CN203204140U - 核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块。是在原有MRS找水仪探测系统接收线圈和主放大器之间加入的，经端口保护电路由配谐电容、阻抗匹配电路和前置放大器连接构成。通过对MRS找水仪接收前端的信号调理，建立了接收回路的谐振等效模型，分析了接收线圈电感、电阻和阻抗匹配电路的输入阻抗对品质因数Q的影响，并给出了仿真和测试结果，最终在保证接收回路品质因数Q的前提下，给出了π型匹配电路的最佳参数，使得前端接收信号能够最大功率的传输给后级放大电路，提高了前端接收线圈的品质因数Q，提高了信号检测电路对核磁信号的采集精度。

Description

核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块

技术领域：

本实用新型涉及一种信号调理模块，尤其是基于多匝线圈的地面核磁共振找水仪接收前端的信号调理。 

背景技术：

近年来，随着MRS技术在我国的广泛应用，利用核磁共振测深技术探测地下水的不足也体现出来。 

对于传统的MRS找水仪采用的是单匝方形线圈作为发射和接收线圈。仪器系统的有效探测深度和线圈边长近似相等，而核磁共振找水仪接收到的信号十分微弱，只有几十纳伏到几千纳伏，故利用传统的单匝线圈作为收发线圈的MRS仪器系统很难突破探测深度的极限，需要新的技术来完善。 

对于利用单匝线圈找水探测时，收发采用4×100米的方形线圈，不仅在铺设时需要有较高的要求，而且需要10000平方米地势较好的平坦地面，我国幅员辽阔，地形复杂多样，这样，在一些地区崎岖不平，不易进行地下水探测。另外，对于一些矿产隧道突水的探测，需要较小的线圈探测，因此需要突破线圈边长的限制。 

对于传统的MRS方法探测难度大，找水的横向和深度分辨率不高，施工的效率较低。 

所以，在单匝线圈MRS探测的基础上，提出了通过增加线圈匝数的方法来增加MRS找水仪的探测深度，从而保证在一定探测深度的前提下，提高了仪器的探测空间分辨率和野外施工效率，同时也降低了探测系统对地形的依赖程度，但是利用多匝线圈作为接收线圈与前置放大器之间存在严重的阻抗不匹配问题，使得接收到的微弱信号不能最大功率的传输到后级电路。 

发明内容：

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种让核磁共振找水仪的多匝接收线圈与前置放大电路之间的连接实现匹配，从而使得接收到的微弱信号以最大功率传输到后级的核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的： 

核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，由发射部分1依次连接接收线圈2、信号调理模块、主放大器7、MRS信号检测8和PC机9组成，信号调理模块是由端口保护电路3经配谐电容4和阻抗匹配电路5与前置放大器6连接构成。 

阻抗匹配电路5是由第一电抗匹配元件21的一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与第二电抗匹配元件22的连线上，第一电抗匹配元件21的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗(24)的连线上，第三电抗匹配元件23的一端连接到第二电抗匹配元件22与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，构成π型匹配网络。 

核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，是由端口保护电路3经配谐电容4和阻抗匹配电路5与前置放大器6连接构成。 

所述的阻抗匹配电路5是由第一电抗匹配元件21的一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与第二电抗匹配元件22的连线上，第一电抗匹配元件21的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的一端连接到第二电抗匹配元件22与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，构成π型匹配网络。 

实现该设计的主要步骤：首先，对MRS仪器的接收线圈进行阻抗特性分析，建立并简化出线圈的阻抗模型；然后根据串联谐振的原理计算出MRS信号接收回路的配谐电容；之后根据线圈的阻抗特性和配谐电容的容值，计算出接收回路的输出阻抗；最后通过π型匹配电路的参数计算公式，求出匹配电路中各元件的参数，并根据计算得到的参数，分析接收回路的品质因数Q，最后进行仿真验证。 

对多匝线圈的特性进行分析得知，当多匝线圈长度在200m-2000m之间，线圈的电阻变化范围为0.5Ω-10Ω，电感为100μH-300mH之间。由于找水区域地形复杂导致接收线圈铺设类型多变，为满足匹配电路参数的灵活调节，并能在1kHz～3kHz之间实现电路的阻抗匹配，选用了π型匹配电路，该电路的参数通过镜像参数的方法计算得到。 

有益效果：通过对MRS找水仪接收前端的信号调理，建立了接收回路的谐振等效模型，分析了接收线圈电感、电阻和阻抗匹配电路的输入阻抗对品质因数Q的影响，并给出了仿真和测试结果，最终在保证接收回路品质因数Q的前提下，给出了阻抗匹配电路的最佳参数，使得前端接收信号能够最大功率的传输给后级放大电路，提高了前端接收线圈的品质因数Q，同时提高了后级电路对核磁信号的采集精度。 

