CN111443388A - 一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置及方法，该装置包括：计算机，至少一个发射控制机，一个发射控制机至少连接一个发射线圈，一个发射控制机至少匹配一个信号接收机，一个信号接收机至少连接一个接收线圈，一个蜂窝网络终端至少连接一个信号接收机；计算机，与发射控制机、信号接收机通过蜂窝网络建立无线通信连接，通过蜂窝网络终端以无线的方式建立与运营商基站之间的空口传输，进而连接互联网。本发明能极大提升仪器在城市或者地下空间等环境的使用能力，实现了仪器实时连接入互联网的能力以及远程遥控的能力，增强了对实时探测数据的分布式计算能力，加强了整个系统的实用性和便捷性。

Description

一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置及方法

技术领域

本发明属于涉及地球物理勘探领域，具体地来讲为一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置及方法。

背景技术

核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。地面核磁共振探水技术是一种直接、非破坏性的探测地下水含量、分布等地质信息的地球物理方法。目前，地面核磁共振探测装置存在实际人工操作性与应用性差，实时探测数据处理能力的不足。

中国专利CN201710255877公开了一种“阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法”是通过控制单元分别与接收机和大功率发射桥路连接,接收机经第1SQUID乃至第20SQUID连接，利用预极化场对探测的水体极化,同时采用阵列式的SQUID接收模式,从而获得更大的核磁共振信号初始振幅,得到在强噪声环境下地下核磁共振探测图像。但是上述发明仪器各部分之间的有线连接，使其无法实现探测区域更大范围的覆盖。

另外现有的核磁共振探测装置针对特定的需要和野外应用场合均能有良好的测量效率和测量精确度，但是不适合实时性、自动控制的探测数据交互与即时数据处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置，能极大提升仪器在城市或者地下空间等环境的使用能力，实现了仪器实时连接入互联网的能力以及远程遥控的能力，增强了对实时探测数据的分布式计算能力，加强了整个系统的实用性和便捷性。

本发明是这样实现的：

一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置，该装置包括：计算机，至少一个发射控制机，一个发射控制机至少连接一个发射线圈，一个发射控制机至少匹配一个信号接收机，一个信号接收机至少连接一个接收线圈，一个蜂窝网络终端至少连接一个信号接收机；

所述计算机，与发射控制机、信号接收机通过蜂窝网络建立无线通信连接，包括探测装置系统的上位机、系统远端扩展的分布式计算节点和FTP服务器，信号接收机和上位机的数据都可上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点从FTP服务器拿到数据进行计算，然后计算结果再传回到上位机；

所述发射控制机，与发射线圈相连，控制发射线圈产生拉莫尔频率的大功率激发电流；

所述蜂窝网络终端，通过无线的方式建立与运营商基站之间的空口传输，进而连接互联网，使用时每个蜂窝网络终端节点具有唯一的运营商网络内IP用于寻址，利用运营商蜂窝网络实现探测装置各部分之间的数据通信连接，构建计算机、发射控制机和信号接收机之间的通信局域网；

所述信号接收机，与至少一个接收线圈相连，为信号采集、传输和控制中心节点，控制与采集地面核磁共振探测信号、预处理以及传输探测数据，与计算机、发射控制机交互。

进一步地，所述发射控制机旁设置蜂窝网络终端或与信号接收机共用一个蜂窝网络终端。

进一步地，蜂窝网络终端与计算机通讯，作为移动蜂窝网络中的终端节点，用于接入运营商网络，每个蜂窝网络终端具有唯一的运营商网络内IP地址用于探测装置各部分之间通信标识的唯一ID，设置上位机、发射控制机和信号接收机为蜂窝网络的DMZ主机使其能够映射蜂窝网络IP地址，构建计算机、发射控制机和信号接收机之间的通信局域网，实现基于蜂窝网络的通信互通。

进一步地，所述信号接收机内含一块采集板卡以及单独的1-8块放大器，连接至少一个接收线圈，用于接收与采集数据，在发射线圈覆盖区域内的接收线圈用于接收地面核磁共振信号数据，发射线圈覆盖区域以外的接收线圈用于接收环境基准噪声数据，核磁共振探测数据经由信号接收机采集后传送至计算机。

