CN108227022B

CN108227022B - 基于squid的地空磁共振探测装置及探测方法

Info

Publication number: CN108227022B
Application number: CN201711483495.8A
Authority: CN
Inventors: 林婷婷; 杨玉晶; 杨莹; 张扬; 万玲; 滕飞
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108227022A

Abstract

本发明涉及一种基于SQUID的地空磁共振探测装置，包括：发射机通过一发射切换控制电路连接发射线圈，向发射线圈通入直流电流产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度以及向发射线圈通入拉莫尔频率的交流电流激发氢质子进动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象；SQUID接收磁共振信号，连接SQUID读出电路，将SQUID采集的磁信号转化为电信号；接收机搭载在飞行器上，与SQUID读出电路连接；上位机发与所述接收机以及发射机之间通讯连接，发出控制信号，控制发射机发射直交电流的切换和关断，控制接收机对信号的采集。本发明优点探测范围大、效率高，环境适应性强，且兼具高灵敏度及信噪比等优势。

Description

基于SQUID的地空磁共振探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)勘探仪器及方法，尤其是一种基于超导量子干涉装置(Superconducting QUantum Interference Devices,SQUID)的地空磁共振地下水探测设备及探测方法。

背景技术

磁共振技术应用于地下水探测已有几十年的历史，拥有直接探测、定量定性、分辨率较高等优点，广泛应用于工农业及民用浅层地下水探测、高效率区域性水文地质勘查等方面。如今广泛应用的地面磁共振探测方法，通过在地面铺设几十到数百米的发射线圈，并匹配相应的一个或多个接收线圈，完成探测区域内一维或多维的地下水勘探及成像。但在一些山地、丘陵等地表环境复杂，水体分布广泛的地区，铺设多个大尺寸的接收线圈难度较大，且探测范围有限，针对这种情况，发展适合于复杂环境的磁共振地下水探测方法是很有必要的。

专利CN106908847A公开了“一种地空核磁共振地下水探测***及探测方法”，通过通讯模块连接地面主控***及空中飞行器，地面发射机通过改变接地电极的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，用搭载在飞行器上的接收线圈采集宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，地面主控***经通讯模块远程控制激发电流的发射与停止，并控制与接收线圈连接的接收机在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号，采集到的核磁共振信号将通过通讯模块传至上位机。专利CN106873044A公开了一种“阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法”，利用预极化线圈产生磁强强度远大于天然地磁场的预极化磁场，从而提高水体的整体磁化强度，采用磁场灵敏度极高的SQUID代替接收线圈采集信号，能够探测到极微弱的地电信号，采集到更加精确的磁场信号，进而提高了信噪比，实现可在强噪声环境下进行地下核磁共振探测的成像方法。

上述发明的地空核磁共振地下水探测***及探测方法，针对山地、丘陵等复杂环境下地下水的探测，提出了地空磁共振探测方法，较好的解决了接收线圈的铺设问题，其探测范围广、效率高，但由于其接收线圈尺寸受飞行器搭载能力限制，勘测深度有限，且在飞行器飞行过程中，引入了大量的电噪声，难以保证探测的信噪比及可靠性；而阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法，通过施加预极化场提高了磁共振信号幅度，运用高灵敏度的SQUID探测，规避了较为常见的电噪声干扰，能够较为显著的提高探测信噪比，但其探测形式受限于地面探测，探测效率较低，且接收***由多个SQUID传感器组成，布线复杂，造价较高，不适宜大规模区域性的水文地质勘探。

发明内容

为了解决现有技术中布线复杂，造价较高，不适宜大规模区域性的水文地质勘探的问题，本发明提供一种基于SQUID的地空磁共振探测装置，

本发明另一方面还提供了一种基于SQUID的地空磁共振探测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于SQUID的地空磁共振探测装置，包括：

发射机，通过一发射切换控制电路连接发射线圈，向发射线圈通入直流电流产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度，以及关断直流电流向发射线圈通入拉莫尔频率的交流电流激发氢质子运动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象；

