CN208689182U - 一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统，包括计算机、控制单元、发射系统及接收系统，所述发射系统由n个移相器、n个发射机和n个发射线圈构成；所述接收系统由n个接收机和n个接收线圈构成；所述系统还包括n个发射/接收切换控制器，分别与发射机和接收机连接，用于切换探测系统的发射/接收状态；其中，n为大于1的整数。本实用新型为隧道、前方水体、陡倾斜等地质体的地下水探测提供了一种有效方法，实现了特定方向和特定距离的地下水探测，此外还能提高地下水探测深度。通过测量能够获取更全面的地下水分布信息，提高了探测效率、精度和地下水探测分辨率。

Description

一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探设备，尤其是一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统。

背景技术

核磁共振地下水探测方法(Magnetic Resonance Sounding,简称MRS方法) 是目前唯一的非侵入式直接进行地下水探测的方法，在地下水探测工程中有着举足轻重的位置。在MRS探水仪器中，发射系统决定着仪器的探测深度、效率及准确性等诸多关键因素，是仪器的“心脏”，掌握着探测工作的“命脉”。

目前现有技术中，通过生成核磁共振测量需要的脉冲或者脉冲序列，向发射线圈供电以在发射线圈中生成信号电流，根据脉冲或者脉冲序列改变发射线圈与供电信号电源间的通路，以改变信号电流的流向，从而在发射线圈中生成核磁共振信号；或者，通过将期望输出参数值输入发射机上位机平台，由CPLD模块根据上位机指令输出指令电流，再由滞环反馈电路实时处理指令信号与发射信号，将反馈信号转换为发射电路桥臂中开关器件的驱动信号，使输出正弦电流实时跟随指令信号。

现有技术虽然可以判断出含水体的位置，规模及水量大小等，但不能使特定方向的激发脉冲能量普遍得到加强，因此不适于隧道、前方水体、陡倾斜地等质体的探测，更不能定向和定距离探测。

发明内容

本发明提供一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统，以解决现有技术不能定向和定距离核磁共振探测的问题。

本发明的第一个方面是提供一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统，铺设于地下水探测区域，其特征在于，包括计算机、控制单元、发射系统及接收系统，所述发射系统由n个移相器、n个发射机和n个发射线圈构成；所述接收系统由n个接收机和n个接收线圈构成；所述系统还包括n 个发射/接收切换控制器，分别与发射机和接收机连接，用于切换探测系统的发射/接收状态；其中，n为大于1的整数；其中，n个发射线圈及n个接收线圈等间距共线设置；

所述计算机，与所述控制单元连接，用于获取延时时间并传递给所述控制单元；所述计算机还用于根据发射电流和发射时间获取发射脉冲距；

所述控制单元，分别与各个电路模块及计算机连接，用于对系统各部分的参数进行设置及系统的协调控制；

所述移相器，分别与控制单元与发射机连接，用于根据延时时间对发射脉冲的相位进行调整，使得各脉冲矩信号同时到达目标地层；

所述发射机，分别与移相器与发射/接收切换控制器连接，用于提供向地下发射的大功率交变发射电流；

所述接收机，分别与控制单元与发射/接收切换控制器连接，用于对水中氢质子产生的核磁共振信号进行调理与采集；

所述发射线圈及接收线圈，根据系统工作状态选择与发射机或接收机连接；当系统置于发射状态时，所述发射线圈与发射机连接，用于产生大功率交变电流；当系统置于接收状态时，所述接收线圈与接收机连接，用于接收地下水中氢核由高能级跃迀至低能级产生的核磁共振响应信号。

进一步地，每个所述发射线圈和每个所述接收线圈为收发天线一体式结构，且n组发射线圈及接收线圈等间距共线设置。

进一步地，每个所述发射机均由配谐电容经发射桥路分别与大功率电源和发射控制连接构成；

所述发射控制由具有PWM输出功能的模块和相关逻辑电路组成，用于对大功率电源进行充电控制，使大功率电源为发射线圈提供大功率瞬时电流；所述发射控制还用于给驱动电路提供两路逻辑相反并具有预设死区时间的TTL电平的控制信号，驱动电路将该控制信号经过转换后驱动发射桥路；

