阵列式宽带核磁共振全波采集系统的研制

发布时间：2017-09-15 16:27

  本文关键词：阵列式宽带核磁共振全波采集系统的研制

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【摘要】：核磁共振地下水探测仪器是目前唯一的非侵入式直接地下水探测仪器，利用获得的核磁共振信号可以准确反演出地下水的含量，深度，孔隙度等重要水文地质参数，这些有益的条件使得核磁共振地下水探测仪器在近三十年中获得了飞速的发展。 吉林大学于2000年开始进行核磁共振地下水探测仪器的研制，经过团队五年的努力，研制出了第一台核磁共振原理样机，并开发出了相应的核磁共振方法反演软件，在全国很多地方进行了测试和测量；通过实际测量数据和相应的打井资料对比，证实了仪器的可靠性及准确性。随后同法国研制的NUMIS型商品化核磁共振仪器进行对照，发现吉林大学设计的JLMRS-I型核磁共振仪器相对于NUMIS型核磁共振仪器，在相同的试验环境下，经过较少的叠加次数就可以达到相同的信噪比，大大提高了仪器的测量效率和反演的准确性。JLMRS-I型核磁共振找水仪最大探测深度可达150m，达到了国际先进水平。但是JLMRS-I型核磁共振找水仪只能进行一维的核磁共振探测，对层状地下水得出准确的结果，对于中国西南地区特殊地形下的老空水、岩溶水，只有利用阵列式核磁共振仪器进行探测，利用二维的核磁共振反演方法才能够得到较准确的结果。 本论文中设计了阵列式宽带核磁共振全波采集系统，针对于JLMRS-I型的包络采集方法，本设计中利用全波采集，克服了包络采集数据量太少为后续的数据处理和反演解释带来的问题；采集卡则利用美国的NI仪器公司设计的24bit四通道同步采集卡，它具有较高的采样精度、灵敏度及可靠性；利用网线进行数据传输，可以实现大量数据的快速上传；阵列式测量也为二维的反演解释及参考消噪方法奠定了硬件基础，使仪器的测量效率爬升了一个台阶；本系统中放大器的设计，加入了低噪声前置放大器技术，宽带低矩形系数滤波技术，保证了放大器具有较小的硬件延时，能够获得更加微弱的核磁共振信号；在仪器系统的设计中，利用模块化的设计方法，并对接口做了相应的规定，保证了模块调试的便捷性，利用不锈钢设计结构骨架，在有效的机械强度下，降低了仪器的重量，在野外工作中节省了时间和人力成本。 本论文中设计的阵列式宽带核磁共振全波采集系统，前置放大器的本底噪声为0.7nV/Hz1/2，带通滤波器的带宽为1.6kHz，放大器的放大倍数为66dB~110dB，动态范围为124.4dB，采集卡的精度为24bit，采样频率为25kHz。经过室内测试整体放大器的本低噪声为1.5nV/Hz1/2，四个通道具有较好的一致性，上位机控制软件基于LabView的状态机设计，借鉴了JLMRS-I型核磁共振找水仪的通讯协议格式，，扩展了阵列式宽带核磁共振全波采集系统的通讯协议，完全兼容JLMRS-I型核磁共振找水仪，使JLMRS-I型核磁共振找水仪的发射系统和该阵列式宽带全波采集系统能够配合使用，保证了整体系统的可实用性。在室内及野外测试中均获得了较好的核磁共振信号，验证了该阵列式宽带核磁共振全波采集系统的有效性和可靠性。
【关键词】：核磁共振 阵列式 全波采集 低噪声 宽带
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH763.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题研究背景10
• 1.2 国内外发展现状10-12
• 1.2.1 国外发展现状10-11
• 1.2.2 国内发展现状11-12
• 1.3 本文的研究意义与结构安排12-14
• 1.3.1 本文研究意义12
• 1.3.2 本文结构安排12-14
• 第2章 核磁共振地下水探测的基本原理及整体系统设计14-20
• 2.1 核磁共振地下水探测的基本原理14-17
• 2.2 阵列式宽带核磁共振全波采集系统的整体设计17-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 阵列式宽带核磁共振全波采集系统的硬件设计20-40
• 3.1 信号调理模块设计20-34
• 3.1.1 放大器噪声分析21-23
• 3.1.2 低噪声前置放大器设计23-26
• 3.1.3 线圈匹配电路的设计26-29
• 3.1.4 低矩形系数带通滤波器设计29-32
• 3.1.5 后级放大器设计32-34
• 3.2 电源模块设计34
• 3.3 控制器模块设计34-37
• 3.3.1 ARM 模块设计35
• 3.3.2 CPLD 模块设计35-36
• 3.3.3 RS485 通讯模块设计36-37
• 3.3.4 其余模块设计37
• 3.4 采集模块设计37-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 阵列式宽带全波采集系统控制软件的编写40-54
• 4.1 上位机控制软件设计40-50
• 4.1.1 阵列式核磁共振找水仪的通讯协议40-41
• 4.1.2 上位机软件设计41-50
• 4.2 控制器软件设计50-53
• 4.2.1 CPLD 软件设计50-52
• 4.2.2 ARM 软件设计52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 室内测试及野外试验54-62
• 5.1 室内测试54-60
• 5.1.1 前置放大器短路噪声测试54-55
• 5.1.2 带通滤波器测试55
• 5.1.3 配谐电容测试55-56
• 5.1.4 信号调理模块增益标定56-57
• 5.1.5 通道一致性测试57-58
• 5.1.6 采集系统短路噪声测试58-59
• 5.1.7 模拟核磁共振信号测试59-60
• 5.2 野外测试60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第6章 全文总结及研究建议62-64
• 6.1 全文总结62
• 6.2 下一步研究建议62-64
• 参考文献64-67
• 作者简介及在学期间所取得的研究成果67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：857631