本發(fā)明屬于地球物理勘探設(shè)備領(lǐng)域，尤其是一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置及工作方法。

背景技術(shù)：

在地面核磁共振找水過程中，發(fā)射裝置作為激發(fā)磁共振場的核心設(shè)備之一，具有大功率、精準(zhǔn)、快速的發(fā)射脈沖等特點，在核磁共振地下探水過程中，一般是通過增大激發(fā)脈沖矩來改變探測深度，激發(fā)脈沖矩為q＝I₀*τ_p，而I₀和τ_p分別為發(fā)射電流脈沖幅值和發(fā)射持續(xù)時間，發(fā)射時間通常是不變的，而增加激發(fā)脈沖矩主要靠增加發(fā)射電流，也就是增加大功率電源的電壓。因此，為了獲得更深層的水文信息，就需要發(fā)射裝置提供更大的電壓。而在實際探測過程中，由于探測地點周圍電磁環(huán)境復(fù)雜，噪聲干擾嚴(yán)重，就需要進(jìn)行多次疊加發(fā)射，來提高信噪比，進(jìn)而得到可用的核磁共振信號，但是每次疊加均需要達(dá)到較高的發(fā)射電壓，對儲能電容充電均需要數(shù)十秒以上的時間。而這樣疊加多次，導(dǎo)致每次測量需要長達(dá)兩個小時左右，這也就嚴(yán)重制約了核磁共振找水儀的效率和方法推廣。而一個具有快速持續(xù)充電特性的核磁共振發(fā)射裝置也就成為快速、高效探水的關(guān)鍵。

CN102053280A公開了一種帶有參考激發(fā)線圈的核磁共振地下水探測系統(tǒng)及探測方法。通過多路A/D采集單元采集發(fā)射/接收激發(fā)線圈中的核磁共振信號以及參考激發(fā)線圈中噪聲信號的全波形數(shù)據(jù)，通過計算參考激發(fā)線圈采集的噪聲信號與核磁共振信號的最大相關(guān)性，實現(xiàn)參考激發(fā)線圈最佳位置和數(shù)量的布設(shè)，在信號和噪聲統(tǒng)計特性未知的情況下，采用變步長自適應(yīng)算法，最大限度對消發(fā)射/接收激發(fā)線圈獲得核磁共振信號中的噪聲。其在一定程度上實現(xiàn)了多場源噪聲干擾下核磁共振信號的提取，有效地解決了居民區(qū)核磁共振探測干擾多、多種干擾噪聲數(shù)據(jù)難以分離的問題。

CN104216021A公開了一種基于分步式發(fā)射的地下核磁共振探測方法。采用的探測裝置包括發(fā)射激發(fā)線圈、發(fā)射上位機(jī)、下位機(jī)、升壓電源、儲能電容、發(fā)射橋路、檢測裝置以及配諧電容，發(fā)射上位機(jī)通過串口總線以及通訊接口與下位機(jī)相連接，下位機(jī)與升壓電源連接，升壓電源連接儲能電容給儲能電容充電，同時下位機(jī)通過驅(qū)動控制電路連接發(fā)射橋路后與儲能電容相連接，儲能電容通過配諧電容連接發(fā)射激發(fā)線圈相連接，同時儲能電容通過檢測裝置檢測電壓，檢測裝置的輸出端與下位機(jī)相連接，檢測裝置檢測發(fā)射激發(fā)線圈的電流與下位機(jī)相連接，通過對儲能電容的一次充電多次發(fā)射的模式，提高了探測過程中的工作效率，減少了重復(fù)工作耗費的時間。

上述發(fā)明的核磁共振找水發(fā)射裝置針對特殊的需要和應(yīng)用場合均具有較高的測量精度和良好的測量效果，但都存在一些不足：帶有參考激發(fā)線圈的核磁共振地下水探測系統(tǒng)及探測方法中由于其采用傳統(tǒng)的單DC-DC電源、單電容充電，故充電效率較低且耗時較長，這就嚴(yán)重制約了核磁找水探測的工作效率。而基于分步式發(fā)射的地下核磁共振探測方法，雖然采用一次充電達(dá)到設(shè)定的發(fā)射電壓值，但是在多次發(fā)射后電量損失十分嚴(yán)重，經(jīng)過多次發(fā)射疊加以后，無法提供足夠大的發(fā)射電壓，而且同樣面臨著充電緩慢的問題，因此，也就無法快速獲取利于反演的核磁共振信號。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置及工作方法，通過多個中、小型功率陣列電源對電容組進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的充電，不僅能夠保持每次發(fā)射激發(fā)電壓，還能夠在多次疊加后保持初始設(shè)定電壓，而且在減小體積的同時提高對儲能電容組的充電效率。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，

