基于正交矢量放大的MRS信號采集模塊設計----背景及其原理

1.1研究背景及意義

本文研究內容為“十一五”國家科技支撐計劃重大項目和吉林省科技支撐計劃基金資助項目：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是由吉林大學儀器科學與電氣工程學院核磁共振項目組，為探測地下150米以內含水層而設計。本論文研究的核磁共振信號采集模塊是核磁共振找水儀科研樣機的采集模塊。

水是人類賴以生存的基本物質。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，工業(yè)發(fā)展和灌溉農業(yè)的擴張等因素引起的水資源缺乏問題，已經(jīng)與資源問題，環(huán)境問題成為威脅人類生存的三大問題?，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%的人口面臨嚴重缺水的威脅。我國也是一個水資源短缺的國家，水已經(jīng)越來越限制和影響著我們各項事業(yè)的發(fā)展。目前全國600多個城市中，400多個缺水，其中100多個面臨嚴重缺水。

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)濟的方法。地下水具有水量穩(wěn)定、水質好和處理費用低等優(yōu)點。目前歐美等許多國家的地下水在供水中的比例達到50%，與之相比我國的地下水在總供水中的比例只為16%，可以看出我國地下水資源利用潛力比較大。所以科學、合理的開發(fā)利用地下水是解決我國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、對技術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。地層越深對勘探技術的要求越高，需要更加可行、有效、穩(wěn)定和成本較低的勘測儀器與之相配套。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)點有：

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

2.該方法受地質因素影響小。

3.反演解釋具有量化的特點，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，快速。核磁共振測點的費用僅約為地質勘探鉆孔費用的1/10.可以快速地得到地下水分布直方圖等地質信息

.核磁共振信號采集模塊能夠有效地提取信號的初始幅度、初始相位等關鍵參數(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、地下介質的滲透性以及出水量大小的估計[6].所以說核磁共振信號采集模塊是提高弱信號檢測能力的重要部分，是實現(xiàn)對微弱核磁共振信號提取的關鍵部分，其性能直接影響了整套儀器的性能。

1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1962年，美國的R H Varian曾經(jīng)提出過利用核磁共振現(xiàn)象尋找地下水的構想，但是以后沒有商業(yè)用儀器的發(fā)布及相關學術報道。1965年，中國的張昌達、崔岫峰等也曾經(jīng)進行過核磁共振技術找水的初步試驗，整體方法思路是基本正確的，但由于當時的技術條件等限制，最后沒有找到地下水核磁共振信號。他們最后都沒有提出可行的核磁共振技術器及其方法，但是他們所做的前期性研究依然是核磁共振找水技術領域不可或缺的工作。

1978年，前蘇聯(lián)科學院（后為俄羅斯科學院）西伯利亞分院化學動力學和燃燒研究所（ICKC）以A.G.Semenov為首的一批研究人員，開始了核磁共振技術找水方法的研究，3年后研制成功了世界上第一臺原理樣機，在其后的10年時間內，他們對儀器做了進一步的改進。他們在研制開發(fā)，改進儀器的同時，還進行了解釋方法的研究。并且在前蘇聯(lián)境內的俄羅斯、立陶宛、哈薩克斯坦、烏克蘭、北極圈附近和美國、澳大利亞、以色列、法國、中國等國家進行了方法效果試驗，取得了世界領先的研究成果。

1994年，法國地調局（BRGM）的IRIS公司購買俄羅斯找水儀專利，并于1996年生產出了新型的核磁共振找水儀-核磁感應系統(tǒng)（NUMIS），法國成了世界上第二個研制核磁共振找水儀的國家。

中國原地礦部信息研究院崔霖沛高級工程師最先向國內介紹了核磁共振技術在找水方面的最新應用。1992年，中國地質大學（武漢）核磁共振技術找水科研組開始核磁共振技術的研究，取得了一定的研究成果。中國地質大學的潘玉玲教授、張昌達教授等于1997年引進法國IRIS公司生產的核磁共振找水儀NUMIS，揭開了我國核磁共振直接找水的新篇章。國內的有關單位也引進了NUMIS系統(tǒng)和NUMIS+系統(tǒng)，在我國的湖北，湖南，福建，內蒙古，新疆等省市進行了實際找水工作.目前，在國內水利部牧區(qū)水利科學研究所利用NUMIS系統(tǒng)在內蒙古自治區(qū)及蒙古國進行大量的找水工程。同時中國地質大學利用該儀器在滑坡監(jiān)測、壩堤滲漏、考古等領域進行了研究。吉林大學儀器科學與電氣工程學院自2001年開始進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)解決實際問題。

