002013904010000081
其中，N0为发射线圈匝数，R0为发射线圈15半径，NL为补偿线圈17匝数，RL为补偿线圈17半径，由铺设线圈方式决定。I0为发射线圈15电流，由探测深度决定。IL为补偿线圈17电流，通过上式计算得出。此外，I0与IL方向相反。
b、储能电容充电：第二主控制器7向第一主控制器2发送充电信号。第一主控制器2控制第一DC-DC变换模块4由第一蓄电池3向第一储能电容5充电。同时，第二主控制器7控制第二DC-DC变换模块9由第二蓄电池8向第二储能电容10充电。直到第一储能电容5和第二DC-DC变换模块9分别达到指定的充电电压，充电完成。
c、发射交流脉冲：第二主控制器7向第一主控制器2发送工作信号。第一主控制器2控制第一H桥斩波模块6通过发射线圈15进行交流脉冲激发。同时，第二主控制器7控制第二H桥斩波模块11通过发射线圈16进行交流脉冲激发。同时，接收线圈16中的感应信号通过由LC带通滤波器和匹配电容构成的匹配网络12、滤波放大模块13和AD采集卡14传送至PC上位机1，该数据为发射期间接收线圈中的耦合信号。
d、调整补偿参数：操作人员通过去耦效果调整补偿线电流参数，以在发射期间接收线圈感应的信号为参考依据，并把感应的信号先经数字滤波处理，在利用锁相放大器技术提取具有发射频率的信号，，即剩余耦合信号，这样避免了环境噪声的干扰。PC上位机提取剩余耦合信号的最大包络幅度后，与系统本底噪声进行比较，通过第二主控制器调整第二DC-DC变换模块的充电电压幅度来改变补偿线圈中的发射电流，使得剩余耦合信号的最大包络幅度逐渐较小，直至低于系统的本底噪声。修改后的参数通过PC上位机1发送至第二主控制器7，重复上述步骤b、c，步骤c中的发射电流随着参数的变化改变。耦合结果在误差允许范围内则判定补偿参数调整完成，并记录该条件下的补偿参数。
e、发射激发脉冲：执行上述步骤b，充电完成后，第二主控制器7向第一主控制器2发送工作信号。第一主控制器2控制第一H桥斩波模块6通过发射线圈15进行交流脉冲激发。同时，第二主控制器7控制第二H桥斩波模块11通过发射线圈16进行交流脉冲激发，补偿线圈的发射电流大小为调整后的电流大小。
f、采集信号：第二主控制器7向AD采集卡14发送同步信号。接收线圈16中感应到的MRS信号通过由LC带通滤波器和匹配电容构成的匹配网络12、滤波放大模块13和AD采集卡14传送至PC上位机1。
g、叠加测量：根据步骤a中设置的叠加次数，重复执行步骤e和f，直到叠加完成。
h、等待进入下一次工作循环：设置参数、储能电容充电、发射交流脉冲、调整补偿参数、发射激发脉冲、采集信号、叠加测量，直到探测结束。
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 (5)

1.一种提高采集信号幅度的磁共振探水系统，其特征在于，该系统包括：
发射装置，包括第一主控制器，用于控制第一蓄电池为第一储能电容充电为发射线圈提供大电流发射能量；
补偿装置，包括第二主控制器，用于控制第二蓄电池为第二储能电容充电为补偿线圈提供发射能量，通过补偿线圈产生激发脉冲，从而抵消发射脉冲在接收线圈中产生的耦合；向第一主控制器发送充电信号和发射交流脉冲控制信号；
接收装置，包括AD采集卡按照第二主控制器发送的同步信号进行MRS信号或耦合信号的采集；
PC上位机，将接收到的耦合信号经数字滤波处理后提取具有发射频率的信号，对剩余耦合信号与系统的本底噪声进行比较后对补偿参数调整，以及存储补偿参数以及采集到的有效MRS信号；
所述PC上位机在一个工作循环内，根据设定的参数向第二主控制器发送预设参数后，依据第二主控制器向第一主控制器发送的充电信号控制第一储能电容和第二储能电容充电；
在一个工作循环内，充电完毕后，发射装置和补偿装置分别根据初始参数设置发射交流脉冲，接收装置将发射期间接收到的耦合信号传递至PC上位机；
