CN111538096B - 一种核磁共振地下水分层探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核磁共振地下水分层探测装置及探测方法，包括上位机与主控单元、浅层探测发射单元、深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元。在浅层区域，通过预极化梯度场和可调交变磁场共同作用，进行浅层地下水分层探测；在深层区域，通过SPWM逆变产生交变脉冲进行深层地下水分层探测。并对核磁共振信号进行包络与全波采集，将包络信号进行现场实时数字消噪，全波信号进行实时存储。本发明在浅层探测时利用预极化梯度场和可调交变磁场提升了探测信噪比，减小了发射能量的损耗；在深层探测时利用SPWM逆变进行交变脉冲激发，无需进行配谐激发，减小了能释时间，提升了探测效率；将包络信号进行数字消噪，提升了现场观测信号的质量。

Description

一种核磁共振地下水分层探测装置及探测方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术研究领域，涉及一种核磁共振地下水分层探测装置及探测方法。

背景技术

核磁共振技术可以直接定性、定量探测地下水文地质信息，被广泛应用于地球物理探测领域。进行核磁共振地下水探测时，通过激发不同的交变脉冲矩电流可以实现对探测区域内地下水含水量进行分层测量。传统的核磁共振探测仪器虽然能够实现地下各深度含水量的测量，但是进行浅层探测时，探测信噪比低，难以获得有效的磁共振信号；进行深层探测时，需要通过外部配谐来发射较大的激发电流，不仅降低了探测效率而且增加了能释时间；并且进行核磁共振信号分层测量时，探测现场难以观测到有效的核磁共振信号，严重影响了探测进程。

CN102053280A公开了一种带有参考线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法。通过多路A/D采集单元同步采集发射/接收线圈中的核磁共振信号以及参考线圈中噪声信号的全波形数据，通过计算参考线圈采集的噪声信号与核磁共振信号的最大相关性，实现参考线圈最佳位置和数量的布设，在信号和噪声统计特性未知的情况下，采用变步长自适应算法，最大限度对消发射/接收线圈获得核磁共振信号中的噪声，实现多场源复杂噪声干扰下核磁共振信号的提取，有效地解决了村庄附近以及城市周边地区核磁共振探测干扰多、多种干扰噪声数据难以分离的问题，提高仪器抗干扰性能，为在村庄附近以及城市周边寻找地下水提供了一种可靠的探测装置和方法。该方法虽然能够在一定程度上解决噪声水平较为严重地区干扰噪声数据难以分离的问题，但是没有有效增强浅层探测区域核磁共振信号的幅值，在复杂噪声环境下难以获得高信噪比的核磁共振信号，不能为后续精确反演提供有效的数据。并且该方法只能采集核磁共振信号的全波数据，不能对所采集数据进行现场实时消噪，难以得到有效的现场核磁共振信号，进行探测实验时，无法实时判断所采集的信号是否为核磁共振信号，影响探测效率。

CN107966737A公开了一种主动场核磁共振探测装置及探测方法。预极化控制电路，通过一切换开关控制发射线圈产生大于天然地磁场的预极化磁场；释放电路，通过一开关连接发射线圈用于快速关断电路释放发射线圈中的剩余能量；交变磁场控制电路，通过所述切换开关控制发射线圈产生交变磁场激发目标水体。主控单元：发出控制信号，对所述预极化控制电路、释放电路、交变磁场控制电路进行切换和控制。该发明联合电流产生的预极化场(BP)和交变磁场(Bac)对隧道灾害水体进行探测，Bp场用于提高目标水体的信号，改善信噪比；Bac场对探测区域逐层探测，可精确定位灾害水，实现了隧道里多角度、超大噪声环境下非侵入式探测灾害水体。该方法虽然能逐层探测目标水体，实现对灾害水源的精确定位，但是只能利用预极化场和交变磁场共同作用对浅层区域的灾害水体进行核磁共振探测，无法对深层区域的灾害水体进行探测。并且该方法中的预极化场强度为恒定场强，在进行浅层深度逐层探测时无法实时调整所需预极化场强度，造成不必要的能量损失。由于进行浅层预极化场探测时交变电流幅值越小、精度越高，预极化场磁共振的探测灵敏度越高，该方法利用逆变电路进行交变场的发射，无法发射高精度的微小交变电流，不能进行浅层高分辨的核磁共振成像。

