CN112859185B - 一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，基于核磁共振技术原理，即利用地球磁场诱发的物质磁性原子核的塞曼能级裂分和拉莫尔进动，以极低频电磁激励脉冲照射探测区，使得特定磁性原子核吸收特定频率射频所携带的光子能量，从低能级向高能级跃迁而产生核磁共振信号；借助信号接收装置探测感知其核磁共振信号，进而实现对被探目标物质的定性和空间定位。本发明具有明确的科学依据和技术实现途径，探测过程中不受被探物质的种类和物理形态的约束，也不改变被探物质的物理化学性状，因而是一种非侵入性的远程物质探测装置；本发明不仅可以应用于地下矿产资源勘探，还可应用于环保、考古等相关领中域。

Description

一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置

技术领域

本发明属于超长波近区场物质探测技术领域，特别是涉及一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置。

背景技术

物质远程探测，尤其针对地下矿产的定性和定位探测，一直是国内外地质矿产勘探领域中尚未解决的关键技术问题。实践表明，重、磁、电、震等传统地球物理测量对于探索大尺度或区域性地球科学问题具有明显优势，但对于矿床或矿体等中小尺度目标的定性和定位探测，却常常遇到难以克服的多解性和分辨率问题。地球物理勘查通常会在勘查区圈定出一些物探异常，但是，能否将这些异常与期望的目标锁定要素(诸如目标物质的成分属性、空间分布与几何形态等)建立清晰可靠的对应关系，进而判断被探目标的物质属性和空间定位，是检验其探测有效性的主要指标。从国内外大量矿产勘探案例来看，常规物探技术很难做到这一点，因而难以满足地质找矿工作的实际需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，采用天然遍在的地球磁场作为近恒稳外磁场，通过高精度拉莫尔共振频率计获得实时物质共振频率，以发射目标物质特定共振频率的软硬脉冲序列作为射频激励源照射探测区，诱发待测物质的磁性核能级跃迁而产生核磁共振信号，再借助带有前置放大的偶极接收天线侦测、感知目标物的磁共振信号的空间方位和距离，进而实现目标物质的远程空间定位和定性识别。本装置主要用于地下矿产的定位探测，也可应用于环境监测、考古等相关物质探测领域。

为实现上述目的，本发明提出一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，包括：主机***、拉莫尔频率计算模块、机载模块和接收模块；

所述主机***又包括：主机信号源模块、主机电源模块、内置全向发射模块、内置激频模块和外置波束模块；

拉莫尔频率计算模块，用于测量实时地磁总场强度和计算被探物质的拉莫尔频率，然后将所述地磁总场强度和所述拉莫尔频率的数据结果呈现在液晶显示屏并根据实际探测需求以备随时调用；

主机信号源模块，用于产生不同频率、不同波形的极低频软硬脉冲信号，并根据实际探测需求进行信号功率放大，对信号发射负载输出不同功率的调制电磁信号；

主机电源模块，用于给整个主机***进行供电；

内置全向发射模块，用于发射全空间扫描探测的软脉冲信号；

内置激频模块，用于激励物质样品的分子频率并发射携带有所述分子频率的波包脉冲，实现与样品近同质的对应物质的探测；

外置波束模块，用于目标物质的精细定位探测；

机载模块，用于探测区的快速空中扫描探测；

接收模块，用于核磁共振信号的接收；

所述拉莫尔频率计算模块的输出端与所述主机信号源模块的输入端通过无线通讯连接；所述主机电源模块的输出端与所述主机信号源模块的输入端连接；所述主机信号源模块的输出端分别与所述内置全向发射模块、内置激频模块、外置波束模块的输入端连接；所述机载模块和所述接收模块为独立模块，在物质探测时与所述主机***联合应用。

优选地，所述拉莫尔频率计算模块为独立模块，使用时与所述主机信号源模块通过无线通讯进行信息传输或将其计算数据手动输入所述主机信号源模块；

所述拉莫尔频率计算模块包括电源、地磁传感器、中央处理器、存储器、液晶显示器、频率计算程序、蓝牙等；所述电源、地磁传感器、存储器、液晶显示器、频率计算程序和所述蓝牙均与中央处理器电性连接；

所述电源，用于给拉莫尔频率计算模块统一供电；所述地磁传感器，用于测量实时地磁场强度；所述中央处理器，用于解析该模块的指令或者处理该模块中的数据；所述存储器，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；所述液晶显示器，用于将计算或者测量的数据呈现在屏幕上；频率计算程序，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；蓝牙，用于与所述主机信号源模块传输特定频率的信号。