进一步地，所述上位机控制软件中设置地面核磁共振装置的工作参数，工作参数包括发射控制机与信号接收机的发射电流和采集数据的时间点与采集时长，通过蜂窝网络无线的方式将信息交互至发射控制机和信号接收机中，发射控制机采集的发射电流数据和信号接收机采集的信号数据通过蜂窝网络交互至计算机。

进一步地，一台上位机同时控制多个发射控制机以及信号接收机，完成对多套探测装置下位机部分的实时控制，一台发射控制机关联多台信号接收机，发射控制机发射电流产生电磁场所激发的地下水信号，被其关联的多个信号接收机检测并接收信号。

进一步地，在蜂窝网络终端中还可下接数通设备，可于扩展装置本地使用的信息通信局域网。

一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测方法，该方法包括：

在需要进行核磁共振探测的物理区域摆放好计算机、蜂窝网络终端、发射控制机和发射线圈、信号接收机以及接收线圈，此处计算机用作上位机控制整个系统的运行，上位机通过蜂窝网络终端将信息交互至下位机中，完成对系统发射部分和信号采集部分的设置；

发射控制机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，在发射线圈中产生交变电压；

信号接收机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，控制开始与停止采集在接收线圈中感应到的核磁共振信号，并将采集数据经由蜂窝网络上传至计算机；

发射控制机和每个信号接收机之间的工作时序通过终端形成的工作参数以无线通信的形式进行同步传递，在一个发射/采集周期内，信号接收机在系统发射部分产生激发磁场之前开始数据采集，确保所有有用信号均能够被系统数据采集部分采集记录下来；

每个信号接收机的采集数据通过蜂窝网络终端上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点同时从FTP服务器中得到采集数据，并进行实时的数据分析。

进一步地，还包括：设置多个信号接收机连接接收探测信号区域里的多个接收线圈，一个发射控制机匹配多个信号接收机；设置蜂窝网络终端和装置其他各部分以太网通信模块的DMZ主机或端口映射，通过运营商的蜂窝网络接入互联网。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明将核磁共振探水的原理和基于运营商通信传输以及无线局域网技术方法相结合，基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置及方法，通过便捷灵活的构建核磁共振探测装置发射控制机、信号接收机与计算机的数据通信链路实现数据的无线远距离可靠传输，并通过蜂窝网络终端节点接入互联网不仅极大分离了上位机与仪器主体硬件部分的地理距离，同时实现了远端对核磁探测数据分布式计算能力的实时数据分析，提高了仪器的使用效率。同时一台上位机可以同时实时控制多套探测装置的下位机部分，实现了对选定的核磁探测区域的多点同时测量。进一步增强了参考通道的灵活布置，为提高对核磁探测数据的处理分析能力提供基础。本发明能极大提升仪器在城市或者地下空间等环境的使用能力，实现了仪器实时连接入互联网的能力以及远程遥控的能力，增强了对实时探测数据的分布式计算能力，加强了整个系统的实用性和便捷性。

附图说明

图1是本发明系统的总体框图；

图2是本发明系统各个模块构成原理框图,(a)为发射控制机；(b)为信号接收机；

图3是本发明具体实施方式中一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置的本地各模块工作示意图；

图4是本发明具体实施方式中一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置的各数据通信节点示意图；

图5是本发明具体实施方式中系统应用本地无线通信的示意图；

图6是本发明具体实施方式中蜂窝网络终端节点与信号接收机连接示意图；图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)蜂窝网络终端节点与信号接收机之间的连接多种不同的方式；

图中，1计算机，3发射控制机，4发射线圈，5信号接收机，6接收线圈，2、7、8蜂窝网络终端。

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，以下结合附图及实施例，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。

图1是基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置总体框图，该装置包括：计算机1，发射控制机3，发射线圈4，信号接收机5，接收线圈6，蜂窝网络终端(2、7、8)。其中至少一个发射控制机，一个发射控制机至少连接一个发射线圈，一个发射控制机至少匹配一个信号接收机，一个信号接收机至少连接一个接收线圈，一个蜂窝网络终端至少连接一个信号接收机；

计算机1，与发射控制机、信号接收机通过蜂窝网络终端建立无线通信连接，包括探测装置系统的上位机、系统远端扩展的分布式计算节点和FTP服务器，信号接收机和上位机的数据上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点从FTP服务器拿到数据进行计算，然后计算结果再传回到上位机。上位机与蜂窝网络终端2通过有线或无线方式进行网络连接，实现对系统下位机的控制和初步的处理数据。这里的下位机包括发射控制部分和信号接收部分以及蜂窝网络终端。