CN109884719A公开了一种连续发射、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。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的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，缩短了核磁共振探测时间。该方法虽然能够对深层地下水进行激发，但是该方法利用逆变电路产生双极性方波并通过配谐产生较大的正弦激发脉冲，会在发射关断时引起二阶阻尼振荡，造成较长的能释时间，同时在不同的发射条件下需要重新配谐，降低了探测效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种核磁共振地下水分层探测装置，在浅层探测时利用预极化梯度场和可调交变磁场提升了探测信噪比，减小了发射能量的损耗；在深层探测时利用SPWM逆变进行交变脉冲激发，无需进行配谐激发，减小了能释时间，提升了探测效率；将包络信号进行数字消噪，提升了现场观测信号的质量，并对全波信号进行实时存储，为精细反演提供了丰富的数据。

本发明另一方面提供一种核磁共振地下水分层探测方法。

本发明是这样实现的，

一种核磁共振地下水分层探测装置，该装置包括：

上位机与主控单元、浅层探测发射单元、深层探测发射单元以及核磁共振信号采集单元，

浅层探测单元为浅层探测时提供可变的预极化梯度场和交变激发脉冲，在浅层探测交变脉冲发射线圈上产生小幅度的浅层探测交变激发脉冲，来实现对浅层地下水中的氢质子进行分层激发；

深层探测发射单元为深层探测时为深层探测交变脉冲发射线圈提供较大的交变激发电流，来实现对深层地下水中的氢质子进行分层激发；浅层发射交变脉冲为电流为0-10A；深层交变脉冲发射电流为10到400A。

核磁共振信号采集单元同时进行包络信号与全波信号采集，并且将采集来的核磁共振包络信号利用数字信号处理单元进行包络信号计算，并将计算后的包络信号进行数字消噪处理；

上位机与主控单元负责为浅层探测发射单元与深层探测发射单元配置发射参数，为核磁共振信号采集单元配置接收参数；

同时上位机负责对所采集的核磁共全波信号进行实时存储，并对经过数字消噪处理后的核磁共振包络信号进行时频域显示。

进一步地，浅层探测发射单元通过预极化梯度场生成装置提供可变的预极化梯度场，通过对大功率可控直流电源进行控制利用预极化发射电路在浅层探测预极化发射线圈上产生可变的预极化梯度场，以及利用交变激发脉冲生成装置在浅层探测交变脉冲发射线圈产生交变脉冲，利用数字信号处理单元生成浅层探测所需的交变数字信号，其中，所述预极化梯度场生成装置包括：预极化场发射时序控制模块、预极化场发射驱动电路、预极化场大功率开关模块、预极化场发射控制电路、预极化梯度场强度控制模块、大功率可控直流电源以及浅层探测预极化电流发射线圈，上位机与主控单元为预极化场发射时序控制模块配置发射参数，预极化场发射时序控制模块产生预极化发射时序控制信号，经预极化场发射驱动电路进行功率放大后控制预极化场发射大功率开关模块的开通与关闭，并通过预极化场发射控制电路在浅层预极化电流发射线圈上生成预极化发射电流；同时预极化梯度场强度控制模块根据浅层探测区域的不同探测深度实时调整控制大功率可控直流电源为预极化场发射控制电路提供所需的预极化场发射能量；预极化场发射结束，经过绝热关断后发射交变激发脉冲对浅层探测区域地下水进行激发。

