四通道核磁共振信號全波採集系統及採集方法
2023-09-12 00:18:15
四通道核磁共振信號全波採集系統及採集方法
【專利摘要】本發明涉及一種四通道核磁共振信號全波採集系統及採集方法，是由計算機經控制器、高速數字I/O卡和控制器與電源管理模塊連接，控制器經採集卡分別連接寬帶放大器，計算機經控制器與GPS模塊連接構成。前置放大器有效的抵制了放大器飽和，用Q_SWITCH縮短死區時間，提高信噪比，提高了同步精度，防止誤觸發，噪聲信號用電流進行遠傳有效的抑制傳輸過程中的信號衰減，用自適應參考消噪算法對採集到的核磁共振信號進行數據處理，提高了儀器的抗幹擾能力，提高了儀器的動態範圍，使核磁共振方法在大噪聲區域的應用成為可能，有效提高對地下水體分布測量的橫向解析度和準確性。多通道測量提高工作效率，對地下水體的精確定位。
【專利說明】四通道核磁共振信號全波採集系統及採集方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種地球物理勘探設備及方法，尤其是通過設定不同的放大倍數有效的抑制放大器飽和，通過鋪設參考線圈實現自適應參考消噪的地球物理勘探設備及方法。
【背景技術】:
[0002]核磁共振探測方法是目前唯一的地下水直接探測方法，對於滑坡，堤壩滲水能夠進行有效地探測，對於乾旱地區的找水工作提供了直接有效的探測方法，通過分析採集到的核磁共振信號可以反演出豐富的地下水信息，但是核磁共振信號非常微弱，容易受到環境中各種噪聲的幹擾，容易造成放大器的飽和，從而使採集到的信號失真；而且，傳統的單通道的核磁共振信號採集系統，並不能精確的解釋地下水分布狀況，並且對於大面積的測量，工作效率較低。
[0003]CN102096112公開了一種基於陣列線圈的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法，由計算機通過串口線或網口線經控制單元、發射線圈與接收線圈連接構成，接收線圈是由25個接收單元連接構成陣列線圈，能夠實現二維和三維的地下水成像。CN103033849A公開了一種帶有參考線圈的多通道核磁共振地下水探測儀及其野外工作方法，通過接收線圈的位置不同，來接收信號和環境噪聲，通過自適應消噪的方法，來提高核磁共振信號的信噪比。
[0004]CN102053280A公開了一種帶有參考線圈的核磁共振地下水探測系統及探測方法，通過分析計算參考線圈採集的噪聲信號與核磁共振信號的最大相關性，實現參考線圈最佳位置和數量的布設，採用變步長自適應算法，實現在強幹擾環境下的信號的提取。上述方法都能夠進行核磁共振的二維和三維測量，但是環境噪聲很大時，放大器容易飽和；由於參考線圈和接收機的距離較遠，模擬信號直接利用電壓模式進行遠距離傳輸時，會混入環境噪聲；發射機和接收機利用線同步，當發射大電流時，容易誤觸發；大範圍測量時，工作效率低下。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種能夠有效克制放大器飽和的四通道核磁共振信號全波採集系統；
[0006]本發明的另一目的是提供一種四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]四通道核磁共振信號全波採集系統，是由計算機I通過網口與控制器2連接，控制器2經高速數字I/O卡3和控制器5與電源管理模塊11連接，控制器2經24位同步採集卡4分別連接寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9和寬帶放大器10，控制器5和電源管理模塊11分別連接寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9和寬帶放大器10，電源管理模塊11與控制器2連接，計算機I經控制器5與GPS模塊6連結構成。
[0009]寬帶放大器是由控制器5分別連接高壓繼電器16、配諧電容17、Q_SWITCH模塊18和可調前置放大器19，高壓繼電器16經配諧電容17、Q_SWITCH模塊18和可調前置放大器19與寬帶濾波器20連接構成。
[0010]一種四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法，包括核磁共振測量模式和核磁共振參考線圈測量模式，包括以下步驟:
[0011]a、核磁共振測量模式:在測區內鋪設發射線圈23，在發射線圈內部鋪設第I接收線圈24、第2接收線圈25、第3接收線圈35和第4接收線圈36，計算機I經發射機21與發射線圈23連接，計算機I經四通道全波採集系統22置於第I接收線圈24、和第2接收線圈25、第3接收線圈35和第4接收線圈36的重疊的處，第I接收線圈24和第2接收線圈