蜂窝网络终端2，与计算机1相连，作为移动蜂窝网络中的终端节点，实现接入运营商网络的功能，每个蜂窝网络终端具有的唯一的运营商网络内IP地址用于探测装置各部分之间通信标识的唯一ID，设置上位机为蜂窝网络终端节点的DMZ主机使其能够映射蜂窝网络IP地址，同时也能够通过基于IEEE 802.11标准的无线网络的方式构建计算机、发射控制机和信号接收机之间的通信局域网，实现短距离的内部通信网络互通。

发射控制机3，与接收线圈4、蜂窝网络终端7相连，作为系统的电路时序和电流发射中枢，通过产生一定时长探测区域拉莫尔频率的激发电流，实现探测区域内水分子核磁信号的激发功能，同时也采集发射线圈上感应信号和发射电流信息。

发射线圈4，与发射控制机2相连，作为产生目标探测区域水分子核磁共振现象的电生磁现象载体。

信号接收机5，与接收线圈6、蜂窝网络终端节点7相连，作为探测区域水分子核磁信号采集和数据传输节点，采集被激发的核磁共振信号，同时将采集数据上传。

接收线圈6，与信号接收机5相连，作为感应目标探测区域内水分子核磁共振信号的磁生电现象载体。

蜂窝网络终端节点7、8，分别与发射控制机3和信号接收机5相连，分别设置发射控制机内通信接口与信号接收机内通信接口为蜂窝网络终端的DMZ主机使其能够映射蜂窝网络IP地址，作为移动蜂窝网络中的终端节点实现接入运营商网络的功能，实现与计算机1的控制指令交互和数据上传功能。

所述计算机1、发射控制机3和信号接收机5通过蜂窝网络进行信息交互。操作者在计算机1的上位机软件中设置仪器的各种工作参数，通过蜂窝网络终端经由运营商网络将信息交互至发射控制机3和信号接收机5。发射控制机的各测量参数与采集数据和信号接收机采集的信号数据通过蜂窝网络交互至计算机1中。

参见图2(a)，所述发射控制机包括通信模块、发射控制模块和放大器，发射控制机与发射线圈连接，用于发射拉莫尔频率的大功率电流，产生激发地下水氢质子的磁场，激发产生氢质子的核磁共振跃迁。放大器用于对当发射线圈作接收时其感应出的电信号进行电路调理和放大。通信模块用于将发射控制机各项信息交互至计算机和系统远端扩展的分布式计算部分，完成系统控制、信号发射和信号采集功能。

参见图2(b)，所述信号接收机包括通信模块、数据采集模块和放大器，放大器用于对接收线圈中感应出的电信号进行电路调理和放大，数据采集模块负责采集在接收线圈上感应出的核磁共振信号，通信模块将信息交互至计算机1(包括系统远端扩展的分布式计算部分和FTP服务器)。信号接收机各自与其接收线圈连接，用于接收与采集数据。其中，在发射线圈覆盖区域内的接收线圈用于接收地面核磁共振信号数据，发射线圈4覆盖区域以外的接收线圈用于采集环境基准噪声数据。

参见图3，是本发明多通道地面核磁共振探测装置的本地各模块工作示意图，所述接收线圈5，根据探测目的、使用模式与环境条件，在信号探测采集区域内有规则的摆放核磁共振信号接收线圈与参考线圈的位置。接收线圈作参考通道根据装置的使用需求布置，此时其信号接收机一般直连蜂窝网络终端节点实现远距离布置。根据实际需求，确定参考通道的具体使用。参见图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)蜂窝网络终端节点与信号接收机之间的连接可以有多种不同的方式，根据实际需要做相应连接即可。

参见图4，是本发明多通道地面核磁共振探测装置的各数据通信节点示意图，蜂窝网络终端通过接入运营商蜂窝网络进而连接入互联网，能够实现仪器各个通信模块之间的信息交互。利用4G、5G的高带宽和低延时特性实现仪器系统各部分之间信息数据的实时交互、处理和分析。整个系统能够接入远端扩展的分布式计算部分，系统发射控制部分、系统信号采集部分和上位机都分别能够通过蜂窝网络终端节点通信连接系统远端扩展的分布式计算部分，增强了对实时探测数据的分布式计算能力和对多套探测装置下位机部分的实时控制。同时通过上位机的远端部署，可以实现仪器的远端遥测能力。