一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置，包括：

PC機(jī)，內(nèi)置有上位機(jī)軟件對發(fā)射電壓、疊加次數(shù)、拉莫爾頻率、發(fā)射持續(xù)時間、能量釋放時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

MCU主控單元，與PC機(jī)進(jìn)行通訊，對陣列逆變電源進(jìn)行控制，并將電流電壓檢測模塊檢測到的發(fā)射橋路的電流電壓信號傳遞至PC機(jī)；

FPGA邏輯控制單元，接受所述MCU主控單元的啟動命令，產(chǎn)生的具有拉莫爾頻率時序通過驅(qū)動模塊驅(qū)動發(fā)射橋路，使得發(fā)射橋路工作，將高壓直流電信號轉(zhuǎn)變成具有當(dāng)?shù)乩獱栴l率的高壓交變電信號；

能釋單元，通過MCU主控單元控制，連接激發(fā)線圈的儲能電容組，在發(fā)射結(jié)束后根據(jù)儲能電容組中的剩余電量，通過能釋單元將剩余電量進(jìn)行釋放。

配諧電容與線圈共同作用，發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生具有當(dāng)?shù)乩獱栴l率的交變脈沖信號激發(fā)場。

進(jìn)一步地，所述陣列逆變電源包括并聯(lián)的多個逆變電源模塊，所述多個逆變電源模塊與電壓控制模塊的輸出連接，同時通過連接的均流控制單元對各個逆變電源模塊進(jìn)行電流均分，通過電流值反饋進(jìn)行電流實時調(diào)節(jié)，使得每個逆變電源模塊輸出的電流基本上相同。

進(jìn)一步地，所述陣列逆變電源通過同步輸出模塊對儲能電容組進(jìn)行恒流充電。

進(jìn)一步地，逆變電源模塊包括：

將低壓電信號轉(zhuǎn)化為高頻交變低壓電信號的全橋逆變模塊；

通過原邊端接受高頻交變低壓電信號，經(jīng)副邊端輸出高頻高壓電信號的高壓變壓器；

對高壓變壓器的輸出電壓進(jìn)行檢測的控制模塊；

通過控制模塊的控制對全橋逆變模塊進(jìn)行驅(qū)動，使得高壓變壓器穩(wěn)定輸出高頻高壓電信號的驅(qū)動模塊；

對高壓變壓器的輸出電壓進(jìn)行整流濾波的整流單元；以及，

檢測電路，對整流后的恒流輸出進(jìn)行檢測并傳至均流控制單元進(jìn)行電流均分調(diào)控。

進(jìn)一步地，整流單元轉(zhuǎn)換后的高壓電信號通過采樣電阻進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行恒流輸出。

進(jìn)一步地，均流控制單元首先對掛載的逆變電源模塊數(shù)量N進(jìn)行檢測記錄，而后根據(jù)設(shè)定的發(fā)射電壓與發(fā)射裝置發(fā)射一次后電壓差值為V_D大小，來決定對儲能電容組充電的電流I_D大小，以此基準(zhǔn)對所有模塊進(jìn)行實時調(diào)整，在進(jìn)行多次疊加發(fā)射時形成梯度電流對儲能電容充電。

一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置的工作方法，

1)、將發(fā)射裝置中的配諧電容6和激發(fā)線圈7兩端相連；

2)、通過PC機(jī)軟件對發(fā)射電壓、疊加次數(shù)、拉莫爾頻率、發(fā)射持續(xù)時間、能量釋放時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并經(jīng)由通信接口傳送至MCU主控單元；MCU主控單元對電壓參數(shù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，得到驅(qū)動電壓控制模塊控制字節(jié)，然后陣列逆變電源開始工作，并實時將電壓值反饋給上位機(jī)，控制陣列逆變電源的恒流輸出值；

3)在陣列逆變電源進(jìn)行工作同時，MCU主控單元通過通信總線啟動FPGA邏輯控制單元時序發(fā)生部分，F(xiàn)PGA邏輯控制單元產(chǎn)生的具有拉莫爾頻率時序來驅(qū)動發(fā)射橋路驅(qū)動模塊，使得大功率發(fā)射橋路工作，將高壓直流電信號轉(zhuǎn)變成具有當(dāng)?shù)乩獱栴l率的高壓交變電信號；