优选地，所述主机信号源模块，包括：中央控制器、多波形信号发生电路、功率放大电路、显示屏、直流电源、面板、蓝牙；

所述多波形信号发生电路、功率放大电路、中央处理器均与所述直流电源电性连接；所述显示器、面板和所述蓝牙均与所述中央处理器电性连接；

所述直流电源，用于给所述主机信号源模块统一供电；所述中央处理器，用于发送控制指令；所述多波形信号发生电路，用于生成特定频率和波形的电磁信号；所述面板，用于通过功能调节旋钮和键盘设置需要的功率放大、占空比、发射负载类型参数；所述显示屏用于将信号参数和功能参数实时显示在主机显示屏上；所述蓝牙用于与所述拉莫尔频率计算模块传输特定频率的信号发射指令；所述功率放大电路，用于根据实际探测需求进行信号功率放大。

优选地，所述主机信号源模块产生的波形为正弦波、矩形波、三角波或锯齿波；所述主机信号源模块的发射负载发射的波为连续波、硬脉冲或软脉冲；

所述发射负载的类型、探测模式或探测目标的不同，将采用不同的波形、功率、占空比的脉冲组合。

优选地，所述内置全向发射模块包括磁性探头和特制软磁芯；

所述磁性探头为铜质漆包线密绕在ABS工字型骨架的线圈；所述特制软磁芯置于工字架的中心位置。

优选地，所述内置全向发射模块采用多机位探测方法，获取每个机位的目标空间数据，将共生和伴生元素分别进行扫描探测，确定它们是否赋存在同一空间范围；所述每个机位的目标空间数据包括机位坐标、目标方位、机位-目标距离、被探元素；

所述内置全向发射模块与所述机载模块联合作业，采用机载模块全频激励和地面主机***选择共振的工作方式，实现探测区空中快速扫描探测。

优选地，所述内置激频模块包括物质频率激励探头；所述内置激频模块与所述主机功率信号发生模块电性连接；所述内置激频模块与所述内置全向发射模块的结构相同，电磁参数不同；

所述内置激频模块，用于激励物质样品的分子频率并发射携带所述分子频率的波包脉冲，实现探测与样品近同质的对应物质，即将样品置于物质激发区，对其施加特定中心频率的全频高能硬脉冲，激发其分子频率成分，通过混频调制产生含有样品分子频率成分的波包脉冲，再将这些波包脉冲通过全向发射天线辐射到探测区域；

当包含样品分子频率成分的波包脉冲在其所属辐射空间照射到样品同质的物质，二者就会发生共振吸收形成磁共振信号；

所述全频高能硬脉冲为载波，所述物质分子频率为有效信号。

优选地，所述外置波束模块为可分离模块，仅在实施精细定位探测时与所述主机信号源模块的外置端口连接；

所述外置波束模块包括窄幅波束发射探头、特制软磁芯、管状谐振腔、激光指向器、航空插头和刻度三角支架；所述窄幅波束发射探头和所述特制软磁芯均固定在管状谐振腔内部，并与航空插头电性连接；所述激光指向器用螺丝固定在管状谐振腔的上方；所述管状谐振腔与所述刻度三角支架以螺丝固定。

优选地，所述外置波束模块发射的软脉冲窄波束直接照射地下目标，按照一定勘探间距多点探测矿体的赋存空间位置；针对中等至陡倾斜目标，采用上、下盘联合探测方式对目标的三维形态做出圈定。

优选地，所述机载模块为独立模块，仅在实施探测区航空探测时与所述主机***联合应用；

所述机载模块要预先根据探测区范围和地貌状况，选择地面起飞机位、编制飞行航线、设置平飞高度，并根据所述平飞高度和对地探测的深度来设置所述机载模块的发射功率。

优选地，所述接收模块为独立模块，在所有地面探测和航空探测时与所述主机***联合应用；

所述接收模块中的目标过滤装置采用单极法或偶极法进行电磁兼容匹配。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用磁流源发射极低频电磁激励信号，以超长波近区场的核心区为有效探测区，其交变感应场具有极低频磁信号的流动，具有瞬时超距能量传递属性及低阻抗场特性，这些近区场特性为实现远程物质探测赋予了超强的电磁能量和瞬时超距感知能力；本发明装置具有明确的科学依据和技术实现途径，探测过程中不受被探物质种类和物理形态的约束，也不改变被探物质的物理化学性状，是一种非侵入性无损探测装置，不仅可以应用于地下矿产资源勘探，还可应用于环保、考古等相关领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置主要模块构成示意图；

图2为本发明地面探测示意图；

图3为本发明剖面探测示意图。

图4位地-空联合探测示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明基于核磁共振技术原理，即利用地球磁场诱发的物质磁性原子核的塞曼能级裂分和拉莫尔进动，以极低频高能电磁激励脉冲照射探测区，使得特定磁性原子核吸收特定频率射频所携带的光子能量，从低能级向高能级跃迁而产生核磁共振信号；借助信号接收装置探测感知其核磁共振信号，进而实现对被探目标物质的定性和空间定位。