参见图5，是本发明系统应用本地无线通信的示意图，蜂窝网络终端可以构建系统发射控制部分、系统信号采集部分和计算机之间的有线或无线通信局域网，同时也可以经由蜂窝网络终端将数据交互至系统远端扩展的分布式计算部分。在蜂窝网络终端中还可下接数通设备，可用于扩展仪器本地使用的信息通信局域网，实现相应部分的数据交互。

在其他的实施例中，发射控制机与信号接收机共用一个蜂窝网络终端，例如如果在远端遥控的话可以直接接上宽带，上位机附近不需要放置蜂窝网络终端，当蜂窝网络终端是用NAT技术的话就和发射控制机与信号接收机连在同一个蜂窝网络终端上就行了。

一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测方法，该方法包括：

在需要进行核磁共振探测的物理区域摆放好计算机、蜂窝网络终端、多个发射控制机和发射线圈、信号接收机以及接收线圈，此处计算机通过上位机控制整个系统的运行，上位机通过蜂窝网络终端将信息交互至下位机中，完成对系统发射部分和信号采集部分的设置；

发射控制机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，在发射线圈中产生交变电压；

信号接收机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，控制开始与停止采集在接收线圈中感应到的核磁共振信号，并将采集数据经由同样的通信链路上传至上位机中；

发射控制机和每个信号接收机之间的电路时序通过经由蜂窝网络终端无线通信的形式进行同步传递，在一个发射/采集周期内，信号接收机在系统发射部分产生激发磁场之前开始数据采集，确保所有有用信号均能够被系统数据采集部分采集记录下来；

每个信号接收机的采集数据通过蜂窝网络终端上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点同时从FTP服务器中得到采集数据，并进行实时的数据分析。

还包括：设置多个信号接收机连接接收探测信号区域里的多个接收线圈，一个发射控制机匹配多个发射控制机；

在信号接收机附近放置蜂窝网络终端，设置蜂窝网络终端和装置各部分以太网通信模块的端口映射或DMZ主机，通过运营商的蜂窝网络接入互联网；

在所述上位机的控制软件中设置地面核磁共振装置的工作参数，通过蜂窝网络终端经由无线的方式将信息交互至发射控制机和信号接收机中，发射控制机采集的发射电流数据和信号接收机采集的信号数据通过相同的通信链路交互至上位机中。

下面以一种仪器使用测量时的方式为例对使用过程进行说明：

实施例1

包括：第一步，计算机1作为上位机，在其中设定系统发射控制和信号采集部分工作的各种参数，如拉莫尔频率2330HZ、脉冲矩20、发射时间40ms、网络延迟时间30ms，接收机采样频率52.734KHz等，通过蜂窝网络终端节点将信息交互至下位机中，完成对系统发射部分和信号采集部分的设置。

第二步，发射控制机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，在发射线圈中产生交变电压，利用产生的电生磁效应激发目标探测区域内的水质子核磁共振现象，进行地球物理探测。

第三步，信号接收机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，控制开始与停止采集在接收线圈中感应到的核磁共振信号，并将采集数据经由蜂窝网络上传至上位机中。在探测区域内等距放置6个信号接收机，同时在每个信号接收机中配置4块放大器板，进而连接4个接收线圈，实现多通道的同时信号采集。在远端适宜位置布置一个参考通道，远端的参考通道也为一个系统接收部分，仅作为接收环境基准噪声，实现定义仪器使用过程中环境的噪声基准。

第四步，发射控制机和每个信号接收机之间的电路时序通过有线或经由蜂窝网络终端节点无线通信的形式进行同步传递，在一个发射/采集周期内，信号接收机在系统发射部分产生激发磁场之前即开始数据采集，确保所有有用信号均能够被系统数据采集部分采集记录下来。每个信号接收机的采集数据通过蜂窝网络终端上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点同时从FTP服务器中得到采集数据，并进行实时的数据分析。

第五步，重复第二步和第四步的过程，完成上位机设定的所有的脉冲矩采集循环，即完成了一个探测区域的核磁共振探测。所采集的数据经由上位机的即时初步处理与成图以及远端计算节点的数据分析，即可得到探测区域的相关水文地质信息。

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)