25、第3接收線圈35和第4接收線圈36分別與四通道全波採集系統22連接；
[0012]b、核磁共振參考線圈測量模式，在測區內鋪設發射線圈23，在發射線圈內部鋪設第I接收線圈24、第2接收線圈25，計算機I經四通道全波採集系統22置於第I接收線圈24、和第2接收線圈25的重疊的處，第I接收線圈24和第2接收線圈25分別與四通道全波採集系統22連接；在發射線圈23外部沿著噪聲源的方向鋪設第I參考線圈26和第2參考線圈27，第I參考線圈26經寬帶放大器32、電壓電流轉換裝置28和寬帶濾波器30與四通道全波採集系統22連接，第2參考線圈27經寬帶放大器33、電壓電流轉換裝置29和寬帶濾波器30與四通道全波採集系統22連接；
[0013]C、設置四通道全波採集系統22的放大倍數和配諧電容，設置寬帶放大器32和寬帶放大器33的配諧電容和放大倍數，設定採集時間和發射時間；
[0014]d、控制器5讀取GPS模塊6的時間信息，在發射機21的發射過程中，控制器5控制高壓繼電器16斷開，發射結束後，高壓繼電器16吸合，Q_SWITCH模塊18工作，四通道24位同步採集卡4開始採集，採集250ms後，控制器2將採集到的數據通過網線傳輸至計算機1，並在計算機I上顯示；
[0015]e、觀測接收到的信號是否飽和，如果信號飽和，改變放大器的放大倍數再次採集，直到選擇合適的放大倍數；
[0016]f、將採集到的核磁共振信號和噪聲信號數據進行自適應消噪處理，並最終通過核磁共振反演解釋，繪製出地下水體的二維分布圖。
[0017]步驟C、所述的四通道全波採集系統22的放大倍數為2000— 20000倍和配諧電容為0.1uF?20uF，設置寬帶放大器32和寬帶放大器33的配諧電容為0.1uF?20uF和放大倍數為2000— 20000倍，設定採集時間為250ms和發射時間為40ms。
[0018]有益效果:通過增益可調的前置放大器可以有效地抵制放大器的飽和，利用24位的採集卡能夠在相對較小的放大倍數的情況下採集到有用信號，利用Q_SWITCH技術能夠縮短死區時間，提高信噪比，利用GPS同步，提高了同步精度，防止誤觸發，噪聲信號利用電流進行遠傳可以有效的抑制傳輸過程中的信號衰減，帶屏蔽的雙絞線有效的抵制傳輸過程中環境中的噪聲幹擾，並且利用自適應參考消噪算法對採集到的核磁共振信號進行數據處理，提高了儀器的抗幹擾能力，提高了儀器的動態範圍，使核磁共振方法在大噪聲的區域的應用成為可能，有效提高對地下水體分布測量的橫向解析度和準確性，減少打幹井的風險。模擬信號通過轉化為電流使用帶屏蔽的雙絞線進行遠距離傳輸，採集後的數位訊號利用網線進行傳輸；通過多通道測量提高工作效率，提高地下水體測量的橫向解析度，以及對地下水體的精確定位。【專利附圖】
【附圖說明】:
[0019]圖1是四通道核磁共振接收機結構框圖。
[0020]圖2是核磁共振找水儀發射機結構框圖。
[0021]圖3是寬帶放大器結構框圖。
[0022]圖4是採集線圈的鋪設方式結構框圖。
圖5是帶參考的採集模式的鋪設方式結構框圖。
[0023]I計算機，2CompactR10控制器，3數字I/O卡，424位同步採集卡，5控制器，6GPS模塊，7寬帶放大器1，8寬帶放大器2，9寬帶放大器3，10寬帶放大器4，11電源管理模塊，12發射控制，13大功率電源，14發射橋路，15配諧電容，16高壓繼電器，17配諧電容，18Q_SWITCH電路，19可調前置放大器，20寬帶濾波器，21發射機，22四通道全波採集系統，23發射線圈，24第I接收線圈，25第2接收線圈，26第3接收線圈/第I參考線圈，27第4接收線圈/第2參考線圈，28電壓電流轉換裝置，29電壓電流轉換裝置，30寬帶濾波器，31寬帶濾波器，32寬帶放大器，33寬帶放大器，34GPS模塊，35第3接收線圈，36第4接收線圈。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明:
[0025]計算機I通過網口與CompactRIO控制器2連接，CompactRIO控制器2通過CompactRIO可重配置嵌入式機箱與高速數字I/O卡3和四通道24位同步採集卡4連接，計算機I通過RS485總線與控制器5連接，控制器5通過信號線與高速數字I/O卡連接，控制器5通過信號線與寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10通過同軸電纜線同四通道24位同步採集卡連接，GPS模塊6通過RS232總線與控制器5連接，電源管理模塊11通過電源線與CompactRIO控制器2、控制器5、寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，計算機I通過RS485總線與發射控制12連接，發射控制12通過電源線與大功率電源13連接，發射控制12通過RS232總線與GPS模塊34連接，發射控制12通過信號線與發射橋路14連接，大功率電源13通過電源線與發射橋路14連接，配諧電容15通過高壓導線與發射橋路14連接，發射橋路14通過導線與發射線圈23連接。