在地球上发现的108种天然化学元素中，绝大多数元素都有磁性核素，共计约140余种；凡是磁性原子核，理论上在适宜的条件(外磁场和射频激励)下都可以诱发核磁共振现象进而被当作探测对象。所谓磁性核是指构成原子核的质子或中子数为奇数者。由于每种带电荷的磁性核具有其独特的自旋角动量与自旋磁矩，因而不同磁性核有不同的磁旋比。磁旋比是每种磁性核本征物理常数。核磁共振技术之所以可以用来探测和鉴别物质，就是基于不同物质的磁性核具有不同磁旋比这一科学事实。

在微观世界，自旋与质量一样是所有微观粒子的固有属性。带电荷的核子自旋，产生自旋角动量和自旋磁矩，磁旋比就是磁性原子核的磁矩与自旋角动量的比值。量子力学认为，质子数和中子数均为偶数的原子核，由于其自旋成对抵消使得自旋量子数为零，因而其宏观自旋角动量和自旋磁矩当然为零，属于非磁性核，这类原子核不具有核磁共振现象，如¹²C₆、¹⁶O₈、³²S₁₆等。只有质子数或中子数为奇数的原子核，它们的自旋不能成对地完全抵消，自旋量子数(整数或半整数)不为零，因而具有自旋角动量、磁矩及特定的磁旋比。元素周期表中绝大多数化学元素具有天然磁性核。

在没有外磁场的情况下，绝大多数磁性核的自旋磁矩处于随机无序状态，核的磁能级简并，因而物质宏观上不显示核磁性；若将磁性核置于外磁场中，就会受到磁力矩的作用而形成宏观磁矩。微观粒子运动遵从量子力学行为，主要包括自旋、塞曼能级裂分、玻兹曼分布与拉莫尔进动等。在外磁场中，由于磁性核的宏观磁矩并非转到与外磁场完全平行的方向，而是与外磁场保持一定的夹角，这样就始终受到外磁场施加的磁力矩作用，进而以一定的角速度绕外磁场旋进，这种旋进称为拉莫尔进动，其旋进频率称为拉莫尔进动频率。这种微观粒子的运动状态，与陀螺在自转的同时还围绕重力方向旋进的现象十分相似。

根据经典电磁学或量子力学推导，拉莫尔进动频率(υ₀)与外磁场强度(B₀)和磁旋比(γ)成正比关系：

υ₀＝γB₀/2π(Hz) (1)

若将磁性原子核置于外磁场中，以拉莫尔进动频率的射频对其照射，处于低能级的磁性核就会吸收射频携带的光子能量，从低能级向高能级跃迁，进而形成相应的核磁共振吸收信号。通过探测和接收核磁共振吸收信号，就可以实现对探测目标的定性和定位探测。

从公式(1)可知，磁性核的拉莫尔进动频率的大小，与其磁旋比及外磁场强度成正比；不同磁性原子核具有各不相同的磁旋比，在相同的外磁场下就会具有不同的拉莫尔频率；当然，同种磁性核在不同的外磁场下也会具有不同拉莫尔频率。因此，在特定外磁场下，可以通过发射特定频率的射频脉冲激励被探物质原子核而诱发核磁共振，实现对特定物质的探测。

由于天然地球磁场的平均场强很低，因而其诱发的拉莫尔进动频率也很低。以中纬度地区的50μT(0.5Gs)为例，根据公式(1)计算的全部天然化学元素约140种磁性核的拉莫尔进动频率的数值在30-3000Hz之间。该频谱属于极低频超长波范畴，即用于核磁共振探测的激励射频的频谱范围。从经典电磁波理论可知，电磁波的波长越大，其绕射能力越强，趋肤深度也越大。因此，该频段的电磁波不仅具有超强的绕射能力，还具有超强的钻地能力。这对于远程遥感探测十分有利。

本发明属于超长波近区场(感应场)物质探测技术，充分利用了电磁波近区场能量传递的瞬时超距作用特点。尽管本发明具有较强的远程探测能力，但其探测范围对于超低频电磁波而言仍属于激励源的近区场范畴。电磁波应用技术通常以波源为中心，将一个波长(λ)以内的区域称为近区场，一个波长之外区域称为远区场。由于近区场与远区场在场强变化趋势、电磁能量交换和波阻抗等特性上都存在根本性差异，因而任何电磁波应用技术必须遵从和利用相关场的差异性。在近区场内，大部分电磁波能量主要在波源与场、电场与磁场之间流动和交换；平均波印廷矢量接近于零；近区场电磁强度大、不均匀且衰减快，但在场与源之间的能量传递和交换无滞后现象，具有类似静态场的瞬时超距作用特点；近区场的电场与磁场之间有π/2的相位差，且二者在数值上无固定比例关系。基于上述特点，近区场又被称为感应场或束缚场等，近区场电磁波又称为束缚电磁波。若用磁流源发射电磁波，其近区场的磁场强度必然大于电场强度，波阻抗在数值上也远小于远场区，属于低阻抗场。本发明采用磁流源发射极低频电磁激励信号，以超长波近区场的核心区为有效探测区，其交变感应场具有高能超低频磁信号的流动，具有瞬时超距能量传递属性及低阻抗场特性，这些近区场特性为实现远程物质探测赋予了超强的电磁能量和瞬时超距感知属性。