1.一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测装置，其特征在于，该装置包括：计算机，至少一个发射控制机，一个发射控制机至少连接一个发射线圈，一个发射控制机至少匹配一个信号接收机，一个信号接收机至少连接一个接收线圈，一个蜂窝网络终端至少连接一个信号接收机；

所述计算机，与发射控制机、信号接收机通过蜂窝网络建立无线通信连接，包括探测装置系统的上位机、系统远端扩展的分布式计算节点和FTP服务器，信号接收机和上位机的数据都可上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点从FTP服务器拿到数据进行计算，然后计算结果再传回到上位机；

所述发射控制机，与发射线圈相连，控制发射线圈产生拉莫尔频率的大功率激发电流；

所述蜂窝网络终端，通过无线的方式建立与运营商基站之间的空口传输，进而连接互联网，使用时每个蜂窝网络终端节点具有唯一的运营商网络内IP用于寻址，利用运营商蜂窝网络实现探测装置各部分之间的数据通信连接，构建计算机、发射控制机和信号接收机之间的通信局域网；

所述信号接收机，与至少一个接收线圈相连，为信号采集、传输和控制中心节点，控制与采集地面核磁共振探测信号、预处理以及传输探测数据，与计算机、发射控制机交互。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射控制机旁设置蜂窝网络终端或与信号接收机共用一个蜂窝网络终端。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，蜂窝网络终端与计算机通讯，作为移动蜂窝网络中的终端节点，用于接入运营商网络，每个蜂窝网络终端具有唯一的运营商网络内IP地址用于探测装置各部分之间通信标识的唯一ID，设置上位机、发射控制机和信号接收机为蜂窝网络的DMZ主机使其能够映射蜂窝网络IP地址，构建计算机、发射控制机和信号接收机之间的通信局域网，实现基于蜂窝网络的通信互通。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号接收机内含一块采集板卡以及单独的1-8块放大器，连接至少一个接收线圈，用于接收与采集数据，在发射线圈覆盖区域内的接收线圈用于接收地面核磁共振信号数据，发射线圈覆盖区域以外的接收线圈用于接收环境基准噪声数据，核磁共振探测数据经由信号接收机采集后传送至计算机。

5.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述上位机控制软件中设置地面核磁共振装置的工作参数，工作参数包括发射控制机与信号接收机的发射电流和采集数据的时间点与采集时长，通过蜂窝网络无线的方式将信息交互至发射控制机和信号接收机中，发射控制机采集的发射电流数据和信号接收机采集的信号数据通过蜂窝网络交互至计算机。

6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，一台上位机同时控制多个发射控制机以及信号接收机，完成对多套探测装置下位机部分的实时控制，一台发射控制机关联多台信号接收机，发射控制机发射电流产生电磁场所激发的地下水信号，被其关联的多个信号接收机检测并接收信号。

7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在蜂窝网络终端中还可下接数通设备，可于扩展装置本地使用的信息通信局域网。

8.一种基于蜂窝网络的多通道地面核磁共振探测方法，其特征在于，该方法包括：

在需要进行核磁共振探测的物理区域摆放好计算机、蜂窝网络终端、发射控制机和发射线圈、信号接收机以及接收线圈，此处计算机用作上位机控制整个系统的运行，上位机通过蜂窝网络终端将信息交互至下位机中，完成对系统发射部分和信号采集部分的设置；

发射控制机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，在发射线圈中产生交变电压；

信号接收机经由蜂窝网络终端与上位机进行通信交互，根据其设定的工作参数，控制开始与停止采集在接收线圈中感应到的核磁共振信号，并将采集数据经由蜂窝网络上传至计算机；

发射控制机和每个信号接收机之间的工作时序通过终端形成的工作参数以无线通信的形式进行同步传递，在一个发射/采集周期内，信号接收机在系统发射部分产生激发磁场之前开始数据采集，确保所有有用信号均能够被系统数据采集部分采集记录下来；

每个信号接收机的采集数据通过蜂窝网络终端上传到FTP服务器，上位机和系统远端扩展的分布式计算节点同时从FTP服务器中得到采集数据，并进行实时的数据分析。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：设置多个信号接收机连接接收探测信号区域里的多个接收线圈，一个发射控制机匹配多个信号接收机；设置蜂窝网络终端和装置其他各部分以太网通信模块的DMZ主机或端口映射，通过运营商的蜂窝网络接入互联网。

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