一种大深度MRS发射接收系统及探测方法与流程

本发明涉及地球物理探测领域，具体地来讲为一种的大深度mrs发射接收系统及探测方法。

背景技术：

水资源是维系人类社会生存的重要资源，随着科技的发展，人口的迅速增长，水资源短缺问题是世界各国面临的难题。由于我国是人口量大国，所面临的水资源短缺问题更是尤为严重，与此同时，有一些隧道、矿井中的水资源还会引起一些灾害水事故，对人类生活造成负面影响，威胁施工人员的生命安全，因此如何能准确、安全、无破坏的进行水资源探测具有十分重要的意义。目前核磁共振探测技术(magneticresourcesounding,mrs)是目前世界上唯一一种无破坏的直接探测地下水的方法技术，其在地下水资源探测，隧道、矿井老空水探测、堤坝渗漏等也取得了非常好的应用效果。然而核磁共振探测系统由于受到发射电流和发射电压的限制，核磁共振的探测深度具有一定的局限性，一般发射线圈的直径约等于所能探测到的地下深度，所以要增加探测深度就要增加发射线圈的面积，当发射线圈面积增大后，发射线圈的负载阻抗会增大，发射同等大小的发射电流时就要求更大的发射电压，但是由于储能电容额定电压值的限制，限制了发射电压的最大值，即限制核磁共振探测深度。

专利cn106886052a公开了“一种大功率核磁共振探水装置及其野外使用方法”其提出了一种大功率核磁共振探水装置及其野外使用方法，是基于多储存电容组级联发射、并联充电的方式,实现了磁共振探水装置的大功率发射和高效率工作,但是该发明用三组储能电容并联却只提高了发射电压的1.73倍，发射深度的1.75倍，并没有达到3倍的提升效率，此外该发明是大大提高了发射电压和发射电流，会在接收线圈中感应出更大的感应电动势对接收仪器的损害很大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种大深度mrs发射接收系统及探测方法，不提高发射电流或发射电压的情况下，提高探测深度。

本发明是这样实现的，

一种大深度mrs发射接收系统，包括：上位机系统、主控制器、多个发射子系统、以及与多个发射子系统数量对应的多个发射线圈，接收子系统以及接收线圈，所述多个发射子系统包括大功率输出电源、储能电容、发射桥路以及配谐电容，其中：

上位机系统，基于labview软件编写的人机界面，连接主控系统发送相关发射电流参数，接收并显示接收子系统中模数转换模块传回来的采集数据；

主控制器，接收上位机系统发送的指令控制大功率电源输出电压，产生驱动桥路的拉莫尔频率方波信号分别给发射子系统的发射桥路，同时主控制器产生gps同步信号给多个发射子系统，发射子系统的发射桥路使多组发射子系统同步发射；

大功率电源，接收主控器的命令产生额定的输出电压给储能电容；

储能电容，将大功率电源输出的电压储能后给发射桥路；

发射桥路，当gps同步信号到时，接收主控制器产生的拉莫尔频率方波信号经过桥路驱动器后将储能电容存储的电量经配谐电容后向发射线圈发射电流信号；

配谐电容，连接发射桥路和发射线圈，与发射线圈构成串联lc谐振，将发射桥路输出的方波信号转为正弦波信号；

gps同步信号，经主控制器控制，将输出同步信号给多组发射子系统：发射子系统的发射桥路使其产生同步的发射信号；

发射线圈，连接相应的发射子系统的配谐电容，流过电流信号，产生特定方向的交变电磁场；

接收线圈，接收发射电流信号产生的mrs信号后传输给接收子系统的信号调理模块；

信号调理模块，连接主控制器接收主控制器设定的放大倍数参数，连接多个接收线圈，将接收的mrs信号按照主控制器发送的参数进行前置放大、滤波、后置放大调理后输出信号给模数转换模块；

模数转换模块，接收信号调理模块输出的模拟信号进行模数转换，转换成数字信号后给上位机软件进行处理及显示。

进一步地，发射线圈采用同一规格的单一匝数线圈绕制而成，绕制成边长同等尺寸相同的正方形线圈，所述发射线圈至少为四个，所述发射线圈的数量保证发射线圈排列后一个正方形。

进一步地，发射线圈中产生大功率正弦波信号，发射线圈在同一时刻通过同等大小，同等方向的电流。

进一步地，接收线圈采用多匝数线圈构成圆形探测区域，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，接收线圈的直径大小保证接收线圈全覆盖或部分覆盖所有发射线圈。

进一步地，所述发射线圈为4n个，其中n取1、2、3……，每四个发射线圈为一组配置一个接收线圈，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，所述接收线圈部分覆盖四个发射线圈，若接收线圈为多个时，所述信号调理模块包括相应数量的接收通道。