所述发射桥路由两个桥臂构成，每个桥臂分别有两个大功率IGBT开关管，用来将大功率电源提供的直流电源逆变成交变电流；

所述配谐电容，与所述发射线圈组成谐振回路，所述发射桥路的两个桥臂输出端连接到谐振回路的两端。

进一步地，控制单元由接收控制器经通讯控制器与发射控制器连接构成；

所述发射控制器用于根据延时时间控制发射机进行脉冲发射；

所述通讯控制器与计算机连接，用于将控制信号传至发射机及接收机；

所述接收控制器用于控制接收线圈同步测量所述核磁共振响应信号，还用于选择接收线圈上传的数据。

进一步地，每个所述接收机均由通讯接口经同步控制器与继电器连接，所述接收线圈经继电器、谐振电路、放大电路和采集电路与通讯接口连接；其中，

所述通讯接口与控制单元、采集电路及同步控制器连接，用于传递控制采集命令；所述同步控制器用于控制继电器由断开状态变成闭合状态；

所述谐振电路，用于对经过继电器进入的核磁共振响应信号进行阻抗匹配，通过选择不同配谐电容达到最佳谐振点；

所述放大器，用于将经过谐振电路的核磁共振响应信号进行放大；

所述采集电路，用于根据核磁共振响应信号对采样率和采样精度的要求，选择高速高采样率的AD，对高速采集的数据进行缓冲存储，然后再将FIFO 中的数据存入采集电路中的存储器中。

本发明提供的基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统的技术效果是：

本发明基于相控阵布局地下水定向探测系统，通过将n个发射线圈和n 个接收线圈采取等间距共线设置，再根据地质体的产状，人工选择激发脉冲方向，利用控制单元和移相器控制各发射线圈的激励顺序和延时时间，使各发射线圈在某一方向上产生的激发脉冲始终同相，使得该方向上极化磁场信号得到最大程度的加强，提高了地下水定向探测的效果，尤其对解决隧道、前方水体、陡倾斜地质体等的勘探效果更好，根本性地解决了发射系统不能定向探测和不能探测倾角较大地质体等问题。

附图说明

图1为本发明一示例性实施例示出的基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统的结构框图；

图2为本发明一示例性实施例示出的接收机的结构示意图；

图3为本发明一示例性实施例示出的控制单元的结构示意图；

图4为本发明一示例性实施例示出的发射机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本发明一示例性实施例示出的基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统的结构框图。

如图1所示，本实施例提供的基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统，铺设于地下水探测区域，包括计算机、控制单元、发射系统及接收系统，所述发射系统由n个移相器、n个发射机和n个发射线圈构成；所述接收系统由n个接收机和n个接收线圈构成；所述系统还包括n个发射/接收切换控制器，分别与发射机和接收机连接，用于切换探测系统的发射/接收状态；其中，n为大于1的整数；

在一种具体实施方式中，每个所述发射线圈和每个所述接收线圈为收发天线一体式结构，且n组发射线圈及接收线圈等间距共线设置。

所述计算机，与所述控制单元连接，用于获取延时时间并传递给所述控制单元；所述计算机还用于根据获取发射脉冲矩，及根据当地地磁场的强度、发射线圈的电感特性，计算发射机中的配谐电容的大小，以及，用于根据发射电流和发射时间设置多个发射脉冲矩；

当然，所述计算机还用于人机交互界面、信号图形显示等功能。

具体的，所述计算机根据各发射线圈的间距、各发射线圈到目标地层的距离、合成波束方向、目标地层深度，获取各发射线圈的延时时间，具体获取过程将在下面文档中进行详细阐述。

具体的，计算发射机中的配谐电容的大小，可以通过磁力仪获得测区地磁场强度Bo，磁场强度Bo*常数0.04258转化成拉莫尔频率，并设置在计算机中，根据拉莫尔频率和发射线圈的电感特性，计算发射机中的配谐电容的大小。

进一步的，所述计算机根据发射电流和发射时间的乘积设置多个发射脉冲矩，其中，发射时间通常设置为40ms，发射电流越大，探测的越深；为实现对地下水由浅到深的分层探测，需要从大到小设置多个发射脉冲矩。

所述控制单元，分别与各个电路模块及计算机连接，用于对系统各部分的参数进行设置及系统的协调控制，例如控制接收线圈同步采集及上传核磁共振响应信号等。

所述移相器，分别与控制单元与发射机连接，用于根据延时时间对发射脉冲的相位进行调整，使得各脉冲矩信号同时到达目标地层；

所述发射机，分别与移相器与发射/接收切换控制器连接，用于提供向地下发射的大功率交变发射电流；

所述接收机，分别与控制单元与发射/接收切换控制器连接，用于对水中氢质子产生的核磁共振信号进行调理与采集；

所述发射线圈及接收线圈，根据系统工作状态选择与发射机或接收机连接；当系统置于发射状态时，所述发射线圈与发射机连接，用于产生大功率交变电流；当系统置于接收状态时，所述接收线圈与接收机连接，用于接收地下水中氢核由高能级跃迀至低能级产生的核磁共振响应信号。

需要说明的是，在满足信噪比要求的前提下，发射线圈的数量是可以不受限制的，因为，发射线圈间距不变时，增加发射线圈个数，主波束变窄，能量集中，信噪比高，探测深度增大，但增加可控发射线圈的数量，会使初期投入过大，因此，可以不必过分追求发射线圈的数量。