1.3本論文的主要內容

本文在掌握核磁共振找水技術原理的基礎上，作為吉林大學教育部地球信息探測儀器重點實驗室核磁共振項目組的一部分，主要對經(jīng)過核磁共振放大器放大后的核磁共振信號進行采集。獲取核磁共振信號實際上是獲取其包絡信號，稱為自由感應衰減信號（free induction decay，縮寫為FID信號）.本文所研究的內容是根據(jù)乘法型正交矢量鎖定放大器的基本原理，利用CPLD和D/A轉換器進行核磁共振信號和參考信號相乘，實現(xiàn)信號正交矢量放大功能，提取出FID信號，獲得核磁共振找水探測的各關鍵參數(shù)。根據(jù)FID信號包含的參數(shù)，對地下水信息進行反演，確定地下水水量、地層結構等信息，以指導工程實踐。本論文具體結構和內容包括：

第一章為緒論，主要介紹了本文的研究背景和意義，國內外的發(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，再通過分析核磁共振信號的特點，提出了基于正交矢量放大方法的核磁共振信號包絡采集模塊的設計方案。最后通過仿真驗證了該設計方案的可行性。

第三章對采集模塊的技術指標做了介紹，并給出了采集模塊的整體設計框圖。

第四章介紹了采集模塊的硬件設計，給出了主要電路的設計思路和一些調試過程中的實測結果。

第五章介紹采集模塊的軟件實現(xiàn)。包括單片機軟件實現(xiàn)、CPLD軟件實現(xiàn)和上位機主控軟件說明。

第六章對采集模塊進行了一系列室內測試及野外實測，并對測試結果進行了分析說明。

第七章對全文進行總結，并提出進一步的改進建議。

第二章核磁共振信號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中磁旋比最大的核子。水中氫核在內的多種原子核均具有一個不為零的偶磁矩，描述磁矩存在的經(jīng)典模型是旋轉著的帶電粒子。

如果一個磁矩為M的自旋帶電粒子被放在強度為B₀的磁場中時，磁矩將承受一個使其與磁場趨于平行的扭力矩。因為地下水中的氫核具有核子順磁性，它又是地層中具有核子順磁性的物質中豐度最高的粒子，所以在地球磁場B0的作用下，氫核將處于一定的能級，同時氫核表現(xiàn)出沿地球磁場方向排列的磁矩.圖2.1為M的運動情況。

結果，該磁矩將圍繞外加磁場并按照拉莫爾方程決定的旋進頻率f₀（Lamor頻率）旋進，其中：

式中γ為旋磁比，由下式?jīng)Q定：

式中g為朗得因子，是粒子的自旋運動或軌道運動相對于其總角動量的度量。對于一個電子，g等于2.0023，而對于氫核，g為5.58490.自由電子和水中質子的玻爾磁力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）式中并取國際制單位，我們就得到水中的質子旋進頻率為：

式（2-3）的重要特征是旋進頻率與粒子磁矩和極化場方向的初始夾角無關。為了改變粒子的取向則必須要改變磁能，可以在與地球磁場垂直的方向上加入一個交變磁場去激發(fā)地下的₁¹H質子，并讓其激發(fā)磁場頻率等于拉莫爾頻率，拉莫爾旋進的方向取決于磁矩的符號，于是氫核₁¹H的磁矩就會偏離地球磁場的方向從而形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在磁場中產生旋進運動，其旋進頻率為氫核₁¹H所特有。當激發(fā)場停止后，宏觀磁矩又會恢復到沿著地球磁場的方向，在這個短暫的恢復過程中，氫核₁¹H將圍繞地球磁場進動，從而產生一個按指數(shù)規(guī)律衰減的電磁信號即MRS信號，可以用儀器的天線接收這個電磁信號，即可探測地下水的存在.MRS信號示意圖如圖2.2所示。