一种大深度mrs发射接收探测方法，包括以下步骤：

布置发射线圈与接收线圈；

在上位机系统人机界面中设置大功率电源输出电压，发射电流的拉莫尔频率，信号调理模块的放大器放大倍数，滤波带宽参数，然后开始发射；

主控制器接收到上位机系统发送的参数及控制命令后给多组发射子系统的大功率电源和发射桥路发送控制信号，同时将gps同步信号给多组发射子系统的发射桥路，保证多组发射子系统同步发射；

发射子系统接收到控制信号后，大功率电源输出一定幅度的电压给储能电容保持电压后给发射桥路，当gps同步信号到时，多组发射子系统的发射桥路同一时刻开始发射主控制器所发送的特定频率的电流信号，经过配谐电容和发射线圈所构成的lc谐振电路后在发射线圈中产生大功率正弦波信号；

发射停止后，主控制器控制接收子系统采集多匝数接收线圈中所感应到的mrs信号，信号调理模块按主控制器所发送的放大滤波参数进行模拟信号的调理后给模数转换模块进行模拟信号到数字信号的转换后传输给上位机系统。

进一步地，布置发射线圈与接收线圈包括：发射线圈采用同一规格的单一匝数线圈绕制而成，绕制成边长同等尺寸相同的正方形线圈，所述发射线圈至少为四个，所述发射线圈的数量保证发射线圈排列后一个正方形；接收线圈采用多匝数线圈构成圆形探测区域，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，接收线圈的直径大小保证接收线圈全覆盖或部分覆盖所有发射线圈，根据探测区域，选择其中的发射线圈在同一时刻通过同等大小，同等方向的电流发射。

进一步地，布置发射线圈与接收线圈包括：所述发射线圈为4n个，其中n取1、2、3……，每四个发射线圈为一组配置一个接收线圈，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，所述接收线圈全覆盖或部分覆盖四个发射线圈，若发射线圈为多个时，信号调理模块包括相应数量的接收通道，按照时序接收接收线圈的信号，根据探测区域，选择其中的发射线圈在同一时刻通过同等大小，同等方向的电流发射。

进一步地，全部发射线圈中产生大功率正弦波信号，每个发射线圈在同一时刻通过同等大小，同等方向的电流。

进一步地，重复发射并接收数据至少16次，上位机系统对多次接收的数据进行存储、叠加、计算、显示，通过多次叠加的方式降低噪声信号的幅度。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明在不增加发射电压和发射电流的情况下，通过多组线圈联合探测的方式有效的增加了发射线圈的等效边长，增加了核磁共振的探测深度，为核磁共振的大深度探测提供了技术支持，本发明并具有一定的拓展性，采用4组发射线圈可达到原探测深度的2倍水平，也拓展为大于4组的例如9组线圈，即可达到原探测深度的3倍水平，依此类推。本发明在不改变发射电压及发射电流的情况下，增加了发射线圈等效面积，增加了探测深度，有效的防止了高发射电压及电流对探测人员及仪器的损害，同时可逐步拓展探测深度。

本发明通过主控制器产生gps同步信号给多个发射子系统进行同步，发射子系统的发射桥路使多组发射子系统同步发射，通过大功率电源输出相同大小的电流，确保多个发射线圈具有相同大小和方向的电流。

本发明发射线圈为少为四个，所述发射线圈的数量保证发射线圈排列后一个正方形，数量随意拓展，这样接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，接收线圈的直径大小保证接收线圈全覆盖或部分覆盖所有发射线圈，可采集到所有发射线圈覆盖的区域的信号。

本发明当发射线圈为4n时，其中n取1、2、3……，每四个发射线圈为一组配置一个接收线圈，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，所述接收线圈全覆盖或部分覆盖四个发射线圈，这样避免接收线圈多大造成接收的信号失准的问题。另外，才用多个接收线圈，接收线圈之间可以作为其他线圈的参考线圈，从而用于后续的数据分析，例如环境噪声的去除。

附图说明

图1为本发明一实施例大深度mrs发射接收系统原理框图；

图2为发射电流为顺时针时的等效电流；

图3为发射电流为逆时针时的等效电流；

图4为发射及接收线圈的摆放示意图。

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。

一种大深度mrs发射接收系统，包括：上位机系统、主控制器、多个发射子系统、以及与多个发射子系统数量对应的多个发射线圈，接收子系统以及接收线圈，所述多个发射子系统包括大功率输出电源、储能电容、发射桥路以及配谐电容，其中：

上位机系统，基于labview软件编写的人机界面，连接主控系统发送相关发射电流参数，接收并显示接收子系统中模数转换模块传回来的采集数据；

主控制器，接收上位机系统发送的指令控制大功率电源输出电压，产生驱动桥路的拉莫尔频率方波信号分别给发射子系统的发射桥路，同时主控制器产生gps同步信号给多个发射子系统，发射子系统的发射桥路使多组发射子系统同步发射；