可选的，发射系统的线圈根据探测地形，可选择正方形或者长方形，并可尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度。

进一步地，如图2所示，每个所述接收机均由通讯接口经同步控制器与继电器连接，所述接收线圈经继电器、谐振电路、放大电路和采集电路与通讯接口连接；其中，

所述通讯接口与控制单元、采集电路及同步控制器连接，用于传递控制采集命令，构成了控制单元与接收机进行通讯的桥梁；

所述同步控制器用于根据控制采集指令控制继电器由断开状态变成闭合状态；

所述谐振电路，用于对经过继电器进入的核磁共振响应信号进行阻抗匹配，通过选择不同配谐电容达到最佳谐振点；

所述放大器，用于将经过谐振电路的核磁共振响应信号进行放大；

所述采集电路，用于根据核磁共振响应信号对采样率和采样精度的要求，选择高速高采样率的AD，用CPLD+FIFO的方式对高速采集的数据进行缓冲存储，然后再将FIFO中的数据存入采集电路中的存储器中。

进一步地，如图3所示，所述控制单元由接收控制器经通讯控制器与发射控制器连接构成；所述发射控制器用于根据延时时间控制发射机进行脉冲发射；所述通讯控制器与计算机连接，用于将控制信号传至发射机及接收机；所述接收控制器用于当发射线圈被发出停止发射命令后的预定死区时间后，控制接收线圈同步三分量测量所述核磁共振响应信号，还用于选择接收线圈上传的数据，传递给计算机进行数据处理和反演解释。

进一步地，如图4所示，每个所述发射机均由配谐电容经发射桥路分别与大功率电源和发射控制连接构成；

所述发射控制由具有PWM输出功能的模块和相关逻辑电路组成，用于对大功率电源进行充电控制，使大功率电源为发射线圈提供大功率瞬时电流；所述发射控制还用于给驱动电路提供两路逻辑相反并具有预设死区时间的 TTL电平的控制信号，驱动电路将该控制信号经过转换后驱动发射桥路；

所述发射桥路由两个桥臂构成，每个桥臂分别有两个大功率IGBT开关管，用来将大功率电源提供的直流电源逆变成交变电流；

所述配谐电容，与所述发射线圈组成谐振回路，所述发射桥路的两个桥臂输出端连接到谐振回路的两端，当控制单元给出发射命令时，谐振回路中将产生大功率交变电流。

本实施例的具体工作过程如下：

基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统的操作控制由计算机负责，计算机通过串口线或者网口线与控制单元连接，用来进行控制指令和采集数据的传输。控制单元和移相器是仪器的核心，负责协调相控阵式第一发射(接收)线圈至第N发射(接收)线圈的工作，控制产生相控阵线圈的大功率交变电流、定向磁场信号波束、采集同步和选择上传接收线圈的核磁共振响应信号。

每个发射机由发射控制、大功率电源、发射桥路和配谐电容构成。发射控制由具有PWM输出功能的模块和相关逻辑电路组成，主要完成对大功率电源的充电控制，发射桥路驱动信号的产生和发射线圈状态监控等。发射控制通过对大功率电源的电压进行检测，控制大功率电源中电容的充电，为发射线圈提供大功率瞬时电流。发射控制给驱动电路提供两路逻辑相反并具有 40ms死区时间的TTL电平的控制信号；驱动电路将该控制信号经过转换，驱动发射桥路；发射桥路由两个桥臂构成，每个桥臂分别有两个大功率IGBT 开关管，用来将大功率电源提供的直流电源逆变成交变电流。配谐电容和发射线圈组成谐振回路，发射桥路的两个桥臂输出端接到谐振回路的两端。当控制单元和移相器给出发射命令时，谐振回路中将产生大功率交变电流，定向激发地下水中的氢核，使之跃迁至高能级。

总的来说，控制单元和移相器通过控制各发射线圈的发射时间使得各磁场信号波束同时到达目标地层。若相邻发射线圈按照移动时间τ_s被控制单元激励，则各发射线圈产生的激发脉冲将相应的延迟τ_s，根据波合成理论可知，相邻两发射线圈的发射偏转延迟为(公式1)，其中，d为任意相邻两个发射线圈的中心间距，v为磁场波束所在介质的波速，θ为合成波束方向。第1发射线圈至第n发射线圈依次延时t_k(k＝l，2,...n)，t_k为第k个发射线圈的激发时间，即延时时间；由公式1可得，(k-1)dsinθ＝v·t_k(公式2)。如图1所示，(公式3)，因此，可以得到合成波束方向其中，x为第1发射线圈中心到目标地层的水平距离，h为目标地层深度。由公式1、2、3即可计算出延时时间t_k，其中，k＝1，2，...n。