虽然核磁共振波谱仪和核磁共振成像仪也是基于磁共振原理，但这些仪器与本发明的最大不同在于：前者采用的超高强度人工恒稳外磁场，一般为10,000-100,000Gs，主要用于实验室物质结构研究或医学领域；与前者相比，本发明利用天然地球磁场作为近恒稳外磁场，其磁场强度在中纬度地区一般为0.5Gs左右，二者相差100,000-1,000,000倍，主要应用于物质的远程定性、定位探测。因此，本发明与前者在组件构成、技术要求、实现途径、探测对象、使用方法、应用领域和使用环境诸方面完全不同，是一种全新的远程物质探测技术。

基于此，参照图1所示，本发明提出一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，包括：拉莫尔频率计算模块、主机信号源模块、主机电源模块、内置全向发射模块、内置激频模块、外置波束模块、机载模块、接收模块；

所述主机电源模块的输出端均与所述主机信号源模块的输入端连接；所述主机信号源模块的输出端分别与所述内置全向发射模块、内置激频模块、外置波束模块输入端连接；所述外置波束模块为本发明的可分离模块，仅在实施精细定位探测时与主机外置端口连接；所述机载模块为本发明的独立模块，仅在实施探测区航空探测时与主机***联合应用；所述接收模块为本发明的独立模块，在地面探测和航空探测时与主机***联合应用。

所述拉莫尔频率计算模块的输出端与所述主机信号源模块的输入端通过无线通讯连接；所述主机电源模块的输出端均与所述主机信号源模块的输入端连接；所述主机信号源模块的输出端分别与所述内置全向发射模块、内置激频模块、外置波束模块的输入端连接；所述机载模块和所述接收模块为独立模块，须在实际相关探测作业时与主机***联合应用。

(1)拉莫尔频率计算模块(全称：实时地磁测量与拉莫尔频率计算模块)：

所述拉莫尔频率计算模块为本发明的独立模块，使用时与主机***以蓝牙通讯，也可以将其计算数据手动输入主机***；所述拉莫尔频率计算模块用于测量实施地磁场强度并计算相应磁场下的物质拉莫尔进动频率，可以通过内置蓝牙与地面主机进行探测频率的数据通讯，也可以根据其计算的频率数据手动输入地面主机进行探测信号的发射。其次，该模块既可与地面主机组成一体机使用，也可以独立使用。并且内部的存储器预置存储了常见探测物质的约化磁旋比数据。

该模块主要包括电源、地磁传感器、中央处理器、存储器、液晶显示器、频率计算程序、蓝牙等软硬件构成；所述电源、地磁传感器、液晶显示器和所述蓝牙均与中央处理器电性连接。

电源，用于给拉莫尔频率计算模块统一供电；地磁传感器，用于测量实时地磁场强度；中央处理器，用于解析该模块的指令或者处理该模块中的数据；存储器，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；液晶显示器，用于将测量或者计算的数据呈现在屏幕上；频率计算程序，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；蓝牙，用于与探测主机传输特定频率的信号发射指令。

若用核磁共振方法探测地表或地下物质，必须以预先获得该物质所在地域的实时拉莫尔进动频率为前提，然后以该频率的脉冲电磁信号照射探测区域，进而激励潜在目标体发生核磁共振响应。一般而言地球磁场的平均强度在南北两极最大，在赤道附近最小。中纬度地区如我国大部分地区通常在50μT(0.5Gs)左右。因此地球上特定地区的平均地磁强度主要与其所处的地球纬度有关，总体比较稳定。但是，由于偶发的地外空间电磁事件(如太阳黑子活动、太阳风、空间磁暴、重大气象事件等)、地球内部重大动力事件(地震、强烈火山活动)及大当量人工核爆等，都会引起地球磁场的全球性或区域性扰动和变化。因此，在特定地区进行核磁共振物质探测时，必须依据实时地磁场强度来计算出被探物质的拉莫尔共振频率，尽可能保证仪器的工作频率与测区的地球磁场重大变化同步，以获得高分辨探测结果。