大功率电源，接收主控器的命令产生额定的输出电压给储能电容；

储能电容，将大功率电源输出的电压储能后给发射桥路；

发射桥路，当gps同步信号到时，接收主控制器产生的拉莫尔频率方波信号经过桥路驱动器后将储能电容存储的电量经配谐电容后向发射线圈发射电流信号；

配谐电容，连接发射桥路和发射线圈，与发射线圈构成串联lc谐振，将发射桥路输出的方波信号转为正弦波信号；

gps同步信号，经主控制器控制，将输出同步信号给多组发射子系统：发射子系统的发射桥路使其产生同步的发射信号；

发射线圈，连接相应的发射子系统的配谐电容，流过电流信号，产生特定方向的交变电磁场；

接收线圈，接收发射电流信号产生的mrs信号后传输给接收子系统的信号调理模块；

信号调理模块，连接主控制器接收主控制器设定的放大倍数参数，连接多个接收线圈，将接收的mrs信号按照主控制器发送的参数进行前置放大、滤波、后置放大调理后输出信号给模数转换模块；

模数转换模块，接收信号调理模块输出的模拟信号进行模数转换，转换成数字信号后给上位机软件进行处理及显示。

发射线圈采用同一规格的单一匝数线圈绕制而成，绕制成边长同等尺寸相同的正方形线圈，所述发射线圈至少为四个，所述发射线圈的数量保证发射线圈排列后一个正方形。

在一个实施例中，发射线圈中产生大功率正弦波信号，发射线圈在同一时刻通过同等大小，同等方向的电流。

在一个实施例中，接收线圈采用多匝数线圈构成圆形探测区域，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，接收线圈的直径大小保证接收线圈全覆盖或部分覆盖所有发射线圈。

在一个实施例中，发射线圈为4n个，其中n取1、2、3……，每四个发射线圈为一组配置一个接收线圈，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，所述接收线圈全覆盖或部分覆盖四个发射线圈，若发射线圈为多个时，所述信号调理模块包括相应数量的接收通道。

实施例1：

如图1，一种大深度mrs发射接收系统，包括上位机系统连接主控制器及接收子系统中的模数转换模块，主控制器连接gps同步信号及四组发射子系统：分别为：发射子系统i，发射子系统ii，发射子系统iii，发射子系统iv中的大功率电源模块及发射桥路模块，gps同步信号分别连接四组发射子系统：发射子系统i，发射子系统ii，发射子系统iii，发射子系统iv中的发射桥路模块，四组发射子系统：发射子系统i，发射子系统ii，构成一致，分别由大功率电源连接储能电容连接发射桥路连接配谐电容构成，四组发射子系统：发射子系统i，发射子系统ii，发射子系统iii，发射子系统iv分别连接四组发射线圈：发射子系统i，发射子系统ii，发射子系统iii，发射子系统iv,多匝数接收线圈连接接收系统的信号调理模块，信号调理模块通过模数转换模块将数据给上位机系统。

如图2，在发射线圈中通过顺时针方向的发射电流时的等效电流，根据安培定则，则产生垂直纸面向里方向的电磁场，因为四组发射线圈的电流方向相同，则四组发射线圈中均产生垂直纸面向里方向的电磁场，则等效为图中虚线所示的大正方形导线所通过同等大小的电流，电流方向仍为顺时针。

如图3，是发射线圈中通过逆时针方向的发射电流时的等效电流，根据安培定则，则产生垂直纸面向外方向的电磁场，因为四组发射线圈的电流方向相同，则四组发射线圈中均产生垂直纸面向外方向的电磁场，则等效为图中虚线所示的大正方形导线所通过同等大小的电流，电流方向仍为逆时针。

如图4，是发射及接收线圈的摆放示意图，四组发射线圈要依次相邻的顺时针顺序摆放，摆放后成一个原来发射线圈边长2倍的大正方形探测区域，在这个大正方形的中心位置摆放多匝数接收线圈。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，发射线圈为8个，每四个发射线圈为一组配置一个接收线圈，接收线圈的中心要与发射线圈构成的正方形中心位置重合，接收线圈部分覆盖四个发射线圈，若接收线圈为2个时，所述信号调理模块包括相应数量的接收通道，发射线圈可以同一时刻通过同等大小，同等方向电流发射，接收线圈同时接收，也可以一部分接收线圈覆盖的发射线圈不工作，该接收线圈作为其他线圈的参考线圈。从而有利于后续的数据分析。