4)在發(fā)射工作時，電流電壓檢測模塊對發(fā)射電流進(jìn)行實時采集，并且經(jīng)過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓值，將采集回的電壓電流值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)由MCU主控單元反饋回給PC機(jī)軟件進(jìn)行實時顯示；

5)在發(fā)射結(jié)束后根據(jù)儲能電容中的剩余電量，通過能釋單元將剩余電量進(jìn)行釋放，已達(dá)到安全的目的。

進(jìn)一步地，所述陣列逆變電源包括并聯(lián)的多個逆變電源模塊，所述多個逆變電源模塊與電壓控制模塊的輸出連接，同時通過連接的均流控制單元對各個逆變電源模塊進(jìn)行電流均分，通過電流值反饋進(jìn)行電流實時調(diào)節(jié)，使得每個逆變電源模塊輸出的電流基本上相同。

進(jìn)一步地，第一組逆變電源模塊組將低壓電信號通過全橋逆變轉(zhuǎn)化為高頻交變低壓電信號，送至高壓變壓器原邊端，經(jīng)過高壓變壓器后副邊端輸出高頻高壓電信號，其中控制模塊主要是對變壓器的輸出電壓進(jìn)行檢測，同時調(diào)節(jié)驅(qū)動電路，使得變壓器穩(wěn)定輸出高頻高壓電信號，高頻高壓電信號經(jīng)過整流濾波電路后，輸出穩(wěn)定的直流高壓電信號，轉(zhuǎn)換后的高壓電信號通過高精度采樣電阻進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行恒流輸出；

在第一組逆變電源模塊進(jìn)行工作的同時，其余的逆變電源模塊同時進(jìn)行工作，均流控制單元對各個逆變電源模塊進(jìn)行電流均分，通過電流值反饋進(jìn)行電流實時調(diào)節(jié)，使得逆變電源模塊輸出的電流基本上相同；然后將所有逆變電源模塊輸出電流經(jīng)由同步輸出模塊對儲能電容組進(jìn)行恒流充電，達(dá)到預(yù)定設(shè)置發(fā)射電壓后停止對儲能電容充電，至此完成一次發(fā)射。

進(jìn)一步地，均流控制單元首先對掛載的逆變電源模塊數(shù)量檢測記錄，而后根據(jù)設(shè)定的發(fā)射電壓與發(fā)射裝置發(fā)射一次后電壓差值V_D大小，來決定對儲能電容組充電的電流I_D大小，其中每個逆變電源模塊的充電電流基準(zhǔn)為I＝I_D/N，N為逆變電源模塊的數(shù)量；均流控制單元以此基準(zhǔn)對所有模塊進(jìn)行實時調(diào)整，在進(jìn)行多次疊加發(fā)射時，重復(fù)上述步驟，形成梯度電流對儲能電容組充電。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

本發(fā)明滿足在多變淺層、深層地下水探測和空間分布不均勻的礦井、隧道等不同復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的發(fā)射需求。根據(jù)不同的探測環(huán)境以及不同的探測深度，可以通過增加或者減少陣列電源模塊，組合成具有不同的發(fā)射功率的發(fā)射裝置，為產(chǎn)生穩(wěn)定的激發(fā)場提供持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)射電壓。由于采用陣列逆變充電，故其具有更高的維護(hù)性和冗余性，而且能夠在減少發(fā)射裝置體積的同時，還能夠提高發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定性和充電效率，進(jìn)而提高地下水探測工作效率，為后期獲取有效、準(zhǔn)確的含水體磁共振信號提供可靠的保證。

附圖說明

圖1為基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置的模塊結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為一實施例中3組陣列逆變電源模塊框圖；

圖3為全橋逆變模塊的電路圖；

圖4為均流控制單元的電路圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1，一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置，包括：

PC機(jī)、MCU主控單元、FPGA邏輯控制單元、驅(qū)動模塊、發(fā)射橋路、配諧電容、激發(fā)線圈、電流電壓檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、陣列逆變電源、電壓控制、D/A轉(zhuǎn)換模塊、能釋單元、24V直流電源等構(gòu)成。PC機(jī)經(jīng)MCU主控單元、FPGA邏輯控制單元、驅(qū)動模塊、發(fā)射橋路、配諧電容與激發(fā)線圈相連；MCU主控單元經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊、電壓控制模塊、陣列逆變電源與發(fā)射橋路相連；同時發(fā)射橋路經(jīng)由電流電壓檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊與MCU主控單元連接；MCU主控單元經(jīng)由能釋單元與激發(fā)線圈。24V直流電源為整個發(fā)射系統(tǒng)工作提供電源。