进一步地，浅层探测发射单元中交变激发脉冲生成装置包括：交变脉冲参数计算模块、交变脉冲生成模块、交变脉冲数模转换模块、交变脉冲功率放大模块以及浅层探测交变脉冲发射线圈；其中交变脉冲参数计算模块和交变脉冲生成模块位于数字信号处理单元A中，负责响应上位机与主控单元配置的交变脉冲发射参数，交变脉冲参数计算模块计算发射正弦信号的频率与相位，然后交变脉冲生成模块生成相应频率与相位的固定幅值正弦数字信号，交变脉冲数模转换模块将所生成的数字信号转换为模拟的正弦信号；根据浅层探测区域中探测深度的不同，交变脉冲功率放大模块将模拟的正弦信号放大为所需探测深度的激发信号，并在浅层探测交变脉冲发射线圈上产生高精度、小幅值的交变激发脉冲。

进一步地，深层探测发射单元包括SPWM波形控制信号生成模块、交变脉冲发射驱动电路、交变脉冲SPWM逆变电路、储能电容充电控制模块、可控恒流源、高压储能电容、交变脉冲LC滤波电路、深层探测交变脉冲发射线圈、深层探测发射电压与发射电流采集模块以及PID控制模块；其中SPWM波形控制信号生成模块位于数字信号处理单元B中，负责响应来自上位机与主控单元的深层发射配置参数，并根据所需的交变脉冲发射时长、发射频率，计算相应的载波与调制波，根据规则采样法生成SPWM逆变电路所需的SPWM波形控制信号；交变脉冲发射驱动电路将SPWM波形控制信号进行功率放大，控制交变脉冲SPWM逆变电路中的开关管的导通与截至，交变脉冲SPWM逆变电路采用单极性逆变控制方式；储能电容充电控制模块通过对可控恒流源输出电流的控制来改变高压储能电容的充电电压，为交变脉冲SPWM逆变电路提供幅值不同的直流电压，来得到幅值不同的逆变电流，对深层探测区域发射不同的交变激发脉冲进行分层探测；交变脉冲LC滤波电路滤除SPWM激发脉冲中的高次谐波，得到光滑的正弦交变激发脉冲，通过深层探测交变脉冲发射线圈进行发射；深层探测发射电压与发射电流采集模块负责采集高压储能电容两端的激发电压和交变脉冲发射线圈中的发射电流，并上传给位于数字信号处理器B中的PID控制模块，PID控制模块先将采集的发射电压与发射电流与预设发射电压与发射电流值进行比较得到偏差值，经过PID控制模块调节输出SPWM波形的脉冲宽度，来对发射交变电流波形进行实时调节。

进一步地，核磁共振信号采集单元中包络信号采集的部分包括：核磁共振包络信号采集磁传感器、包络信号前置放大电路、包络信号AD采集电路、包络信号计算模块以及包络信号消噪模块；核磁共振包络信号磁传感器负责采集经过浅层探测单元或深层探测单元激发后的核磁共振信号，包络信号前置放大器对所采集的信号进行放大处理，包络信号AD采集电路对放大后的信号进行包络采集；包络信号计算模块和包络信号消噪模块为于数字信号处理单元C中，包络信号计算模块计算所采集的包络信号，再经包络信号消噪模块依次滤除尖峰脉冲噪声、工频谐波噪声、和随机噪声；数字信号处理单元C将经过消噪后的包络信号实时上传至上位机进行时频域显示。

进一步地，核磁共振信号采集单元中全波信号采集部分包括：核磁共振全波信号采集磁传感器、全波信号前置放大电路、全波信号带通滤波电路、全波信号二级放大电路以及核磁共振全波信号AD采集模块；核磁共振全波信号磁传感器负责采集经过浅探测单元或深层探测单元激发后的核磁共振信号，全波信号前置放大器对所采集的信号进行放大，将放大后的信号利用全波信号带通滤波电路进行模拟滤波，经过全波信号二级放大电路放大后，使用核磁共振全波信号AD采集模块进行全波采集；将采集后的全波信号上传至上位机进行实时存储。