通过改变发射偏转延迟τ_s可以形成定向激发脉冲，激发脉冲方向在地下 180°范围内可任意改变，进而实现对地下目标位置的全方位扫描。因此在隧道、前方水体、陡倾斜等地层探测时，通过改变磁场方向，可以使得接收线圈接收信号效果最好，从而得到高质量的核磁共振响应信号。

当控制单元向发射线圈发出停止命令后，发射线圈经过40ms死区时间将剩余能量释放完毕，控制单元向接收线圈发出开始采集命令。当接收线圈中的通讯接口接到开始采集命令时，同步控制器控制继电器由断开状态变成闭合状态。此时，感应线圈接收到地下水中氢核由高能级跃迀至低能级产生的弛豫信号，又称核磁共振响应信号。核磁共振响应信号经继电器进入谐振电路进行阻抗匹配，通过选择不同配谐电容达到最佳谐振点，再经过放大器，进入采集电路。放大器由前置放大器、LC选频放大器、工频陷波器和后级放大器组成。采集电路根据核磁共振响应信号对采样率和采样精度的要求，选择高速高采样率的AD，用CPLD+FIFO的方式对高速采集的数据进行缓冲存储，然后再将FIFO中的数据存入采集电路中的存储器中。控制单元选择接收线圈上传存储器中的数据，最后汇总到计算机中进行数据处理和反演解释。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统，铺设于地下水探测区域，其特征在于，包括计算机、控制单元、发射系统及接收系统，所述发射系统由n个移相器、n个发射机和n个发射线圈构成；所述接收系统由n个接收机和n个接收线圈构成；所述系统还包括n个发射/接收切换控制器，分别与发射机和接收机连接，用于切换探测系统的发射/接收状态；其中，n为大于1的整数；其中，n个发射线圈及n个接收线圈等间距共线设置；

所述计算机，与所述控制单元连接，用于获取延时时间并传递给所述控制单元；所述计算机还用于根据发射电流和发射时间设置发射脉冲距；

所述控制单元，分别与各个电路模块及计算机连接，用于对系统各部分的参数进行设置及系统的协调控制；

所述移相器，分别与控制单元与发射机连接，用于根据延时时间对发射脉冲的相位进行调整，使得各脉冲矩信号同时到达目标地层；

所述发射机，分别与移相器与发射/接收切换控制器连接，用于提供向地下发射的大功率交变发射电流；

所述接收机，分别与控制单元与发射/接收切换控制器连接，用于对水中氢质子产生的核磁共振信号进行调理与采集；

所述发射线圈及接收线圈，根据系统工作状态选择与发射机或接收机连接；当系统置于发射状态时，所述发射线圈与发射机连接，用于产生大功率交变电流；当系统置于接收状态时，所述接收线圈与接收机连接，用于接收地下水中氢核由高能级跃迀至低能级产生的核磁共振响应信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述发射线圈和每个所述接收线圈为收发天线一体式结构，且n组发射线圈及接收线圈等间距共线设置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述发射机均由配谐电容经发射桥路分别与大功率电源和发射控制连接构成；

所述发射控制由具有PWM输出功能的模块和相关逻辑电路组成，用于对大功率电源进行充电控制，使大功率电源为发射线圈提供大功率瞬时电流；所述发射控制还用于给驱动电路提供两路逻辑相反并具有预设死区时间的TTL电平的控制信号，驱动电路将该控制信号经过转换后驱动发射桥路；

所述发射桥路由两个桥臂构成，每个桥臂分别有两个大功率IGBT开关管，用来将大功率电源提供的直流电源逆变成交变电流；

所述配谐电容，与所述发射线圈组成谐振回路，所述发射桥路的两个桥臂输出端连接到谐振回路的两端。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，控制单元由接收控制器经通讯控制器与发射控制器连接构成；

所述发射控制器用于根据延时时间控制发射机进行脉冲发射；

所述通讯控制器与计算机连接，用于将控制信号传至发射机及接收机；

所述接收控制器用于控制接收线圈同步测量所述核磁共振响应信号，还用于选择接收线圈上传的数据。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述接收机均由通讯接口经同步控制器与继电器连接，所述接收线圈经继电器、谐振电路、放大电路和采集电路与通讯接口连接；其中，

所述通讯接口与控制单元、采集电路及同步控制器连接，用于传递控制采集命令；所述同步控制器用于控制继电器由断开状态变成闭合状态；

所述谐振电路，用于对经过继电器进入的核磁共振响应信号进行阻抗匹配，通过选择不同配谐电容达到最佳谐振点；

所述放大电路，用于将经过谐振电路的核磁共振响应信号进行放大；

所述采集电路，用于根据核磁共振响应信号对采样率和采样精度的要求，选择高速高采样率的AD，对高速采集的数据进行缓冲存储，然后再将FIFO中的数据存入采集电路中的存储器中。