SQUID，接收氢质子弛豫产生的磁共振信号，连接SQUID读出电路，将SQUID采集的磁信号转化为电信号；

接收机，搭载在一飞行器上，与所述SQUID读出电路连接；

上位机，与所述接收机以及发射机之间通讯连接，发出控制信号，控制所述发射机交直流电流发射的切换和关断，控制所述接收机对信号的采集。

进一步，所述发射机包括：

可调直流发射电路，连接所述发射切换控制电路，为所述发射线圈提供直流电流；

可调交流发射电路，连接所述发射切换控制电路，为所述发射线圈提供交流电流；

发射主控单元，接收所述上位机的控制信号，对所述可调直流发射电路以及可调交流发射电路进行控制。

进一步，所述接收机包括：

放大电路，与所述SQUID读出电路连接，对SQUID读出电路输出的电信号进行放大；

A/D采集单元，连接所述放大电路对放大后的信号转换成数字信号；

接收主控单元，接收所述A/D采集单元的信号，通过无线通讯模块与上位机之间进行信号的传输，控制所述SQUID采集磁共振信号。

进一步，所述飞行器沿测线匀速飞行，所述测线与待测地形情况以及发射线圈尺寸相配合。

基于SQUID的地空磁共振探测装置的探测方法，

控制所述发射机交直流电流发射的切换和关断；

通过一发射切换控制电路连接发射线圈，向发射线圈通入直流电流产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度，以及关断直流电流向发射线圈通入拉莫尔频率的交流电流激发氢质子运动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象；

通过超导量子干涉方式接收氢质子弛豫产生的磁共振信号，将接受的磁信号转化为电信号；

接收采集电信号，对信号进行处理，无线传输至上位机中进行存储。

进一步，所述控制所述发射机交直流电流发射的切换和关断过程：

控制可调直流发射电路提供发射线圈直流电流，保持一段时间后关断电流；

控制可调交流发射电路提供发射线圈交流电流，保持一段时间后关断电流。

进一步，包括以下步骤：

a、在探测目标区域铺设发射线圈，并根据实测情况及发射线圈尺寸，确定测线、飞行器速度及飞行高度；

b、连接并调试发射及接收回路，保证上位机与发射机、接收机的正常通讯，飞行器驶入测线；

c、上位机控制发射机内部的发射主控单元，连接可调直流发射电路，并通过发射切换控制电路通入发射线圈恒定直流电流，保持一段时间后关断电流；

d、直流电流关断后，上位机控制发射机内部的发射主控单元，连接可调交流发射电路，并通过发射切换控制电路通入发射线圈一定幅度的拉莫尔频率交流电流，保持一段时间后关断；

e、交流电流关断瞬间，飞行器保持恒定高度及速度沿测线飞行，上位机通过通讯模块控制接收机内部的接收主控单元开始采集信号；

f、SQUID采集的磁共振信号经过放大电路放大，通过A/D采集单元将数据采集到接收主控单元；

g、接收主控单元通过通讯模块将数据传递至上位机。

进一步，所述步骤c中直流通入发射线圈恒定直流电流不变，根据发射线圈大小、匝数及探测目标改变交流电流大小，重复c-g过程，完成不同脉冲矩的测量。

本发明的有益效果：

1、本发明通过施加预极化场，能够有效增大地下水中氢质子宏观磁矩，间接增大了磁共振信号，提升了探测信噪比；地下水中氢质子激发后释放磁信号，现有技术专利201710130504.9中的线圈接收到的是根据磁信号感应到的电信号，而本发明中SQUID直接接收磁信号，根据法拉第电磁感应定律，电场是磁场的导数，直接接收磁场，能够有效突破磁共振150m探测距离的瓶颈；SQUID作为超导接收器，其对于磁场的灵敏程度本身就优于线圈对电磁场的灵敏程度。

2、本发明基于SQUID的地空磁共振探测装置及探测方法，应用高灵敏度的SQUID作为磁共振信号接收器，增加了探测的可靠性。与现有技术相比，不仅探测范围大、效率高，环境适应性强，且兼具高灵敏度及信噪比等优势，对磁共振技术进一步的应用及推广具有重大意义。