一种核磁共振地下水分层探测方法，包括：

判断探测深度，根据探测深度选择浅层探测模式、深层探测模式或全深度探测模式；

若为全深度探测模式，包括如下步骤：

通过上位机向主控单元配置全深度探测模式发射与接收参数；

主控单元分别向浅层探测发射单元、深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数，其中浅层探测发射单元发射参数配置为地下0米至10米探测深度，深层探测发射单元配置为地下10米至所需探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层与深层联合探测模式；

由浅层探测区域到深层探测区域进行分层探测，在浅层探测区域中，先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

浅层探测区域探测完毕后进行深层探测区域探测，先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

若进行地下浅层探测模式，包括如下的步骤：

通过上位机向主控单元配置浅层探测模式发射与接收参数，主控单元再向浅层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数；

根据实际探测需求，浅层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层探测接收模式；

在浅层探测区域内进行分层探测；

先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

若进行地下深层探测模式，包括如下步骤：

通过上位机向主控单元配置深层探测模式发射与接收参数，主控单元再向深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数；

根据实际探测需求，深层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为深层探测接收模式；

在深层探测区域内进行分层探测；

先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明使用不同的激发方式对地下浅层与深层的氢质子进行激发，并对产生的核磁共振信号进行采集，实现对地下水分层精细探测。在浅层探测时利用预极化梯度场和可调交变磁场共同作用，对浅层地下水进行分层探测，提升了探测信号的信噪比，并减小了预极化场发射的能量的损耗。在深层探测时利用SPWM逆变进行交变脉冲激发，实现深层分层探测，该激发方式不需要进行配谐，不仅减少了因配谐激发引起的二阶阻尼振荡所产生的能释时间，而且提升了探测效率。并对激发所产生的核磁共振信号进行包络和全波采集，利用包络采集数据量小的特点，将包络信号进行现场实时数字消噪处理，为探测现场提供高质量的核磁共振信号，提升了现场核磁共振信号的评测效率。同时对核磁共振全波信号进行实时存储，为后续实验室精细反演提供了丰富的反演数据。

在浅层探测区域中采用可调梯度预极化场进行分层探测，减小了预极化场发射能量的损耗；采用将模拟交变脉冲功率放大的方式来进行浅层交变脉冲的激发，提升了小幅值交变脉冲的发射精度。

在深层探测时利用SPWM逆变进行交变脉冲激发，实现深层分层探测，该激发方式不需要进行配谐，不仅减少了因配谐激发引起的二阶阻尼振荡所产生的能释时间，而且提升了探测效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种核磁共振地下水分层探测装置结构示意图；

图2为本发明提供的一种核磁共振地下水分层探测发射接收模式时序；

图3为本发明提供的一种核磁共振地下水分层探测方法流程示意图。

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。

如图1，2所示，该一种核磁共振地下水分层探测装置包括：上位机与主控单元1、浅层探测发射单元2、深层探测发射单元3以及核磁共振信号采集单元4。浅层探测单元2为浅层探测时提供可变的预极化梯度场(Bp)和交变激发脉冲(Bac)，通过对大功率可控直流电源进行控制利用预极化发射电路在浅层探测预极化发射线圈上产生可变的预极化梯度场，利用数字信号处理单元生成浅层探测所需的交变数字信号，并对其可控地进行功率放大，在浅层探测交变脉冲发射线圈上产生高精度、小幅度的浅层探测交变激发脉冲，来实现对浅层地下水中的氢质子进行分层激发。深层探测发射单元3为深层探测时提供较大的交变激发脉冲(SPWM-Bac)，通过SPWM逆变桥路进行逆变，生成SPWM脉冲，利用LC滤波电路将高频发射脉冲滤除，产生光滑的正弦交变激发脉冲，来实现对深层地下水中的氢质子进行分层激发。核磁共振信号采集单元4采集各个层激发后产生的自由感应衰减核磁共振信号(FID),利用核磁共振包络信号采集磁传感器和核磁共振全波信号采集磁传感器同时进行包络信号与全波信号采集，并且将采集来的核磁共振包络信号利用数字信号处理单元进行包络信号计算，并将计算后的包络信号进行数字消噪处理。