[0026]核磁共振接收線圈24與高壓繼電器16相連，高壓繼電器16與配諧電容17連接，配諧電容17與Q_SWITCH模塊18連接，Q_SWITCH模塊18與可調前置放大器19連接，可調前置放大器19與寬帶濾波器20連接，寬帶濾波器20與四通道同步24位採集卡4連接。
[0027]核磁共振測量模式時，計算機I與發射機21連接,發射機21與發射線圈23連接，計算機I與四通道全波採集系統22連接，四通道全波採集系統22與第I接收線圈24、第2接收線圈25、第3接收線圈35、第4接收線圈36連接。
[0028]核磁共振參考線圈測量模式時，計算機I與發射機21連接，發射機21與發射線圈23連接，計算機I與四通道全波採集系統22連接，第I參考線圈26與寬帶放大器32連接，寬帶放大器32與電壓電流轉換裝置28/連接，電壓電流轉換裝置28通過帶屏蔽的雙絞線與寬帶濾波器30連接，寬帶濾波器30與四通道全波採集系統22連接，第2參考線圈27與寬帶放大器33連接，寬帶放大器33與電壓電流轉換裝置29連接，電壓電流轉換裝置29通過帶屏蔽的雙絞線與寬帶濾波器31連接，寬帶濾波器31與四通道全波採集系統22連接，第I接收線圈24、第2接收線圈25與四通道全波採集系統22連接。
[0029]具體工作過程:
[0030]基於寬頻放大器的四通道全波採集系統的操作控制由計算機I負責，計算機I通過網口與CompactRIO控制器2連接，用來進行數據的傳輸。CompactRIO控制器2通過CompactRIO可重配置嵌入式機箱與高速數字I/O卡3和四通道24位同步採集卡4連接，用來接收同步信號和進行數據採集。計算機I通過RS485總線與控制器5連接，用來發送放大器配置和同步時間指令。控制器5通過信號線與高速數字I/O卡3連接，用來發送同步信號。控制器5通過信號線分別與寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，用來控制高壓繼電器的吸合，Q_SWITCH模塊，放大倍數和配諧電容，同步信號的輸出。發射機21通過採集GPS模塊34的時間信息來進行發射，計算機I通過RS485總線與發射機21連接，用來進行控制指令數據的傳輸和發射時間的設定。
[0031]發射機21由發射控制12、大功率電源13、發射橋路14和配諧電容15構成。發射控制12完成對大功率電源13的充電控制，產生PWM波來驅動發射橋路14，通過發射線圈23和配諧電容15進行諧振發射。發射控制12通過對大功率電源13的電壓檢測，控制大功率電源13中的電容充電，為發射線圈提供不同大小的發射電流。發射控制12產生兩路相反的PWM波來控制發射橋路14中的四個IGBT開關管，輸出拉莫爾頻率的交變信號。
[0032]當發射控制12發出發射命令時，發射線圈23和配諧電容構成的諧振迴路將產生大功率的交變電流，激發地下水中的氫核，使之躍遷至高能級。當發射控制12發出停止命令後，發射線圈23經過IOms死區時間將剩餘能量釋放完畢。
[0033]四通道同步採集系統22首先配置好放大倍數和配諧電容，設定採集時間，當到達採集時間後，吸合高壓繼電器16，設置Q_SWITCH模塊工作，四通道24位同步採集卡4開始採集，採集250ms後，將數據上傳至計算機1，高壓繼電器16斷開。最後將計算機I中的數據進行處理，反演解釋，繪製圖像。
[0034]實施例1
[0035]計算機I通過網口與CompactRIO控制器2連接，CompactRIO控制器2通過CompactRIO可重配置嵌入式機箱與高速數字I/O卡3和四通道24位同步採集卡4連接，計算機I通過RS485總線與控制器5連接，控制器5通過信號線與高速數字I/O卡連接，控制器5通過信號線與寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10通過同軸電纜線同四通道24位同步採集卡連接，GPS模塊6通過RS232總線與控制器5連接，電源管理模塊11通過電源線與CompactRIO控制器2、控制器5、寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，計算機I通過RS485總線與發射控制12連接，發射控制12通過電源線與大功率電源13連接，發射控制12通過RS232總線與GPS模塊34連接，發射控制12通過信號線與發射橋路14連接，大功率電源13通過電源線與發射橋路14連接，配諧電容15通過高壓導線與發射橋路14連接，發射橋路14通過導線與發射線圈23連接。