3、本发明基于SQUID的地空磁共振探测装置及探测方法适用于复杂山地、丘陵等地区大范围、高信噪比的地下水勘探，提升磁共振探测效率。

附图说明

图1为基于SQUID的地空磁共振探测装置野外工作示意图

图2为基于SQUID的地空磁共振探测装置发射机***框图

图3为基于SQUID的地空磁共振探测装置接收机***框图

其中：1、上位机，2、发射机，3、发射线圈，4、无线通讯模块，5、飞行器，6、接收机，7、SQUID，8、测线，9、发射主控单元，10、可调直流发射电路，11、可调交流发射电路，12、发射切换控制电路，13、SQUID读出电路，14、放大电路，15、A/D采集单元，16、接收主控单元。

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，以下结合附图及实施例，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。

本发明提供一种基于SQUID7的地空磁共振探测装置，该装置包括：发射机2、接收机6、上位机1、无线通讯模块4、发射线圈3、SQUID7以及飞行器5，所述发射机1，通过一发射切换控制电路12连接发射线圈，向发射线圈3通入直流电流产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度，以及关断直流电流向发射线圈通入拉莫尔频率的交流电流激发氢质子运动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象；所述SQUID7接收氢质子弛豫产生的磁共振信号，连接SQUID读出电路13，将SQUID7采集的磁信号转化为电信号；所述接收机6搭载在所述飞行器5上，连接所述SQUID读出电路13；上位机1与所述接收机6以及发射机2之间通讯连接，发出控制信号，控制所述发射机2交直流电流发射的切换和关断，控制所述接收机6对信号的采集。所述无线通讯模块4完成上位机1与接收之间的信号传输。

发射机2包括：可调直流发射电路10、可调交流发射电路11、发射主控单元9以及发射切换控制电路12，其中可调直流发射电路10连接所述发射切换控制电路12；可调交流发射电路11连接所述发射切换控制电路12；发射主控单元9接收所述上位机1的控制信号，对所述可调直流发射电路10以及可调交流发射电路11进行控制。发射机2内部发射主控单元9控制可调直流发射电路10，通过发射切换控制电路12通入发射线圈3直流电流，产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度，随后关断直流电流，由上位机1控制发射机2内部发射主控单元9控制可调交流发射电路11，通过发射切换控制电路12通入发射线圈3拉莫尔频率的交流电流，激发氢质子进动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象。

接收机6包括：放大电路14、A/D采集单元15以及接收主控单元16，其中放大电路14连接SQUID读出电路13，对SQUID读出电路13输出的电信号进行放大；A/D采集单元14连接所述放大电路13对放大后的信号转换成数字信号；接收主控单元15接收所述A/D采集单元14的信号，与所述无线通讯模块进行信号的传输，控制所述SQUID7采集磁共振信号。上位机1通过无线通讯模块4与接收机6通讯，并控制SQUID7接收氢质子弛豫产生的磁共振信号，通过放大电路13放大后由A/D采集单元14采集并传送给接收主控单元15，同步通过无线通讯模块4传递回上位机1储存。

基于SQUID7的地空磁共振探测装置是一种高灵敏度、适用于复杂环境条件的高效水文地质勘探方法，该装置的工作过程通过在地面铺设发射线圈3，由上位机1控制地面发射机2，发射机2内部发射主控单元9控制可调直流发射电路10，通过发射切换控制电路12通入发射线圈3直流电流，产生预极化磁场，增大地下水体中氢质子磁化强度，随后关断直流电流，由上位机1控制发射机2内部发射主控单元9控制可调交流发射电路11，通过发射切换控制电路12通入发射线圈3拉莫尔频率的交流电流，激发氢质子进动，停止激发电流，氢质子在地磁场作用下产生弛豫现象，上位机1通过无线通讯模块4与接收机6通讯，并控制SQUID7接收氢质子弛豫产生的磁共振信号，由SQUID读出电路13将接收到的磁信号转化为模拟电信号后，通过放大电路14放大，并由A/D采集单元15采集并传送给接收主控单元16，同步通过无线通讯模块4传递回上位机1储存。