基于此，拉莫尔频率计算模块首先进行实时地磁总场强度测量，计算程序读取地磁平均强度(60秒)数据(单位μT)后，将根据公式υ₀＝γB₀/2π计算出常见探测物质的实时拉莫尔频率(单位Hz)，其中，υ₀为拉莫尔进动频率、B₀为外磁场强度、γ为磁旋比；并将这些数据存储在RAM，以备随时调用并呈现在液晶显示屏。频率数据的调用，可采用菜单翻页间接选取或输入元素或物质编号直接选取。被测物质选定后，可以采用蓝牙向探测主机发出发射指令，也可以根据计算的频率数据手动输入主机进行探测信号的发射。尽管地磁场存在时变波动属性，但在波动小于±5μT时不会引起物质共振频率的重大变化，而且预先在主机探测模式的设计中做了频移修正，因而可以不考虑较小频移变化引起的探测误差。但如果检测到随机重大地磁场变化(如太阳黑子活动、空间磁暴或区域性高强度地震等引起)，就必须及时更新测量地磁场强度，使物质拉莫尔频率与之相匹配。为保障探测效果，在实际探测作业时一般2-3小时会检测一次地磁变化，以便及时更新或调整发射的共振频率。

(2)主机信号源模块(全称：主机功率信号发生模块)：

本模块是地面探测主机的基本构件，主要由中央控制器、多波形信号发生电路、功率放大电路、显示屏、直流电源、数字和功能键盘、数据接口、内-外置发射接口、内置激频接口、功能调节旋钮、蓝牙、启动开关和防水防震机壳等组件构成，其主要功能是产生不同频率、不同波形的超低频次软脉冲信号，并根据实际探测需求进行信号功率放大，对信号发射负载输出不同功率的调制信号。

直流电源与多波形信号发生电路、功率放大电路、中央处理器等部件电性连接，为本模块统一供电；显示器、数字和功能键盘、数据接口、内外置发射接口、内置激频接口、功能调节旋钮、蓝牙等部件与中央处理器电性连接。

根据实际探测需求，通过中央处理器发出指令，信号发生电路生成特定频率和波形的电磁信号，通过功能调节旋钮和键盘设置需要的功率放大、占空比、发射负载类型等参数，这些信号参数和功能参数将实时显示在主机显示屏和相应的工作状态指示灯。面板上包括数字和功能键盘、工作状态指示灯、发射功率调节(量程)旋钮、探测模式选择旋钮、内置全向发射接口、内置激频发射接口、外置波束发射器接口、上位机数据接口、充电接口、电源开关等。其中工作模式选择旋钮主要用于微调脉冲的中心频率，以抵抗潜在的外磁场微波动、分子位移等因素引起的探测目标频移现象，包括扫描、谐振和目标确认等模式。液晶显示器将实时呈现工作频率、波形、占空比、峰峰电压、功率输出状态、探测距离等内容。本模块既可以遵从频率计模块的指令发射探测信号，也可以独立手动触发信号发射；可根据具体探测需要，发射全频脉冲、单频脉冲或组合脉冲序列。

本模块与前端的拉莫尔频率计算模块和后端的内置软脉冲全向发射模块、内置激频模块，或外置窄幅波束发射模块，协同完成各类激励电磁信号的空间发射。通过中央控制器，协调信号发生单元和功放单元等完成键盘、功能旋钮等输入组件发出的任务指令，并将特定探测电磁信号输入到指定的发射负载，完成激励信号的空间发射。根据探测需要，本模块产生的波形主要为正弦波、矩形波、三角波和锯齿波。频率范围为1-300kHz(一般使用频率范围为30-3000Hz)，功率放大0-10瓦，占空比0-99％。既可发射连续波，也可发射硬脉冲或软脉冲。视连接的发射负载类型不同或者探测模式、探测目标的不同，将采用不同的波形、功率、占空比的脉冲组合。一般探测作业主要使用大功率的软、硬脉冲信号。近域探测或大型目标探测通常采用电压信号(小功率)发射；远域探测或小型目标探测采用功率信号发射。发射功率的大小，与探测距离和探测深度成正比。大量应用实验表明，发射功率为10瓦的软脉冲，其地表有效探测距离可达10公里，地下探测深度可达1500米。

(3)内置全向发射模块(全称：内置软脉冲全向发射模块)

主要有磁性探头和特制软磁芯构成，磁性探头为铜质漆包线密绕在ABS工字型骨架的线圈，特制软磁芯置于工字架的中心位置，以提高本模块的磁通性能、输出阻抗和电磁兼容性能。本模块与前端功率信号源模块电性连接并内置于主机箱中，主要用于发射全空间扫描探测的软脉冲信号。采用软脉冲主要是考虑将射频的频宽窄化，同时加大中心频率的主波瓣强度，进而高强度激励以中心频率为拉莫尔频率的被探物质。采用全向发射的目的，主要考虑在未知测区实施全空间扫描探测。具体实施：在明确被探物质种类和探测区域的前提下，首先通过快速全区间扫描以确定探测区是否存在被探物质；如果存在，就要通过定向扫描来圈定目标赋存的大致平面空间范围。在地质探矿中上述作业被称为找矿靶区优选。将主机设置为较大的发射功率和被探矿种实时拉莫尔频率，利用本模块发射全向大功率探测信号，再用偶极信号接收天线探测接收潜在目标体的核磁共振信号。参照图2所示，如果探测区(激励信号可达的范围)存在潜在被探物质，接收天线就会探测感知到相应的核磁共振信号，并明确标定目标物的方位和距离；如果探测区不存在被探物质，接收天线就不会产生信号响应。自然界的各类矿床通常由多种有用元素或矿物组成，即多元素化合物构成矿体或矿化体。根据矿床构成这一组分特点，可以采用多元素组合探测方法，将共生和伴生元素分别进行扫描探测，确定它们是否赋存在同一空间范围，这样可以增加定位探测的准确率。为了精确定位探测目标，通常采用多机位探测方法。每个机位获取的目标空间数据(包括机位坐标、目标方位、机位-目标距离、被探元素等)需详细记录，以便在室内数据整理和作图。对同一目标，不同机位获得的目标方位交线作图，这样可以对目标进行平面精确定位。此外，本模块可以与机载模块联合作业，采用机载全频扫描和地面选择共振的工作方式，实现矿区空中快速扫描探测。