具體地：PC機(jī)，內(nèi)置有上位機(jī)軟件對發(fā)射電壓、疊加次數(shù)、拉莫爾頻率、發(fā)射持續(xù)時間、能量釋放時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

MCU主控單元，與PC機(jī)進(jìn)行通訊，對陣列逆變電源進(jìn)行控制，并將電流電壓檢測模塊檢測到的發(fā)射橋路的電流電壓信號傳遞至PC機(jī)；

FPGA邏輯控制單元，接受所述MCU主控單元的啟動命令，產(chǎn)生的具有拉莫爾頻率時序通過驅(qū)動模塊驅(qū)動發(fā)射橋路，使得發(fā)射橋路工作，將高壓直流電信號轉(zhuǎn)變成具有當(dāng)?shù)乩獱栴l率的高壓交變電信號；

能釋單元，通過MCU主控單元控制，連接激發(fā)線圈的儲能電容組，在發(fā)射結(jié)束后根據(jù)儲能電容組中的剩余電量，通過能釋單元將剩余電量進(jìn)行釋放。

參見圖2，陣列逆變電源包括并聯(lián)的多個逆變電源模塊，所述多個逆變電源模塊與電壓控制模塊的輸出連接，同時通過連接的均流控制單元對各個逆變電源模塊進(jìn)行電流均分，通過電流值反饋進(jìn)行電流實時調(diào)節(jié)，使得每個逆變電源模塊輸出的電流基本上相同。

陣列逆變電源通過同步輸出模塊對儲能電容組進(jìn)行恒流充電。

逆變電源模塊包括：

將低壓電信號轉(zhuǎn)化為高頻交變低壓電信號的全橋逆變模塊；

通過原邊端接受高頻交變低壓電信號，經(jīng)副邊端輸出高頻高壓電信號的高壓變壓器；

對高壓變壓器的輸出電壓進(jìn)行檢測的控制模塊；

通過控制模塊的控制對全橋逆變模塊進(jìn)行驅(qū)動，使得高壓變壓器穩(wěn)定輸出高頻高壓電信號的驅(qū)動模塊；

對高壓變壓器的輸出電壓進(jìn)行整流濾波的整流單元；以及，

檢測電路，對整流后的恒流輸出進(jìn)行檢測并傳至均流控制單元進(jìn)行電流均分調(diào)控。

整流單元轉(zhuǎn)換后的高壓電信號通過采樣電阻進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行恒流輸出。

均流控制單元首先對掛載的逆變電源模塊數(shù)量N進(jìn)行檢測記錄，而后根據(jù)設(shè)定的發(fā)射電壓與發(fā)射裝置發(fā)射一次后電壓差值為V_D大小，來決定對儲能電容組充電的電流I_D大小，以此基準(zhǔn)對所有模塊進(jìn)行實時調(diào)整，在進(jìn)行多次疊加發(fā)射時形成梯度電流對儲能電容充電。

參見圖3，為全橋逆變模塊的電路圖；為開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2、開關(guān)管Q3、開關(guān)管Q4、開關(guān)管Q5、開關(guān)管Q6、開關(guān)管Q7以及開關(guān)管Q8分別為8個大功率開關(guān)管，為保證橋路穩(wěn)定可靠工作，8個開關(guān)管采用兩兩并聯(lián)組成全橋電路。其中PWMa，PWMb，PWMc，PWMd分別為4路PWM控制信號，其中PWMa與PWMd為一組，PWMb與PWMc為另一組，且與第一組相位相差180°，兩組PWM同時控制4路開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，將輸入的低電壓信號通過變壓器升至所需要的電壓。其中為電流互感裝置B2，用以反饋回給控制模塊AC450V/500W，使橋路穩(wěn)定輸出高頻交變信號。