如图1所示，上位机与主控单元1负责为浅层探测发射单元2与深层探测发射单元3配置发射参数，为核磁共振信号采集单元4配置接收参数。同时上位机负责对所采集的核磁共全波信号进行实时存储，并对经过数字消噪处理后的核磁共振包络信号进行时频域显示。

如图1所示，浅层探测发射单元2中预极化梯度场生成装置包括：预极化场发射时序控制模块5、预极化场发射驱动电路6、预极化场大功率开关模块7、预极化场发射控制电路8、预极化梯度场强度控制模块9、大功率可控直流电源10以及浅层探测预极化电流发射线圈11。上位机与主控单元1为预极化场发射时序控制模块5配置发射参数，预极化场发射时序控制模5块产生预极化发射时序控制信号，经预极化场发射驱动电路6进行功率放大后控制预极化场发射大功率开关模块7的开通与关闭，并通过预极化场发射控制电路8在浅层预极化电流发射线圈11上生成预极化发射电流。同时预极化梯度场强度控制模块9根据浅层探测区域的不同探测深度实时调整控制大功率可控直流电源10为预极化场发射控制电路8提供所需的预极化场发射能量。预极化场发射结束，经过绝热关断后发射交变激发脉冲对浅层探测区域地下水进行激发。

如图1所示，浅层探测发射单元2中交变激发脉冲生成装置包括：交变脉冲参数计算模块13、交变脉冲生成模块14、交变脉冲数模转换模块15、交变脉冲功率放大模块16以及浅层探测交变脉冲发射线圈17。交变脉冲参数计算模块13和交变脉冲生成模块14位于数字信号处理单元A12中，负责响应上位机与主控单元1配置的交变脉冲发射参数，交变脉冲参数计算模块13计算发射正弦信号的频率与相位，然后交变脉冲生成模块14生成相应频率与相位的固定幅值正弦数字信号，交变脉冲数模转换模块15将所生成的数字信号转换为模拟的正弦信号。根据浅层探测区域中探测深度的不同，交变脉冲功率放大模块16将模拟的正弦信号放大为所需探测深度的激发信号，并在浅层探测交变脉冲发射线圈17上产生高精度、小幅值的交变激发脉冲。

如图1所示，深层探测发射单元3包括SPWM波形控制信号生成模块19、交变脉冲发射驱动电路20、交变脉冲SPWM逆变电路21、储能电容充电控制模块22、可控恒流源23、高压储能电容24、交变脉冲LC滤波电路25、深层探测交变脉冲发射线圈26、深层探测发射电压与发射电流采集模块27以及PID控制模块28。SPWM波形控制信号生成模块19位于数字信号处理单元B18中，负责响应来自上位机与主控单元1的深层发射配置参数，并根据所需的交变脉冲发射时长、发射频率，计算相应的载波与调制波，根据规则采样法生成SPWM逆变电路所需的SPWM波形控制信号。交变脉冲发射驱动电路20将SPWM波形控制信号进行功率放大，控制交变脉冲SPWM逆变电路中的开关管的导通与截至，交变脉冲SPWM逆变电路采用单极性逆变控制方式。储能电容充电控制模块22通过对可控恒流源23输出电流的控制来改变高压储能电容24的充电电压，为交变脉冲SPWM逆变电路21提供幅值不同的直流电压，来得到幅值不同的逆变电流，对深层探测区域发射不同的交变激发脉冲进行分层探测。交变脉冲LC滤波电路25滤除SPWM激发脉冲中的高次谐波，得到光滑的正弦交变激发脉冲，通过深层探测交变脉冲发射线圈26进行发射。深层探测发射电压与发射电流采集模块27负责采集高压储能电容24两端的激发电压和交变脉冲发射线圈26中的发射电流，并上传给位于数字信号处理单元B18的PID控制模块28，PID控制模块28先将采集的发射电压与发射电流与预设发射电压与发射电流值进行比较得到偏差值，经过PID调节器调节输出SPWM波形的脉冲宽度，来对发射交变电流波形进行实时调节，避免因发射电压值与发射线圈负载参数的变动，对交变脉冲发射电流带来的影响。