实验表明，本模块与前端相连接的功率信号源之间具有良好的电磁兼容性，在不同发射频率与不同功率输出时，其电感、阻抗和分布电容和Q值等电磁参数十分稳定，发出的电磁信号具有强大的远程穿透能力。

(4)内置激频模块(全称：内置物质激频模块)：

主要由物质频率激励探头构成，并与前端功率信号源电性连接。该模块的结构与上述内置全向发射模块基本相同，但二者电磁参数不同，其功能主要为激励物质样品的“分子频率”并发射携带“分子频率”的波包脉冲，实现探测与样品近同质的对应物质。在野外探矿时会经常遇到一种情形：手上仅有矿石标本，期望在成矿有利地段寻找与这块标本类似的矿化体或矿体，但又不清楚其具体物质成分。成分不明就无法用计算的拉莫尔共振频率电磁信号来探测。使用本模块物质频率激励和发射功能，就可以实时获取样品的分子频率，进而实现“以物找物”。之所以称为“分子频率”，主要因为野外岩矿样品大都是天然多元素分子的结合物而非单质元素集合体，当受到特定中心频率的激励硬脉冲(全频脉冲)照射时，将会激励岩矿样品中多种磁性核素同时发生和磁共振，进而形成多元素共振频率组合；经过样品非辐射隐失波混频调制后的波包脉冲，就包含了岩矿样品的多元素磁性核的频率成分。需要说明的是，这里的“分子频率”，不是严格意义的分子频率，它本质上仍然是超低场磁共振时多元素磁性核的拉莫尔频率组合

具体实现途径为：将样品置于激发模块上方的物质激发区，对其施加特定中心频率的全频高能硬脉冲，激发其分子频率成分，通过混频调制产生含有样品分子频率成分的波包脉冲，再将这些波包脉冲通过全向发射天线辐射到探测区域。一旦这种包含样品分子频率成分的波包脉冲在其辐射空间照射到样品同质的物质，二者就会发生共振吸收形成磁共振信号。高能激励全频硬脉冲为载波，物质分子频率为有效信号。

(5)外置波束模块(全称：外置窄幅软脉冲波束发射模块)：

所述外置波束模块为可分离模块，仅在实施精细定位探测时与所述主机信号源模块的外置端口连接；主要由窄幅波束发射探头线圈、特制软磁芯、管状谐振腔、激光指向器、航空插头和刻度三角支架等组件构成。探头线圈与软磁芯被本模块的核心部件，固定在管状谐振腔内部，并与航空插头电性连接；激光指向器用螺丝固定在管状谐振腔的上方，主要用于波束探测的指向；管状谐振腔与三角支架以螺丝固定，管状谐振腔的功能主要为电磁屏蔽和波束准直。本模块与前端地面主机功率信号发生器模块电性连接，主要用于目标精细定位探测。在上述全空间扫描探测完成并基本圈定目标的前提下，参照图3所示，利用本模块发射的软脉冲窄波束(直径约40-60cm，优选为50cm)直接照射地下矿体，按照一定勘探间距(如按照勘探线)多点探测矿体的赋存空间位置，从而可以精细圈定矿体的埋深、空间形态、产状等关键几何要素。对于中等至陡倾斜矿体，可以采用上、下盘联合探测以确定矿体的三维形态。根据发射功率相对应耦合的距离量程，可以大致确定矿体共振点与探测机位之间的距离，再根据波束倾角计算共振点的空间位置。在野外探测作业时必须做好探测数据的记录，以便后续数据整理和制图。

