基于正交矢量放大的MRS信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)----背景及其原理

1.1研究背景及意義

本文研究?jī)?nèi)容為“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目和吉林省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目：核磁共振找水儀研制與開發(fā)課題中的一部分。核磁共振找水儀科研樣機(jī)是由吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院核磁共振項(xiàng)目組，為探測(cè)地下150米以內(nèi)含水層而設(shè)計(jì)。本論文研究的核磁共振信號(hào)采集模塊是核磁共振找水儀科研樣機(jī)的采集模塊。

水是人類賴以生存的基本物質(zhì)。盡管地球上水的總量巨大，但是占總量97.4%的海洋水等現(xiàn)在還不能被人類大規(guī)模的直接利用，人類需要的淡水只占總量的2.6％。而淡水資源中的大部分約占淡水總量87％位于兩極及高山的冰川、冰冠，以及現(xiàn)在人類還不能利用的深層地下?，F(xiàn)今人類主要利用的淡水資源包括河水，湖泊水和淺層地下水的一部分，其總量只占地球總水量的0.2%.

人口增長(zhǎng)，工業(yè)發(fā)展和灌溉農(nóng)業(yè)的擴(kuò)張等因素引起的水資源缺乏問(wèn)題，已經(jīng)與資源問(wèn)題，環(huán)境問(wèn)題成為威脅人類生存的三大問(wèn)題?，F(xiàn)在世界約有1/3的人口生活在中度和高度缺水的地區(qū)，有40%的人口面臨嚴(yán)重缺水的威脅。我國(guó)也是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，水已經(jīng)越來(lái)越限制和影響著我們各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展。目前全國(guó)600多個(gè)城市中，400多個(gè)缺水，其中100多個(gè)面臨嚴(yán)重缺水。

在眾多解決水資源缺乏途徑中，合理有度的開采地下水是一條有效，可行并且可以是經(jīng)濟(jì)的方法。地下水具有水量穩(wěn)定、水質(zhì)好和處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前歐美等許多國(guó)家的地下水在供水中的比例達(dá)到50%，與之相比我國(guó)的地下水在總供水中的比例只為16%，可以看出我國(guó)地下水資源利用潛力比較大。所以科學(xué)、合理的開發(fā)利用地下水是解決我國(guó)目前水資源缺乏的重要途徑之一。

地下水資源總量雖然比較豐富，隨著人類開發(fā)利用程度加深，開發(fā)成本低廉、對(duì)技術(shù)要求低的淺層地下水的開采潛力已經(jīng)不大，只能向更深的地層尋找地下水。地層越深對(duì)勘探技術(shù)的要求越高，需要更加可行、有效、穩(wěn)定和成本較低的勘測(cè)儀器與之相配套。目前水資源探尋方法主要有核物理法、激發(fā)極化法、電阻率法、聲頻大地電磁法、和核磁共振找水法等.核磁共振找水（Magnetic Resonance Sounding，縮寫為MRS）方法是目前世界上唯一的可以直接尋找地下水的地球物理方法[3][4].與其它找水方法相比主要優(yōu)點(diǎn)有：

1.直接找水，特別是找淡水。在該方法的探測(cè)深度范圍內(nèi)，地層中只要有自由水存在，就有MRS信號(hào)，反之，則沒有響應(yīng)。

2.該方法受地質(zhì)因素影響小。

3.反演解釋具有量化的特點(diǎn)，信息量豐富。該方法反演解釋后可以得到各含水層的深度、厚度、單位體積含水量，并可提供含水層平均孔隙度等信息。

4.經(jīng)濟(jì)，快速。核磁共振測(cè)點(diǎn)的費(fèi)用僅約為地質(zhì)勘探鉆孔費(fèi)用的1/10.可以快速地得到地下水分布直方圖等地質(zhì)信息

.核磁共振信號(hào)采集模塊能夠有效地提取信號(hào)的初始幅度、初始相位等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)能夠反映地下含水層水量的大小、地下物性界面的起伏情況、地下介質(zhì)的滲透性以及出水量大小的估計(jì)[6].所以說(shuō)核磁共振信號(hào)采集模塊是提高弱信號(hào)檢測(cè)能力的重要部分，是實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱核磁共振信號(hào)提取的關(guān)鍵部分，其性能直接影響了整套儀器的性能。