如图1所示，核磁共振信号采集单元4中包络信号采集的部分包括：核磁共振包络信号采集磁传感器29、包络信号前置放大电路30、包络信号AD采集电路31、包络信号计算模块33以及包络信号消噪模块34。核磁共振包络信号磁传感器29负责采集经过浅层探测单元或深层探测单元激发后的核磁共振信号，包络信号前置放大电路30对所采集的信号进行放大处理，包络信号AD采集电路31对放大后的信号进行包络采集。包络信号计算模块33和包络信号消噪模块34为于数字信号处理单元C 32中，包络信号计算模块33计算所采集的包络信号，再经包络信号消噪模块34依次滤除尖峰脉冲噪声、工频谐波噪声、和随机噪声。数字信号处理单元C 32将经过消噪后的包络信号实时上传至上位机进行时频域显示，可以提高探测核磁共振信号的质量，方便现场探测人员进行现场实时观测，提高了探测效率。

如图1所示，核磁共振信号采集单元4中全波信号采集部分包括：核磁共振全波信号采集磁传感器35、全波信号前置放大电路36、全波信号带通滤波电路37、全波信号二级放大电路38以及核磁共振全波信号AD采集模块39。核磁共振全波信号磁传感器35负责采集经过浅探测单元或深层探测单元激发后的核磁共振信号，全波信号前置放大电路36对所采集的信号进行放大，将放大后的信号利用全波信号带通滤波电路37进行模拟滤波，经过全波信号二级放大电路38放大后，使用核磁共振全波信号AD采集模块39进行全波采集。将采集后的全波信号上传至上位机进行实时存储，为后续实验室精细反演提供了丰富的反演数据。

如图3所示，一种核磁共振地下水分层探测方法包括：根据探测深度的不同可以分为浅层探测模式、深层探测模式和全深度探测模式，浅层探测模式可以探测地下0米到10米的含水层区域，深层探测模式可以探测地下10米至150米探测区域，在不同的实际探测需求下选择不同的探测模式。

如果进行地下全深度探测，则在上位机上选择全深度探测模式，并进行以下步骤：首先通过上位机向主控单元配置全深度探测模式发射与接收参数，主控单元再分别向浅层探测发射单元、深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数。其中浅层探测发射单元发射参数配置为地下0米至10米探测深度，深层探测发射单元配置为地下10米至所需探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层与深层联合探测模式。然后由浅层探测区域到深层探测区域进行分层探测。在浅层探测区域中，先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。浅层探测区域探测完毕后进行深层探测区域探测，先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。最后进行现场探测结果评估，根据实时数字消噪后的核磁共振包络信号的时频域信息，对本次探测结果进行实地评估。

如果进行地下浅层探测，则在上位机上选择浅层探测模式，并进行以下步骤：首先通过上位机向主控单元配置浅层探测模式发射与接收参数，主控单元再向浅层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数。根据实际探测需求，浅层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层探测接收模式。然后在浅层探测区域内进行分层探测。先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。最后进行现场探测结果评估，根据实时数字消噪后的核磁共振包络信号的时频域信息，对本次探测结果进行实地评估。

如果进行地下深层探测，则在上位机上选择深层探测模式，并进行以下步骤：首先通过上位机向主控单元配置深层探测模式发射与接收参数，主控单元再向深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数。根据实际探测需求，深层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为深层探测接收模式。然后在深层探测区域内进行分层探测。先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。最后进行现场探测结果评估，根据实时数字消噪后的核磁共振包络信号的时频域信息，对本次探测结果进行实地评估。

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 (6)