[0036]核磁共振接收線圈24與高壓繼電器16相連，高壓繼電器16與配諧電容17連接，配諧電容17與Q_SWITCH模塊18連接，Q_SWITCH模塊18與可調前置放大器19連接，可調前置放大器19與寬帶濾波器20連接，寬帶濾波器20與四通道同步24位採集卡4連接。[0037]四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法，包括以下步驟:
[0038]a、在測區範圍內鋪設發射線圈23，在發射線圈內部鋪設第I接收線圈24、第2接收線圈25、第3接收線圈35、第4接收線圈36，四通道全波採集系統22置於四個接收線圈的交點處；
[0039]b、設置四通道全波採集系統22的放大倍數和配諧電容，設置寬帶放大器32，、33的配諧電容為0.1uF?20uF和放大倍數為20000倍，設定採集時間為250ms，和發射時間為 40ms ；
[0040]C、發射控制12讀取GPS模塊34的時間信息，到達設定的發射時間時，發射控制12控制發射橋路14向發射線圈23中供入拉莫爾頻率的交變電流；發射控制12控制大功率電源13的電壓大小來改變發射脈衝矩,從而激發地下水體；
[0041]d、控制器5讀取GPS模塊6的時間信息，在發射機21的發射過程中，控制器5控制高壓繼電器16斷開，發射結束後，高壓繼電器16吸合，Q_SWITCH模塊18工作，四通道24位同步採集卡4開始採集，採集250ms後，CompactRIO控制器2將採集到的數據通過網線傳輸至計算機1，並在計算機I上顯示；
[0042]e、觀測接收到的信號是否飽和，如果信號飽和，依次減小放大器的放大倍數為10000倍，5000倍，2000倍，1000倍，再次採集，直到選擇合適的放大倍數；
[0043]f、將採集到的核磁共振信號數據進行核磁共振反演，繪製出地下水體的二維分布圖。
[0044]實施例2
[0045]計算機I通過網口與CompactRIO控制器2連接，CompactRIO控制器2通過CompactRIO可重配置嵌入式機箱與高速數字I/O卡3和四通道24位同步採集卡4連接，計算機I通過RS485總線與控制器5連接，控制器5通過信號線與高速數字I/O卡連接，控制器5通過信號線與寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10通過同軸電纜線同四通道24位同步採集卡連接，GPS模塊6通過RS232總線與控制器5連接，電源管理模塊11通過電源線與CompactRIO控制器2、控制器5、寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9、寬帶放大器10連接，計算機I通過RS485總線與發射控制12連接，發射控制12通過電源線與大功率電源13連接，發射控制12通過RS232總線與GPS模塊34連接，發射控制12通過信號線與發射橋路14連接，大功率電源13通過電源線與發射橋路14連接，配諧電容15通過高壓導線與發射橋路14連接，發射橋路14通過導線與發射線圈23連接。
[0046]核磁共振接收線圈24與高壓繼電器16相連，高壓繼電器16與配諧電容17連接，配諧電容17與Q_SWITCH模塊18連接，Q_SWITCH模塊18與可調前置放大器19連接，可調前置放大器19與寬帶濾波器20連接，寬帶濾波器20與四通道同步24位採集卡4連接。
[0047]四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法，包括以下步驟:
[0048]a、在測區圍內鋪設發射線圈23，在發射線圈內鋪設第I接收線圈24和第2接收線圈25，在發射線圈外部沿著噪聲源的方向鋪設第I參考線圈26和第2接收線圈27，使第I參考線圈26、第2接收線圈27儘可能的少接收到核磁共振信號，儘可能多的接收噪聲信號;第I參考線圈26、第2參考線圈27分別連接寬帶放大器32、寬帶放大器33，寬帶放大器32、寬帶放大器33的輸出分別接電壓電流轉換裝置28、電壓電流轉換裝置29，四通道全波採集系統22置於兩個接收線圈24，接收線圈25的重疊處；
[0049]b、設置四通道全波採集系統22的放大倍數和配諧電容，設置寬帶放大器32，、33的配諧電容為0.1uF?20uF和放大倍數為20000倍，設定採集時間為250ms，和發射時間為 40ms ；