(6)机载模块(全称：机载功率信号源与窄幅波束发射模块)：

本模块主要由功率信号源、窄幅波束发射器和陀螺仪等组件构成。本模块与机载GPS、机载小型高分辨摄像机和多旋翼直升无人机共同构成空中移动探测平台。参照图4所示，机载模块与地面探测主机及信号接收模块共同构成地-空探测***，以实现探测区的快速扫描，实现面积性快速探测。在实时航空探测前，要预先根据探测区范围和地貌状况，选择合适的地面起飞机位、编制合理的飞行航线、根据地貌起伏状况设置平飞高度，并根据平飞高度和对地探测深度设置机载模块的发射功率。空-地共振探测信息链路为：机载模块升空后，对地垂直发射全频硬脉冲窄幅波束激励信号，与照射的小单元面积(波束投射到地面的范围)之下有效探测深度范围内的所有物质会形成全频共振；与此同时，地面主机对空选择性发射被探物质拉莫尔频率的软脉冲，实现与机载模块-地下物质之间全频共振信号的选择性共振。一旦机载模块在其飞行过程中探测到被探物质，其全频共振信号中必然包含被探物质的特征频率成分，这样地面主机对空信号必然与其发生选择共振，进而形成地下物质-机载模块-地面主机三者之间的核磁共振信号链路。这个核磁共振信号链路的实现，完全依赖于电磁波近区场(感应场)特有的能量传递和交换的瞬时超距作用特性。只要机载模块飞行过程中发现有被探物质的共振信号，位于地面主机就会瞬时感知到被探物质的特定共振信号。此时地面主机向无人机发出悬停指令，以便标记共振信号出现的起始位置的GPS坐标。实际操作中，机载模块穿越每条矿带或矿脉时，一般只记录共振信号的出现点和消失点的GPS坐标即可；这两点代表一个矿体(或矿脉)的两个边界与航线(或勘探线)的交点。后续资料整理和制图时，将勘探区多条航线(勘探线)上相应交点合理相连，就可绘制出勘探区内被探目标矿体或矿化体的平面分布形态。这类似于矿区地质矿(化)体填图。

(7)接收模块(全称：偶极信号接收模块)：

本模块主要由偶极天线、前置信号放大器、电源、连接线和独立机壳等组件，用于核磁共振信号的接收。本模块有目标过滤旋钮，可根据被探目标的体量大小设置接收信号放大权重。在对规模较大或距离较近的目标探测时，将档位调低以过滤小信号；对规模较小或距离较远的目标，将档位调高提高探测灵敏度。本模块在工作时需要操作者的人体寄生电容的参与，不同操作者人体寄生电容会有明显差别，因而需要与本模块的目标过滤装置做电磁兼容匹配。实操中，既可采用单极法也可采用偶极法。当操作者手持偶极天线移动切割了共振信号带的垂直极化磁场时，会在天线与人体组成的回路中产生感应电动势和感应电流，同时磁场对环路电流施加的安培力引起偶极天线的定向转动，这样就可以探测到信号源与被探目标之间共振信号带的位置和方位。信号带定位后，再用主机发射功率-距离量程耦合旋钮获取发生共振的临界点，推算出共振点(目标)与主机的距离。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，包括：主机***、拉莫尔频率计算模块、机载模块和接收模块；

所述主机***又包括：主机信号源模块、主机电源模块、内置全向发射模块、内置激频模块和外置波束模块；

拉莫尔频率计算模块，用于测量实时地磁总场强度和计算被探物质的拉莫尔频率，然后将所述地磁总场强度和所述拉莫尔频率的数据结果呈现在液晶显示屏并根据实际探测需求以备随时调用；

主机信号源模块，用于产生不同频率、不同波形的极低频软硬脉冲信号，并根据实际探测需求进行信号功率放大，对信号发射负载输出不同功率的调制电磁信号；

主机电源模块，用于给整个主机***进行供电；

内置全向发射模块，用于发射全空间扫描探测的软脉冲信号；

内置激频模块，用于激励物质样品的分子频率并发射携带有所述分子频率的波包脉冲，实现与样品近同质的对应物质的探测；

外置波束模块，用于目标物质的精细定位探测；

机载模块，用于探测区的快速空中扫描探测；

接收模块，用于核磁共振信号的接收；所述接收模块为独立模块，在所有地面探测和航空探测时与所述主机***联合应用；所述接收模块中的目标过滤装置采用单极法或偶极法进行电磁兼容匹配；

所述拉莫尔频率计算模块的输出端与所述主机信号源模块的输入端通过无线通讯连接；所述主机电源模块的输出端与所述主机信号源模块的输入端连接；所述主机信号源模块的输出端分别与所述内置全向发射模块、内置激频模块、外置波束模块的输入端连接；所述机载模块和所述接收模块为独立模块，在物质探测时与所述主机***联合应用；

所述接收模块在接收所述核磁共振信号的过程中，对操作者的人体寄生电容与所述接收模块的目标过滤装置做电磁兼容匹配；

所述机载模块在快速空中扫描探测过程中，对地垂直发射全频硬脉冲窄幅波束激励信号，与照射的小单元面积之下有效探测深度范围内的所有物质形成全频共振，所述主机***对空选择性发射被探物质拉莫尔频率的软脉冲，实现主机***、机载模块及地下物质之间全频共振信号的选择性共振。