1.一种核磁共振地下水分层探测装置，其特征在于，该装置包括：

上位机与主控单元、浅层探测发射单元、深层探测发射单元以及核磁共振信号采集单元，

浅层探测发射单元为浅层探测时提供可变的预极化梯度场和交变激发脉冲，在浅层探测交变脉冲发射线圈上产生小幅度的浅层探测交变激发脉冲，来实现对浅层地下水中的氢质子进行分层激发；

深层探测发射单元为深层探测时为深层探测交变脉冲发射线圈提供较大的交变激发电流，来实现对深层地下水中的氢质子进行分层激发；

核磁共振信号采集单元同时进行包络信号与全波信号采集，并且将采集来的核磁共振包络信号利用数字信号处理单元C进行包络信号计算，并将计算后的包络信号进行数字消噪处理；

上位机与主控单元负责为浅层探测发射单元与深层探测发射单元配置发射参数，为核磁共振信号采集单元配置接收参数；

同时上位机负责对所采集的核磁共振全波信号进行实时存储，并对经过数字消噪处理后的核磁共振包络信号进行时频域显示；

深层探测发射单元包括SPWM波形控制信号生成模块、交变脉冲发射驱动电路、交变脉冲SPWM逆变电路、储能电容充电控制模块、可控恒流源、高压储能电容、交变脉冲LC滤波电路、深层探测交变脉冲发射线圈、深层探测发射电压与发射电流采集模块以及PID控制模块；其中SPWM波形控制信号生成模块位于数字信号处理单元B中，负责响应来自上位机与主控单元的深层发射配置参数，并根据所需的交变脉冲发射时长、发射频率，计算相应的载波与调制波，根据规则采样法生成SPWM逆变电路所需的SPWM波形控制信号；交变脉冲发射驱动电路将SPWM波形控制信号进行功率放大，控制交变脉冲SPWM逆变电路中的开关管的导通与截至，交变脉冲SPWM逆变电路采用单极性逆变控制方式；储能电容充电控制模块通过对可控恒流源输出电流的控制来改变高压储能电容的充电电压，为交变脉冲SPWM逆变电路提供幅值不同的直流电压，来得到幅值不同的逆变电流，对深层探测区域发射不同的交变激发脉冲进行分层探测；交变脉冲LC滤波电路滤除SPWM激发脉冲中的高次谐波，得到光滑的正弦交变激发脉冲，通过深层探测交变脉冲发射线圈进行发射；深层探测发射电压与发射电流采集模块负责采集高压储能电容两端的激发电压和深层探测交变脉冲发射线圈中的发射电流，并上传给位于数字信号处理单元B中的PID控制模块，PID控制模块先将采集的发射电压与发射电流与预设发射电压与发射电流值进行比较得到偏差值，经过PID控制模块调节输出SPWM波形的脉冲宽度，来对发射交变电流波形进行实时调节。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，浅层探测发射单元通过预极化梯度场生成装置提供可变的预极化梯度场，通过对大功率可控直流电源进行控制利用预极化发射电路在浅层探测预极化电流发射线圈上产生可变的预极化梯度场，以及利用交变激发脉冲生成装置在浅层探测交变脉冲发射线圈产生交变脉冲，利用数字信号处理单元A生成浅层探测所需的交变数字信号，其中，所述预极化梯度场生成装置包括：预极化场发射时序控制模块、预极化场发射驱动电路、预极化场发射大功率开关模块、预极化场发射控制电路、预极化梯度场强度控制模块、大功率可控直流电源以及浅层探测预极化电流发射线圈，上位机与主控单元为预极化场发射时序控制模块配置发射参数，预极化场发射时序控制模块产生预极化发射时序控制信号，经预极化场发射驱动电路进行功率放大后控制预极化场发射大功率开关模块的开通与关闭，并通过预极化场发射控制电路在浅层探测预极化电流发射线圈上生成预极化发射电流；同时预极化梯度场强度控制模块根据浅层探测区域的不同探测深度实时调整控制大功率可控直流电源为预极化场发射控制电路提供所需的预极化场发射能量；预极化场发射结束，经过绝热关断后发射交变激发脉冲对浅层探测区域地下水进行激发。