1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1962年，美國(guó)的R H Varian曾經(jīng)提出過(guò)利用核磁共振現(xiàn)象尋找地下水的構(gòu)想，但是以后沒有商業(yè)用儀器的發(fā)布及相關(guān)學(xué)術(shù)報(bào)道。1965年，中國(guó)的張昌達(dá)、崔岫峰等也曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)核磁共振技術(shù)找水的初步試驗(yàn)，整體方法思路是基本正確的，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件等限制，最后沒有找到地下水核磁共振信號(hào)。他們最后都沒有提出可行的核磁共振技術(shù)器及其方法，但是他們所做的前期性研究依然是核磁共振找水技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的工作。

1978年，前蘇聯(lián)科學(xué)院（后為俄羅斯科學(xué)院）西伯利亞分院化學(xué)動(dòng)力學(xué)和燃燒研究所（ICKC）以A.G.Semenov為首的一批研究人員，開始了核磁共振技術(shù)找水方法的研究，3年后研制成功了世界上第一臺(tái)原理樣機(jī)，在其后的10年時(shí)間內(nèi)，他們對(duì)儀器做了進(jìn)一步的改進(jìn)。他們?cè)谘兄崎_發(fā)，改進(jìn)儀器的同時(shí)，還進(jìn)行了解釋方法的研究。并且在前蘇聯(lián)境內(nèi)的俄羅斯、立陶宛、哈薩克斯坦、烏克蘭、北極圈附近和美國(guó)、澳大利亞、以色列、法國(guó)、中國(guó)等國(guó)家進(jìn)行了方法效果試驗(yàn)，取得了世界領(lǐng)先的研究成果。

1994年，法國(guó)地調(diào)局（BRGM）的IRIS公司購(gòu)買俄羅斯找水儀專利，并于1996年生產(chǎn)出了新型的核磁共振找水儀-核磁感應(yīng)系統(tǒng)（NUMIS），法國(guó)成了世界上第二個(gè)研制核磁共振找水儀的國(guó)家。

中國(guó)原地礦部信息研究院崔霖沛高級(jí)工程師最先向國(guó)內(nèi)介紹了核磁共振技術(shù)在找水方面的最新應(yīng)用。1992年，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）核磁共振技術(shù)找水科研組開始核磁共振技術(shù)的研究，取得了一定的研究成果。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的潘玉玲教授、張昌達(dá)教授等于1997年引進(jìn)法國(guó)IRIS公司生產(chǎn)的核磁共振找水儀NUMIS，揭開了我國(guó)核磁共振直接找水的新篇章。國(guó)內(nèi)的有關(guān)單位也引進(jìn)了NUMIS系統(tǒng)和NUMIS+系統(tǒng)，在我國(guó)的湖北，湖南，福建，內(nèi)蒙古，新疆等省市進(jìn)行了實(shí)際找水工作.目前，在國(guó)內(nèi)水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所利用NUMIS系統(tǒng)在內(nèi)蒙古自治區(qū)及蒙古國(guó)進(jìn)行大量的找水工程。同時(shí)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)利用該儀器在滑坡監(jiān)測(cè)、壩堤滲漏、考古等領(lǐng)域進(jìn)行了研究。吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院自2001年開始進(jìn)行理論及儀器的研究，目前已開始利用自主研發(fā)的JLMRS找水系統(tǒng)解決實(shí)際問(wèn)題。

1.3本論文的主要內(nèi)容

本文在掌握核磁共振找水技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，作為吉林大學(xué)教育部地球信息探測(cè)儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核磁共振項(xiàng)目組的一部分，主要對(duì)經(jīng)過(guò)核磁共振放大器放大后的核磁共振信號(hào)進(jìn)行采集。獲取核磁共振信號(hào)實(shí)際上是獲取其包絡(luò)信號(hào)，稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)（free induction decay，縮寫為FID信號(hào)）.本文所研究的內(nèi)容是根據(jù)乘法型正交矢量鎖定放大器的基本原理，利用CPLD和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行核磁共振信號(hào)和參考信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)信號(hào)正交矢量放大功能，提取出FID信號(hào)，獲得核磁共振找水探測(cè)的各關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)FID信號(hào)包含的參數(shù)，對(duì)地下水信息進(jìn)行反演，確定地下水水量、地層結(jié)構(gòu)等信息，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。本論文具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容包括：