[0050]C、發射控制12讀取GPS模塊34的時間信息，到達設定的發射時間時，發射控制12控制發射橋路14向發射線圈23中供入拉莫爾頻率的交變電流；發射控制12控制大功率電源13的電壓大小來改變發射脈衝矩,從而激發地下水體；
[0051]d、控制器5讀取GPS模塊6的時間信息，在發射機21的發射過程中，控制器5控制高壓繼電器16斷開，發射結束後，高壓繼電器16吸合，Q_SWITCH模塊工作，四通道24位同步採集卡4開始採集，採集250ms後，CompactRIO控制器2將採集到的數據通過網線傳輸至計算機1，並在計算機I上顯示；
[0052]e、觀測接收到的信號是否飽和，如果信號飽和，依次減小放大器的放大倍數為10000倍，5000倍，2000倍，1000倍，再次採集，直到選擇合適的放大倍數；
[0053]f、將採集到的核磁共振信號數據進行核磁共振反演，繪製出地下水體的二維分布圖。
【權利要求】
1.一種四通道核磁共振信號全波採集系統，其特徵在於，是由計算機I通過網口與控制器2連接，控制器2經高速數字I/O卡3和控制器5與電源管理模塊11連接，控制器2經24位同步採集卡4分別連接寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9和寬帶放大器10，控制器5和電源管理模塊11分別連接寬帶放大器7、寬帶放大器8、寬帶放大器9和寬帶放大器10，電源管理模塊11與控制器2連接，計算機I經控制器5與GPS模塊6連結構成。
2.按照權利要求1所述的四通道核磁共振信號全波採集系統，其特徵在於，寬帶放大器是由控制器5分別連接高壓繼電器16、配諧電容17、Q_SWITCH模塊18和可調前置放大器19，高壓繼電器16經配諧電容17、Q_SWITCH模塊18和可調前置放大器19與寬帶濾波器20連接構成。
3.—種四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法，其特徵在於，包括核磁共振測量模式和核磁共振參考線圈測量模式，包括以下步驟: a、核磁共振測量模式:在測區內鋪設發射線圈23，在發射線圈內部鋪設第I接收線圈24、第2接收線圈25、第3接收線圈35和第4接收線圈36，計算機I經發射機21與發射線圈23連接，計算機I經四通道全波採集系統22置於第I接收線圈24、和第2接收線圈25、第3接收線圈35和第4接收線圈36的重疊的處，第I接收線圈24和第2接收線圈25、第3接收線圈35和第4接收線圈36分別與四通道全波採集系統22連接； b、核磁共振參考線圈測量模式，在測區內鋪設發射線圈23，在發射線圈內部鋪設第I接收線圈24、第2接收線圈25，計算機I經四通道全波採集系統22置於第I接收線圈24、和第2接收線圈25的重疊的處，第I接收線圈24和第2接收線圈25分別與四通道全波採集系統22連接；在發射線圈23外部沿著噪聲源的方向鋪設第I參考線圈26和第2參考線圈27，第I參考線圈26經寬帶放大器32、電壓電流轉換裝置28和寬帶濾波器30與四通道全波採集系統22連接，第2參考線圈27經寬帶放大器33、電壓電流轉換裝置29和寬帶濾波器30與四通道全波採集系統22連接； C、設置四通道全波採集系統22的放大倍數和配諧電容，設置寬帶放大器32和寬帶放大器33的配諧電容和放大倍數，設定採集時間和發射時間； d、控制器5讀取GPS模塊6的時間信息，在發射機21的發射過程中，控制器5控制高壓繼電器16斷開，發射結束後，高壓繼電器16吸合，Q_SWITCH模塊18工作，四通道24位同步採集卡4開始採集，採集250ms後，控制器2將採集到的數據通過網線傳輸至計算機1，並在計算機I上顯示； e、觀測接收到的信號是否飽和，如果信號飽和，改變放大器的放大倍數再次採集，直到選擇合適的放大倍數； f、將採集到的核磁共振信號和噪聲信號數據進行自適應消噪處理，並最終通過核磁共振反演解釋，繪製出地下水體的二維分布圖。
4.按照權利要求3所述的四通道核磁共振信號全波採集系統的採集方法，其特徵在於，步驟C、所述的四通道全波採集系統22的放大倍數為1000— 20000倍和配諧電容為.0.1uF?20uF，設置寬帶放大器32和寬帶放大器33的配諧電容為0.1uF?20uF和放大倍數為1000— 20000倍，設定採集時間為250ms和發射時間為40ms。
【文檔編號】G01V3/14GK103955004SQ201410103675
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】林君, 曲永星, 林婷婷, 蔣川東, 萬玲, 杜官峰, 陳武強, 蔡昕 申請人:吉林大學