在一个工作循环内，PC上位机对耦合信号判断后调整补偿电流，根据调整后的补偿电流发射激发脉冲，并通过接收线圈进行MRS信号的采集。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，补偿装置的补偿电流的初值根据预设发射线圈电流大小以及系统发射、接收参数进行估计，满足：
Figure FDA0002394683820000021
其中，N0为发射线圈的匝数，R0为发射线圈的半径，NL为补偿线圈的匝数，RL为补偿线圈的半径，I0为发射线圈的电流，IL为补偿线圈的电流，I0与IL方向相反。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，对耦合信号的判断为：剩余耦合信号低于系统的本底噪声。
4.一种利用权利要求1-3任意一项磁共振探水系统提高采集信号幅度的磁共振探水方法，其特征在于，该方法包括：
设置发射线圈、补偿线圈以及接收线圈；
对发射参数和补偿参数进行预设；
发射线圈与补偿线圈根据预设参数发射交流脉冲；
接收线圈接收发射期间的耦合信号；
对耦合信号与系统的本底噪声进行判断，若高于系统的本底噪声，则将补偿参数调整直到低于系统的本底噪声；
按照调整后的补偿参数发射激发脉冲，通过接收线圈接收MRS信号。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法具体包括：
a、设置参数：通过PC上位机向第一主控制器发送系统工作参数和控制指令；
b、储能电容充电：第二主控制器向第一主控制器发送充电信号，第一主控制器控制第一DC-DC变换模块由第一蓄电池向第一储能电容充电；同时，第二主控制器控制第二DC-DC变换模块由第二蓄电池向第二储能电容充电；直到第一储能电容和第二DC-DC变换模块分别达到指定的充电电压，充电完成；
c、发射交流脉冲：第二主控制器向第一主控制器发送工作信号；第一主控制器控制第一H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，第二主控制器控制第二H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，接收线圈中的感应信号通过AD采集卡采集后传送至PC上位机，该数据为发射期间接收线圈中的耦合信号；
d、调整补偿参数：通过去耦效果调整补偿线圈电流参数，以在发射期间接收线圈感应的信号为参考依据，并把感应的信号先经数字滤波处理，再利用锁相放大器技术提取具有发射频率的信号，为剩余耦合信号，PC上位机提取剩余耦合信号的最大包络幅度后，与系统本底噪声进行比较，通过第二主控制器调整第二DC-DC变换模块的充电电压幅度来改变补偿线圈中的发射电流，使得剩余耦合信号的最大包络幅度逐渐较小，直至低于系统的本底噪声,修改后的参数通过PC上位机发送至第二主控制器，重复上述步骤b、c，步骤c中的补偿电流随着参数的变化改变，耦合结果在误差允许范围内则判定补偿参数调整完成，并记录该条件下的补偿参数；
e、发射激发脉冲：执行上述步骤b，充电完成后，第二主控制器向第一主控制器发送工作信号；第一主控制器控制第一H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发；同时，第二主控制器控制第二H桥斩波模块通过发射线圈进行交流脉冲激发，补偿线圈的发射电流大小为调整后的电流大小；
f、采集信号：第二主控制器向AD采集卡发送同步信号；接收线圈中感应到的MRS信号通过AD采集卡传送至PC上位机；
g、叠加测量：根据步骤a中设置的叠加次数，重复执行步骤e和f，直到叠加完成；
h、等待进入下一次工作循环：设置参数、储能电容充电、发射交流脉冲、调整补偿参数、发射激发脉冲、采集信号、叠加测量，直到探测结束。
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