附图说明：

图1核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块结构框图。 

图2为附图1中阻抗匹配电路5的设计流程图。 

图3为附图1中阻抗匹配电路5的网络结构图。 

1发射部分，2接收线圈，3端口保护电路，4配谐电容，5阻抗匹配电路，6前置放大器，7主放大器，8MRS信号检测，9PC机，10阻抗匹配电路，11多匝线圈阻抗特性研究，12配谐电容计算，13线圈输出阻抗的计算，14前置放大器研究，15前置放大器的输入阻抗，16匹配网络研究，17匹配网路的选择，18π型匹配网络的参数计算，19匹配网路的验证、仿真；20前端谐振回路等效输出阻抗，21第一电抗匹配元件，22第二电抗匹配元件，23第三电抗匹配元件，24放大器等效输入阻抗。 

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步的详细说明： 

核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，由发射部分1依次连接接收线圈2、信号调理模块、主放大器7、MRS信号检测8和PC机9组成，信号调理模块是由端口保护电路3经配谐电容4和阻抗匹配电路5与前置放大器6连接构成。 

阻抗匹配电路5是由第一电抗匹配元件21的一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与第二电抗匹配元件22的连线上，第一电抗匹配元件21的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗(24)的连线上，第三电抗匹配元件23的一端连接到第二电抗匹配元件22与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，构成π型匹配网络。 

核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，是由端口保护电路3经配谐电容4和阻抗匹配电路5与前置放大器6连接构成。 

所述的阻抗匹配电路5是由第一电抗匹配元件21的一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与第二电抗匹配元件22的连线上，第一电抗匹配元件21的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的一端连接到第二电抗匹配元件22与放大器等效输入阻抗24的连线上，第三电抗匹配元件23的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗20与放大器等效输入阻抗24的连线上，构成π型匹配网络。 

如图1所示：核磁共振找水探测仪主要由发射系统和接收系统两部分构成，发射部分1主要是向地下发射电流产生激发磁场，激发地下水中氢质子，使之产生核磁共振现象；接收系统包括：接收线圈2、端口保护电路3、配谐电容4、阻抗匹配电路5、前置放大器6、主放大器7和MRS信号检测8。待发射完毕后，接收线圈2接收到的MRS信号通过端口保护电路3输入到配谐电容4，配谐电容4与接收线圈2组成LC谐振回路，实现对MRS信号的选频。 

本实用新型目的是根据不同的接收线圈参数，为核磁共振接收系统的接收线 圈2与前置放大器6之间提供合理的阻抗匹配电路5，使得经过匹配之后的MRS信号从接收线圈2最大功率的传输到前置放大器6，阻抗匹配电路5由电感、电容元件组成，经过匹配电路之后的信号传输到主放大器7，通过主放大器7将信号调理至MRS信号检测器8的输入范围内，MRS信号检测器将信号采集后，通过通讯总线传至PC机9，对信号进行进一步软件滤波及反演处理等，最终获取地下水信息。 

如图3所示阻抗匹配网络结构图，该电路的输入端为MRS地面探测系统接收前端谐振回路等效输出阻抗20，输出端为前置放大器INA163的等效输入阻抗24。 

对于该匹配网络，当前端谐振回路等效输出阻抗Z₁和放大器等效输入阻抗Z₂以及传播系数thγ一定时，通过公式1-3即可得到匹配网络的各电路参数。 

$Z_a=\frac{Z_1}{\mathrm{cth\γ}-\frac{\sqrt{Z_1}}{\sqrt{Z_2}}\frac{1}{\mathrm{sh\γ}}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·1$

$Z_b=\sqrt{Z_1{Z}_2}\mathrm{sh\γ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·2$

$Z_c=\frac{Z_2}{\mathrm{cth\γ}-\frac{\sqrt{Z_2}}{\sqrt{Z_1}}\frac{1}{\mathrm{sh\γ}}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·3$

其中： 

Za，Zb，Zc分别为三个电抗匹配元件的复阻抗参数； 

对于多匝线圈的MRS探测系统，线圈的电阻、电感以及测点的拉莫尔频率有很多不同的值，使得建立接收线圈输出阻抗也不一样，为进行野外实验的方便，建立了LCR串联谐振等效模型并得知接收前端谐振回路的等效输出阻抗20从二十几欧姆到两千多欧姆之间变化，而放大器等效输入阻抗24通过查阅芯片资料得到。 