实施例3

本实施例中四个发射线圈的一种大深度mrs发射接收探测方法，包括：

1首先根据需要探测的地形布设好4组发射线圈：发射线圈1，发射线圈2，发射线圈3，发射线圈4，使四组发射线圈顺时针摆放构造一个边长为单个发射线圈边长2倍的大正方形区域如图4所示；

2将4组发射子系统：发射子系统i，发射子系统ii，发射子系统iii，发射子系统iv分别与4组发射线圈：发射线圈i，发射线圈ii，发射线圈iii，发射线圈iv连接好；

3将多匝数接收线圈与接收系统连接好，并将主控系统与发射子系统和接收子系统连接好，开启上位机系统。

4在上位机系统软件人机界面中设置大功率电源输出电压，发射电流的拉莫尔频率，信号调理模块的放大器放大倍数，滤波带宽等参数，然后点击开始发射；

5主控制器接收到上位机发送的参数及控制命令后给四组发射子系统的大功率电源和发射桥路发送控制信号，同时将gps同步信号给四组发射子系统的发射桥路，保证四组发射子系统同步发射；

6四组发射子系统接收到控制信号后，大功率电源输出一定幅度的电压给储能电容保持电压后给发射桥路，当gps同步信号到时，四组发射子系统的发射桥路同一时刻开始发射主控制器所发送的特定频率的电流信号，经过配谐电容和发射线圈所构成的lc谐振电路后在发射线圈中产生大功率正弦波信号，当发射正弦波信号为顺时针流过发射线圈时，其等效电流如图2所示，当发射正弦波信号为逆时针流过发射线圈时，其等效电流如图3所示.

7发射停止后，主控制器控制接收系统采集多匝数接收线圈中所感应到的mrs信号，信号调理模块按主控制器所发送的放大滤波参数进行模拟信号的调理后给模数转换模块转换为数字信号后传输给上位机系统软件。

8、其中步骤5-7要重复16次，就是重复发射并接收数据16次。

9、上位机系统软件对16次接收的数据进行存储、叠加、计算并显示。

实施例4

与实施例3的不同之处在于，包括8个发射线圈，两个接收线圈。

1首先根据需要探测的地形布设好8组发射线圈：使4组发射线圈顺时针摆放构造一个边长为单个发射线圈边长2倍的大正方形区域；再距离此位置一定距离使另外4组发射线圈顺时针摆放构造一个边长为单个发射线圈边长2倍的大正方形区域；

2将8组发射子系统：分别与8组发射线圈连接好；

3将2个多匝数接收线圈与接收系统连接好，并按照一个接收线圈对应四个发射线圈布置，并将主控系统与发射子系统和接收子系统连接好，开启上位机系统。

4在上位机系统软件人机界面中设置大功率电源输出电压，发射电流的拉莫尔频率，信号调理模块的放大器放大倍数，滤波带宽等参数，然后点击开始发射；

5主控制器接收到上位机发送的参数及控制命令后给四组发射子系统的大功率电源和发射桥路发送控制信号，同时将gps同步信号给四组发射子系统的发射桥路，保证四组发射子系统同步发射；

6八组发射子系统接收到控制信号后，大功率电源输出一定幅度的电压给储能电容保持电压后给发射桥路，当gps同步信号到时，四组发射子系统的发射桥路同一时刻开始发射主控制器所发送的特定频率的电流信号，经过配谐电容和发射线圈所构成的lc谐振电路后在发射线圈中产生大功率正弦波信号，

7发射停止后，主控制器控制接收系统采集两个多匝数接收线圈中所感应到的mrs信号，其中一路对应得是四个未有发射电流的发射线圈，作为参考信号，信号调理模块按主控制器所发送的放大滤波参数进行模拟信号的调理后给模数转换模块转换为数字信号后传输给上位机系统，用于环境噪音数据的分析；

8主控制器接收到上位机发送的参数及控制命令后给8组发射子系统的大功率电源和发射桥路发送控制信号，同时将gps同步信号给8组发射子系统的发射桥路，保证8组发射子系统同步发射；

9八组发射子系统接收到控制信号后，大功率电源输出一定幅度的电压给储能电容保持电压后给发射桥路，当gps同步信号到时，8组发射子系统的发射桥路同一时刻开始发射主控制器所发送的特定频率的电流信号，经过配谐电容和发射线圈所构成的lc谐振电路后在发射线圈中产生大功率正弦波信号，

10发射停止后，主控制器控制接收系统采集两个多匝数接收线圈中所感应到的mrs信号，信号调理模块按主控制器所发送的放大滤波参数进行模拟信号的调理后给模数转换模块转换为数字信号后传输给上位机系统；

11、其中步骤8-10要重复16次，就是重复发射并接收数据16次。

12、上位机对16次接收的数据进行存储、叠加、计算并显示。

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。