第一章為緒論，主要介紹了本文的研究背景和意義，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。

第二章為基本理論，首先介紹了核磁共振找水的原理，再通過(guò)分析核磁共振信號(hào)的特點(diǎn)，提出了基于正交矢量放大方法的核磁共振信號(hào)包絡(luò)采集模塊的設(shè)計(jì)方案。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

第三章對(duì)采集模塊的技術(shù)指標(biāo)做了介紹，并給出了采集模塊的整體設(shè)計(jì)框圖。

第四章介紹了采集模塊的硬件設(shè)計(jì)，給出了主要電路的設(shè)計(jì)思路和一些調(diào)試過(guò)程中的實(shí)測(cè)結(jié)果。

第五章介紹采集模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。包括單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)、CPLD軟件實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)主控軟件說(shuō)明。

第六章對(duì)采集模塊進(jìn)行了一系列室內(nèi)測(cè)試及野外實(shí)測(cè)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析說(shuō)明。

第七章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并提出進(jìn)一步的改進(jìn)建議。

第二章核磁共振信號(hào)采集模塊的原理及分析

2.1核磁共振找水原理

核磁共振是原子核的一種物理現(xiàn)象，指具有核子順磁性的物質(zhì)選擇性地吸收電磁能量。氫核是地層中具有核子順磁性物質(zhì)中磁旋比最大的核子。水中氫核在內(nèi)的多種原子核均具有一個(gè)不為零的偶磁矩，描述磁矩存在的經(jīng)典模型是旋轉(zhuǎn)著的帶電粒子。

如果一個(gè)磁矩為M的自旋帶電粒子被放在強(qiáng)度為B₀的磁場(chǎng)中時(shí)，磁矩將承受一個(gè)使其與磁場(chǎng)趨于平行的扭力矩。因?yàn)榈叵滤械臍浜司哂泻俗禹槾判?，它又是地層中具有核子順磁性的物質(zhì)中豐度最高的粒子，所以在地球磁場(chǎng)B0的作用下，氫核將處于一定的能級(jí)，同時(shí)氫核表現(xiàn)出沿地球磁場(chǎng)方向排列的磁矩.圖2.1為M的運(yùn)動(dòng)情況。

結(jié)果，該磁矩將圍繞外加磁場(chǎng)并按照拉莫爾方程決定的旋進(jìn)頻率f₀（Lamor頻率）旋進(jìn)，其中：

式中γ為旋磁比，由下式?jīng)Q定：

式中g(shù)為朗得因子，是粒子的自旋運(yùn)動(dòng)或軌道運(yùn)動(dòng)相對(duì)于其總角動(dòng)量的度量。對(duì)于一個(gè)電子，g等于2.0023，而對(duì)于氫核，g為5.58490.自由電子和水中質(zhì)子的玻爾磁力β分別為9.2712×10^-21和5.04593×10^-27J/T.h是普朗克常數(shù)，h= 6.626×10^-34J .s.

把這些值代入（2-1）、（2-2）式中并取國(guó)際制單位，我們就得到水中的質(zhì)子旋進(jìn)頻率為：

式（2-3）的重要特征是旋進(jìn)頻率與粒子磁矩和極化場(chǎng)方向的初始夾角無(wú)關(guān)。為了改變粒子的取向則必須要改變磁能，可以在與地球磁場(chǎng)垂直的方向上加入一個(gè)交變磁場(chǎng)去激發(fā)地下的₁¹H質(zhì)子，并讓其激發(fā)磁場(chǎng)頻率等于拉莫爾頻率，拉莫爾旋進(jìn)的方向取決于磁矩的符號(hào)，于是氫核₁¹H的磁矩就會(huì)偏離地球磁場(chǎng)的方向從而形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在磁場(chǎng)中產(chǎn)生旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，其旋進(jìn)頻率為氫核₁¹H所特有。當(dāng)激發(fā)場(chǎng)停止后，宏觀磁矩又會(huì)恢復(fù)到沿著地球磁場(chǎng)的方向，在這個(gè)短暫的恢復(fù)過(guò)程中，氫核₁¹H將圍繞地球磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的電磁信號(hào)即MRS信號(hào)，可以用儀器的天線接收這個(gè)電磁信號(hào)，即可探測(cè)地下水的存在.MRS信號(hào)示意圖如圖2.2所示。