3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，浅层探测发射单元中交变激发脉冲生成装置包括：交变脉冲参数计算模块、交变脉冲生成模块、交变脉冲数模转换模块、交变脉冲功率放大模块以及浅层探测交变脉冲发射线圈；其中交变脉冲参数计算模块和交变脉冲生成模块位于数字信号处理单元A中，负责响应上位机与主控单元配置的交变脉冲发射参数，交变脉冲参数计算模块计算发射正弦信号的频率与相位，然后交变脉冲生成模块生成相应频率与相位的固定幅值正弦数字信号，交变脉冲数模转换模块将所生成的数字信号转换为模拟的正弦信号；根据浅层探测区域中探测深度的不同，交变脉冲功率放大模块将模拟的正弦信号放大为所需探测深度的激发信号，并在浅层探测交变脉冲发射线圈上产生高精度、小幅值的交变激发脉冲。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，核磁共振信号采集单元中包络信号采集的部分包括：核磁共振包络信号采集磁传感器、包络信号前置放大电路、包络信号AD采集电路、包络信号计算模块以及包络信号消噪模块；核磁共振包络信号采集磁传感器负责采集经过浅层探测发射单元或深层探测发射单元激发后的核磁共振信号，包络信号前置放大电路对所采集的信号进行放大处理，包络信号AD采集电路对放大后的信号进行包络采集；包络信号计算模块和包络信号消噪模块位于数字信号处理单元C中，包络信号计算模块计算所采集的包络信号，再经包络信号消噪模块依次滤除尖峰脉冲噪声、工频谐波噪声和随机噪声；数字信号处理单元C将经过消噪后的包络信号实时上传至上位机进行时频域显示。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，核磁共振信号采集单元中全波信号采集部分包括：核磁共振全波信号采集磁传感器、全波信号前置放大电路、全波信号带通滤波电路、全波信号二级放大电路以及核磁共振全波信号AD采集模块；核磁共振全波信号磁传感器负责采集经过浅层探测发射单元或深层探测发射单元激发后的核磁共振信号，全波信号前置放大电路对所采集的信号进行放大，将放大后的信号利用全波信号带通滤波电路进行模拟滤波，经过全波信号二级放大电路放大后，使用核磁共振全波信号AD采集模块进行全波采集；将采集后的全波信号上传至上位机进行实时存储。

6.一种采用权利要求1~5任意一项装置实现的核磁共振地下水分层探测方法，其特征在于，该方法包括：

判断探测深度，根据探测深度选择浅层探测模式、深层探测模式或全深度探测模式;

若为全深度探测模式，包括如下步骤：

通过上位机向主控单元配置全深度探测模式发射与接收参数；

主控单元分别向浅层探测发射单元、深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数，其中浅层探测发射单元发射参数配置为地下0米至10米探测深度，深层探测发射单元配置为地下10米至所需探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层与深层联合探测模式；

由浅层探测区域到深层探测区域进行分层探测，在浅层探测区域中，先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

浅层探测区域探测完毕后进行深层探测区域探测，先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

若进行地下浅层探测模式，包括如下的步骤：

通过上位机向主控单元配置浅层探测模式发射与接收参数，主控单元再向浅层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数；

根据实际探测需求，浅层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为浅层探测接收模式；

在浅层探测区域内进行分层探测；

先进行浅层预极化梯度场的发射，经过绝热关断之后进行浅层交变脉冲的发射，交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集；

若进行地下深层探测模式，包括如下步骤：

通过上位机向主控单元配置深层探测模式发射与接收参数，主控单元再向深层探测发射单元和核磁共振信号采集单元配置相应参数；

根据实际探测需求，深层探测发射单元发射参数配置为相应分层探测深度，核磁共振信号采集单元接收参数配置为深层探测接收模式；

在深层探测区域内进行分层探测；

先发射深层探测SPWM交变脉冲，深层探测SPWM交变脉冲发射完毕后进行核磁共振信号采集。

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