2.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述拉莫尔频率计算模块为独立模块，使用时与所述主机信号源模块通过无线通讯进行信息传输或将其计算数据手动输入所述主机信号源模块；

所述拉莫尔频率计算模块包括电源、地磁传感器、中央处理器、存储器、液晶显示器、频率计算程序、蓝牙；所述电源、地磁传感器、存储器、液晶显示器、频率计算程序和所述蓝牙均与中央处理器电性连接；

所述电源，用于给拉莫尔频率计算模块统一供电；所述地磁传感器，用于测量实时地磁场强度；所述中央处理器，用于解析该模块的指令或者处理该模块中的数据；所述存储器，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；所述液晶显示器，用于将计算或者测量的数据呈现在屏幕上；频率计算程序，用于计算或者调用物质的实时拉莫尔频率；蓝牙，用于与所述主机信号源模块传输特定频率的信号。

3.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述主机信号源模块，包括：中央控制器、多波形信号发生电路、功率放大电路、显示屏、直流电源、面板、蓝牙；

所述多波形信号发生电路、功率放大电路、中央处理器均与所述直流电源电性连接；所述显示器、面板和所述蓝牙均与所述中央处理器电性连接；

所述直流电源，用于给所述主机信号源模块统一供电；所述中央处理器，用于发送控制指令；所述多波形信号发生电路，用于生成特定频率和波形的电磁信号；所述面板，用于通过功能调节旋钮和键盘设置需要的功率放大、占空比、发射负载类型参数；所述显示屏用于将信号参数和功能参数实时显示在主机显示屏上；所述蓝牙用于与所述拉莫尔频率计算模块传输特定频率的信号发射指令；所述功率放大电路，用于根据实际探测需求进行信号功率放大。

4.根据权利要求3所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述主机信号源模块产生的波形为正弦波、矩形波、三角波或锯齿波；所述主机信号源模块的发射负载发射的波为连续波、硬脉冲或软脉冲；

所述发射负载的类型、探测模式或探测目标的不同，将采用不同的波形、功率、占空比的脉冲组合。

5.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述内置全向发射模块包括磁性探头和特制软磁芯；

所述磁性探头为铜质漆包线密绕在ABS工字型骨架的线圈；所述特制软磁芯置于工字架的中心位置。

6.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述内置全向发射模块采用多机位探测方法，获取每个机位的目标空间数据，将共生和伴生元素分别进行扫描探测，确定它们是否赋存在同一空间范围；所述每个机位的目标空间数据包括机位坐标、目标方位、机位-目标距离、被探元素；

所述内置全向发射模块与所述机载模块联合作业，采用机载模块全频激励和地面主机***选择共振的工作方式，实现探测区空中快速扫描探测。

7.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述内置激频模块包括物质频率激励探头；所述内置激频模块与所述主机功率信号发生模块电性连接；所述内置激频模块与所述内置全向发射模块的结构相同，电磁参数不同；

所述内置激频模块，用于激励物质样品的分子频率并发射携带所述分子频率的波包脉冲，实现探测与样品近同质的对应物质，即将样品置于物质激发区，对其施加特定中心频率的全频高能硬脉冲，激发其分子频率成分，通过混频调制产生含有样品分子频率成分的波包脉冲，再将这些波包脉冲通过全向发射天线辐射到探测区域；

当包含样品分子频率成分的波包脉冲在其所属辐射空间照射到样品同质的物质，二者就会发生共振吸收形成磁共振信号；

所述全频高能硬脉冲为载波，所述物质分子频率为有效信号。

8.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述外置波束模块为可分离模块，仅在实施精细定位探测时与所述主机信号源模块的外置端口连接；

所述外置波束模块包括窄幅波束发射探头、特制软磁芯、管状谐振腔、激光指向器、航空插头和刻度三角支架；所述窄幅波束发射探头和所述特制软磁芯均固定在管状谐振腔内部，并与航空插头电性连接；所述激光指向器用螺丝固定在管状谐振腔的上方；所述管状谐振腔与所述刻度三角支架以螺丝固定。

9.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，

所述外置波束模块发射的软脉冲窄波束直接照射地下目标，按照一定勘探间距多点探测矿体的赋存空间位置；针对中等至陡倾斜目标，采用上、下盘联合探测方式对目标的三维形态做出圈定。

10.根据权利要求1所述的基于地球场核磁共振的非侵入性远程物质探测装置，其特征在于，所述机载模块为独立模块，仅在实施探测区航空探测时与所述主机***联合应用；

所述机载模块要预先根据探测区范围和地貌状况，选择地面起飞机位、编制飞行航线、设置平飞高度，并根据所述平飞高度和对地探测的深度来设置所述机载模块的发射功率。

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