如图3所示，本阻抗匹配电路是由第一电抗匹配元件21、第二电抗匹配元件22和第三电抗匹配元件23三个电抗元件组成。它们的联接形式有L型、T型和π型等多种形式，考虑到MRS探测系统找水地点的地形复杂多变和线圈铺设类型多样化等原因，要求阻抗匹配电路可以灵活调节，但L型电路形式调节范围小，所以本实用新型将三种电抗元件的联接形式选取为T型或π型，T型或π 型这两种电路形式是同类型电路，可以相互转换，于是本实用新型将三个电抗元件分别接在每两个端钮之间，使三个元件本身构成一个回路，即π型联接的电路拓扑结构。第一电抗匹配元件21和第二电抗匹配元件22是同性质的，第三电抗匹配元件23是异性的，也就是说，三个元件的电抗性质可以是两个电感和一个电容，也可以是两个电容和一个电感，根据MRS找水仪接收线圈参数和配谐电容参数合理选取。 

本实用新型的设计流程如图2所示： 

首先，进行多匝接收线圈特性阻抗的研究。MRS找水仪接收线圈的阻抗模型可等效为电阻R和电感L串联的形式，线圈电阻R可以由公式R=ρl/S得到，当选定接收线圈的材质时，导线材料的电阻率ρ和导线材料的横截面积S就确定了线圈电阻R和导线长度l成线性正比关系；对于线圈电感L，分为自电感和互电感，总的电感可以由公式L=L₁+···+L_n+L_1,2+···+L_1,n+···L_n-1,n通过MTALAB编程计算得到。求得接收线圈的简化模型和阻抗特性参数之后，需要进行接收线圈配谐电容的计算，配谐电容C和信号接收线圈组成谐振接收回路，当已知测区的拉莫尔频率f的情况下，依据

即可计算出配谐电容的容值。这样，接收线圈的输出阻抗相对于π型匹配网络的输入阻抗就得到了。由于MRS找水仪前置放大器的性能关系着整个仪器的探测性能，这就需要对MRS找水仪的前置放大器进行研究。前置放大器的输入端是由接收线圈和配谐电容组成的谐振接收回路，放大器的输出端是带通滤波器。由于带通滤波器对于输入的最小信号有一定的限制，输入信号越大，滤波效果越好，所以前置放大器需要在不出现自激振荡的前提下，尽可能的放大信号，考虑到接收电路低噪声放大的要求，选用了INA163低噪声放大器，该放大器的输入阻抗很大，为MΩ级。这样，匹配网络的输入输出阻抗都确定了。 

然后，需要研究匹配网络。在信号传输过程中，要求信号无反射和最大功率传输，通常情况下，使用电容和电感可以实现电路的阻抗匹配。在较低频段下实现电路阻抗匹配的方法有：变压器、L型、T型和π型电路结构。变压器设计的匹配电路，体积较大，不易定量调节，L型匹配电路形式简单，但调节范围较小，不能适应多匝线圈参数的多变性，T型和π型匹配电路可以进行电路品质因数Q的调节，灵活性更高，且两者属于同一类型的电路，可以相互转化，所以在匹配网络的选择上，选取π型匹配电路。 

之后，进行π型匹配网络的参数计算。π型匹配电路是由三电抗元件组成的，其中的两个电抗元件是同性质的，另一个电抗元件是异性的。我们可以利用镜像参数的方法来计算阻抗匹配网络中的各个元件参数，通过利用开路阻抗和短路阻抗为阻抗匹配电路的参数来计算π型无源网络。 

最后，通过对匹配网络的验证、仿真，并计算谐振接收回路的品质因数Q和传递函数G，然后在Multisim软件中画出整个简化的电路图进行仿真，将仿真得到的品质因数Q和计算的品质因数进行比较，将加入匹配电路与未加入匹配电路的输入输出电压波形进行比较。通过对比验证发现，本匹配电路的加入，使得在保证接收线圈谐振回路的品质因数Q的前提下，实现了多匝接收线圈与前置放大器的良好匹配，提高了前端接收线圈的品质因数Q，最终提高了后级电路对核磁信号的采集精度。 

Claims (2)

1.一种核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，由发射部分(1)依次连接接收线圈(2)、信号调理模块、主放大器(7)、MRS信号检测(8)和PC机(9)组成，其特征在于，信号调理模块是由端口保护电路(3)经配谐电容(4)和阻抗匹配电路(5)与前置放大器(6)连接构成。 

2.按照权利要求1所述的核磁共振找水仪接收系统前端信号调理模块，其特征在于，阻抗匹配电路(5)是由第一电抗匹配元件(21)的一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗(20)与第二电抗匹配元件(22)的连线上，第一电抗匹配元件(21)的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗(20)与放大器等效输入阻抗(24)的连线上，第三电抗匹配元件(23)的一端连接到第二电抗匹配元件(22)与放大器等效输入阻抗(24)的连线上，第三电抗匹配元件(23)的另一端连接到前端谐振回路等效输出阻抗(20)与放大器等效输入阻抗(24)的连线上，构成π型匹配网络。 

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