參見圖4，為均流控制單元的電路圖，由三組3902芯片組成三路電流的電流檢測，3902芯片主要通過精準(zhǔn)的調(diào)整變換器的輸出電壓來匹配所有的輸出電流。其主要由電流檢測放大器、均流驅(qū)動、均流檢測放大器和誤差放大器等構(gòu)成。電流檢測放大器的輸出與電源模塊的輸出電流成正比，而且作為輸入信號提供給均流驅(qū)動放大器和誤差放大器。均流檢測放大器上的輸出電壓與均流母線上的電壓相對應(yīng)。誤差放大器用來調(diào)整輸出電壓，其輸出電壓是電流檢測放大器與均流檢測放大器電壓差函數(shù)。以三組電源為例，所有模塊電壓均以V＝(V₁+V₂+V₃)/3為基準(zhǔn)，進(jìn)而通過調(diào)整誤差放大器的輸出電壓來平衡并聯(lián)電源模塊的負(fù)載電流，進(jìn)而實現(xiàn)均流。外圍電阻電容主要起到芯片配置和濾波作用。

一種基于陣列逆變充電的核磁共振探水發(fā)射裝置的工作方法，以三組逆變電源模塊為例：

包括以下步驟：

a、將發(fā)射裝置中的配諧電容和激發(fā)線圈兩端相連；

b、通過PC機(jī)上位機(jī)軟件對發(fā)射電壓、疊加次數(shù)、拉莫爾頻率、發(fā)射持續(xù)時間、能量釋放時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并經(jīng)由通信接口傳送至MCU主控單元；MCU主控單元對電壓參數(shù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換模塊，得到驅(qū)動電壓控制模塊控制字節(jié)，然后陣列逆變電源開始工作，并實時將電壓值反饋給上位機(jī)；

c、第一組逆變電源模塊組D1：將低壓電信號通過全橋逆變轉(zhuǎn)化為高頻交變低壓電信號，送至高壓變壓器原邊端，經(jīng)過高壓變壓器后副邊端輸出高頻高壓電信號，其中控制模塊主要是對變壓器的輸出電壓進(jìn)行檢測，同時調(diào)節(jié)驅(qū)動電路，使得變壓器穩(wěn)定輸出高頻高壓電信號，高頻高壓電信號經(jīng)過整流濾波電路后，輸出穩(wěn)定的直流高壓電信號。轉(zhuǎn)換后的高壓電信號通過高精度采樣電阻進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行恒流輸出I₁。

d、在第一組逆變電源模塊進(jìn)行工作的同時，第二組逆變電源模塊D2、第三組逆變電源模塊D3逆變電源模塊同時進(jìn)行工作，電流輸出分別位為I₂、I₃，同時均流控制單元對各個電源模塊進(jìn)行電流均分，通過電流值反饋進(jìn)行電流實時調(diào)節(jié)，使得兩個電源輸出的電流基本上相同I₁＝I₂＝I₃；然后將所有電源模塊輸出電流經(jīng)由同步輸出模塊對儲能電容組進(jìn)行恒流充電，達(dá)到預(yù)定設(shè)置發(fā)射電壓后停止對儲能電容充電，至此完成一次發(fā)射。

e、其中均流控制單元首先對掛載的電源模塊數(shù)量檢測記錄為2，而后根據(jù)設(shè)定的發(fā)射電壓與發(fā)射裝置發(fā)射一次后電壓差值為V_D大小，來決定對儲能電容充電的電流I_D大小，其中每個逆變電源模塊的充電電流基準(zhǔn)為I＝I_D/3；均流控制單元以此基準(zhǔn)對所有模塊進(jìn)行實時調(diào)整，在進(jìn)行多次疊加發(fā)射時，重復(fù)步驟c～e，形成梯度電流對儲能電容充電。

f、在陣列逆變電源進(jìn)行工作同時，MCU主控單元通過通信總線啟動FPGA邏輯控制單元時序發(fā)生部分，F(xiàn)PGA邏輯控制單元產(chǎn)生的具有拉莫爾頻率時序來驅(qū)動發(fā)射橋路驅(qū)動模塊，使得大功率發(fā)射橋路工作，將高壓直流電信號轉(zhuǎn)變成具有當(dāng)?shù)乩獱栴l率的高壓交變電信號；

g、在發(fā)射工作時，電流電壓檢測模塊對發(fā)射電流進(jìn)行實時采集，并且經(jīng)過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓值，將采集回的電壓電流值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)由MCU主控單元反饋回給上位機(jī)軟件進(jìn)行實時顯示；

h、在發(fā)射結(jié)束后根據(jù)儲能電容中的剩余電量，通過能釋單元將剩余電量進(jìn)行釋放，已達(dá)到安全的目的。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。