基于GPS与恒温晶振同步技术的磁共振找水仪控制系统设计

发布时间：2020-06-11 20:26

【摘要】：地面磁共振技术(Magnetic Resonance Sounding,MRS)是一种非侵害性可以直接进行地下水探测的地球物理方法,具有定性定量探测的优点,已广泛应用于我国干旱和半干旱区域地下水资源勘探领域。随着MRS技术由1D发展到2D/3D精细地下水成像,通常在几百米范围内实现;磁共振系统需要采用一台发射机匹配多台接收机进行多点同步测量。然而,当前系统的有线同步方式无法满足实际工作需求,同步信号经过长导线(100m)传输后会产生衰减和失真现象,进而导致延迟触发或误触发等问题。针对上述问题,本文首次提出一种基于磁共振系统的高精度无线同步技术,并开发了相应的发射与接收控制系统,最后进行了野外实验测试。论文主要研究内容如下:1.研究了地面磁共振控制系统的基本原理及有线同步的局限性,建立了长导线传输信号模型,分析了线缆长度对同步信号的影响。基于无线同步技术思路提出了新控制系统的总体设计方案和工作流程,并通过对磁共振找水仪脉冲矩规律和电容充电时长进行分析,确定同步信号周期,为实现系统设计奠定基础。2.针对有线同步存在延迟触发或误触发等问题,提出一种基于GPS(Global Positioning System)与恒温晶振(OCXO)的自校准高精度同步授时技术,全面保障系统工作的稳定性与精准性。结合GPS长时间无累计误差和恒温晶振短时间内可输出高精度时钟的优点,进行无线同步的补偿设计,以GPS的高精度秒脉冲为基准,利用PID算法对恒温晶振频率和相位进行校准。本文开发了同步授时模块,持续为发射机和接收机提供高精度的同步脉冲和准确的时间信息。3.在传统MRS发射与接收控制系统的基础上,设计了基于GPS与恒温晶振同步技术的新型控制系统。采用ARM+CPLD架构方案,设计了集发射时序控制、发射电流采集、IGBT驱动隔离电路等功能于一体的发射控制系统;基于GPS与恒温晶振同步授时模块和LabVIEW软件平台设计了接收机控制系统,通过预设协议、解析信息等,最终实现了发射与接收的高精度无线同步。最后,本文针对基于GPS与恒温晶振同步技术的磁共振找水仪控制系统进行了测试,测试结果表明GPS有效的情况下,同步脉冲信号精度可持续保持在250ns以内;在GPS突然失锁后,仪器仍能保持近60分钟的高精度同步工作,如果在此期间GPS重新定位有效,系统可迅速实现自校准,重现仪器的高精度同步脉冲和时间信息。综上所述,本文的研究满足了磁共振找水仪对同步精度的要求,实现了磁共振找水仪从有线同步到无线同步的跨越,为我国大面积2D/3D的地下水探测提供了强有力的技术支撑。
【图文】：

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第 1 章绪论的特点，提出了一种基于 GPS 与恒温晶振的自校准同步技术。基于该技术设计了具有自校准功能的高精度授时模块以及具有高精度同步特性的 MRS 发射与接收控制系统。测试结果表明新系统输出的同步信号精度明显提升，且稳定性较好。本文开发的基于 GPS 与恒温晶振的自校准同步技术的发射与接收控制系统可实现远距离以及复杂环境下的高精度同步工作，为磁共振大面积 2D/3D 的可靠探测奠定技术基础。实际应用中，基于 GPS 与恒温晶振无线同步技术的四通道磁共振找水仪 3D 探测示意图如图 1.1 所示。图中红色为发射线圈，蓝色为阵列接收线圈，黄色为采集噪声的参考线圈。

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色为阵列接收线圈，黄色为采集噪声的参考线圈。图 1.1 本文提出的 GPS 与恒温晶振无线同步技术磁共振找水仪 3D 探测示意图1.2 国内外研究现状1.2.1 地面磁共振仪器研究现状20 世纪 60 年代，Varian 首次提出了利用 MRS 技术探测地下水的构想，但受限于当时的技术水平，该构想仅仅停留在理论研究及专利申请阶段[14]。1978年，前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（ICKC）Semenov 等科学家设计完成了世界上首台磁共振找水仪“HYDROSCOPE”，并通过大量野外试验，，证明了 MRS 技术在地下水探测方面的优势[15]。1994 年，法国 IRIS 公司通过与 ICKC 合作，推出了世界上首套商品化的磁共振找水仪器 NUMIS 系统，如图 1.2a 所示。随后
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.531;P228.4

【参考文献】