一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术为隧道、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。

A Groundwater Directional Detection System of Nuclear Magnetic Resonance Based on Phased Array

The utility model provides a nuclear magnetic resonance groundwater directional detection system based on a phased array, which includes a computer, a control unit, a transmitting system and a receiving system. The transmitting system consists of N phase shifters, n transmitters and N transmitting coils. The receiving system consists of N receivers and N receiving coils. The system also includes n transmitting/receiving switching controllers, and divides them into two parts. Do not connect with transmitter and receiver to switch the transmit/receive status of the detection system, where n is an integer greater than 1. The utility model provides an effective method for groundwater detection of tunnels, front water bodies, steep inclined geological bodies, realizes groundwater detection in specific directions and distances, and also improves groundwater detection depth. By measuring, more comprehensive groundwater distribution information can be obtained, and the detection efficiency, accuracy and resolution of groundwater detection can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于相控阵的核磁共振地下水定向探测系统
本专利技术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。
技术介绍
核磁共振地下水探测方法(MagneticResonanceSounding,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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：本专利技术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为本专利技术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为本专利技术一示例性实施例示出的接收机的结构示意图；图3为本专利技术一示例性实施例示出的控制单元的结构示意图；图4为本专利技术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
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为本专利技术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，磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚新磊，刘宇，侯佳伟，刘婷婷，宋欣桦，于悦，王晓光，赵义平，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22