基于SQUID7的地空磁共振探测装置的探测方法，包括以下步骤：

a、在探测目标区域铺设发射线圈3，并根据实测情况及发射线圈3尺寸，确定测线8、飞行器5速度及飞行高度；

b、连接并调试发射及接收回路，保证上位机1与发射机2、接收机6的正常通讯，飞行器5驶入测线8；

c、上位机1控制发射机2内部的发射主控单元9，连接可调直流发射电路10，并通过发射切换控制电路12通入发射线圈3恒定直流电流，发射8s后采用绝热方式关断电流；

d、直流电流关断后，上位机1控制发射机2内部的发射主控单元9，连接可调交流发射电路11，并通过发射切换控制电路12通入发射线圈3一定幅度的拉莫尔频率交流电流，发射40ms后关断电流；

e、交流电流关断瞬间，飞行器5保持恒定高度及速度沿测线8飞行，上位机1通过无线通讯模块4控制接收机6内部的接收主控单元15开始采集信号；

f、SQUID7采集的磁共振信号由SQUID读出电路13转化为模拟电信号后，经过放大电路14放大，通过A/D采集单元15将数据采集到接收主控单元16；

g、接收主控单元16通过无线通讯模块4将数据传递至上位机1；

h、重复c-g步骤数次，确保测量结果的可靠性；

i、直流电流保持不变，根据发射线圈3大小、匝数及探测目标改变交流电流大小，重复c-h过程，完成不同脉冲矩的测量。

实施例

本实施例中基于SQUID7的地空磁共振探测装置及探测方法，包括以下步骤：

a、在探测目标区域铺设直径200m的圆形发射线圈3，根据实际情况确定测线8,飞行器5速度为20m/s，飞行高度为10m；

c、上位机1控制发射机2内部的发射主控单元9，连接可调直流发射电路10，并通过发射切换控制电路12通入发射线圈3120A恒定直流电流，发射8s后采用绝热方式关断电流；

d、直流电流关断后，上位机1控制发射机2内部的发射主控单元9，连接可调交流发射电路11，并通过发射切换控制电路12通入发射线圈3幅值为50A的拉莫尔频率交流电流，发射40ms后关断电流；

e、交流电流关断瞬间，飞行器5保持距离地面10m及20m/s的速度沿测线8飞行，上位机1通过无线通讯模块4控制接收机内部的接收主控单元15开始采集信号；

h、重复c-g步骤十六次，确保测量结果的可靠性；

i、直流电流保持不变，改变交流电流大小，重复c-h过程十次，完成不同脉冲矩的测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于SQUID的地空磁共振探测装置，其特征在于，包括：

接收机，搭载在一飞行器上，与所述SQUID读出电路连接；

上位机，与所述接收机以及发射机之间通讯连接，发出控制信号，控制所述发射机交直流电流发射的切换和关断，控制所述接收机对信号的采集；

所述飞行器沿测线匀速飞行，所述测线与待测地形情况以及发射线圈尺寸相配合，发射线圈为直径200m的圆形发射线圈；

所述发射机包括：

发射主控单元，接收所述上位机的控制信号，对所述可调直流发射电路以及可调交流发射电路进行控制；

所述接收机包括：

接收主控单元，接收所述A/D采集单元的信号，通过无线通讯模块与上位机之间进行信号的传输，控制所述SQUID采集磁共振信号；

工作过程包括：

a、在探测目标区域铺设发射线圈，并根据实测情况及发射线圈尺寸，发射线圈为直径200m的圆形发射线圈，确定测线、飞行器速度及飞行高度；

c、上位机控制发射机内部的发射主控单元，连接可调直流发射电路，并通过发射切换控制电路通入发射线圈恒定直流电流，保持一段时间后用绝热方式关断电流；

d、直流电流关断后，上位机控制发射机内部的发射主控单元，连接可调交流发射电路，并通过发射切换控制电路通入发射线圈一定幅度的拉莫尔频率交流电流，保持一段时间后关断电流；

g、接收主控单元通过通讯模块将数据传递至上位机。

2.基于SQUID的地空磁共振探测装置的探测方法，其特征在于，

控制发射机交直流电流发射的切换和关断；

接收采集电信号，对信号进行处理，无线传输至上位机中进行存储；

所述控制所述发射机交直流电流发射的切换和关断过程：

控制可调交流发射电路提供发射线圈交流电流，保持一段时间后关断电流；

包括以下步骤：

g、接收主控单元通过通讯模块将数据传递至上位机。

3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述步骤c中直流通入发射线圈恒定直流电流不变，根据发射线圈大小、匝数及探测目标改变交流电流大小，重复c-g过程，完成不同脉冲矩的测量。