基于PWM调控技术的宽配谐磁共振探测装置及探测方法与流程
本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测装置及探测方法。
背景技术：
地面磁共振技术(magneticresonancesounding，mrs)是一种有效的地球物理探测方法，在浅层地下水探测、灾害水源探测等领域应用广泛。在进行磁共振探测时，发射系统通过发射线圈发射激发脉冲激发水中氢质子，再由接收系统采集通过接收线圈感应到的磁共振信号。目前的磁共振探测技术由于采用lcr串联谐振方式发射，发射线圈可以等效为电感与电阻的串联，再与选择合适量值的电容器串联，进行配谐，使其在拉莫尔频点谐振，可以降低负载的等效阻抗，在相同发射电压情况下，探测深度更大。然而，lcr串联谐振在发射结束后，电流震荡衰减，导致发射关断较慢，使得采集的信号延迟，且由于磁共振信号本身为e指数衰减形式，无法获取早期的大幅值信号。尤其是含水层类型为砂质粘土层时，平均弛豫时间小于30ms，在发射完全关断之后进行采集，信号衰减严重，大量信号损失，几乎无法探测到有效磁共振信号，严重影响探测效果。
技术实现要素：
针对上述现有技术中提到的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测装置，解决信号衰减严重，大量信号损失，几乎无法探测到有效磁共振信号的问题。
本发明的另一目的是提供一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测方法。
本发明是这样实现的，一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测装置，用于浅层磁共振探测，该装置包括：pc上位机、stm32+fpga收发主控模块、发射系统、收发切换装置、收发一体线圈以及接收系统，其中，
pc上位机，用于人机交互，向stm32+fpga收发主控模块发送发射参数，显示工作状态以及存储采集到的磁共振信号数据；
发射系统，包括蓄电池，经由dc-dc变换器变换后向储能电容充电，通过大功率二极管与h桥发射模块相连，所述h桥发射模块通过小功率二极管连接至可控恒压源；stm32+fpga收发主控模块通过pwm驱动模块驱动h桥发射模块；所述h桥发射模块通过双向二极管连接至收发切换装置；
接收系统，通过收发切换装置控制与收发一体线圈连接；
收发切换装置，通过接收stm32+fpga收发主控模块的指令控制发射系统或接收系统与收发一体线圈的连接。
进一步地，所述接收系统包括前置放大电路，信号调理电路，程控放大模块，lpf模块，以及a/d转换模块，所述接收系统的前置放大电路连接至收发切换装置，通过前置放大电路将信号放大，依次经由信号调理电路、程控放大模块、lpf模块、以及a/d转换模块后传递至stm32+fpga收发主控模块。
进一步地，所述收发切换装置包括开关驱动模块以及收发切换开关，所述开关驱动模块根据接收stm32+fpga收发主控模块的指令，通过收发切换开关控制发射系统或接收系统与收发一体线圈的连接。
进一步地，所述stm32+fpga收发主控模块，用于与上位机进行交互，参数计算及探测工作时序控制；控制dc-dc变换器将蓄电池中的能量存储至储能电容；调整可控恒压源的电压值；通过pwm驱动模块产生两路pwm控制信号；通过控制开关驱动模块从而控制收发切换开关选择收发一体线圈与h桥发射模块或者前置放大电路的连接；以及控制a/d转换模块采集收发一体线圈感应到的信号，并通过前置放大电路放大，信号调理电路调理，程控放大模块再次放大以及lpf模块滤波后的磁共振信号，并调整程控放大模块的增益。
进一步地，发射系统的储能电容，为高压大容值电容，用于在发射时提供能量；通过一个电压值高于储能电容电压的可控恒压源将关断瞬间的高压脉冲钳位，保护构成h桥发射模块的开关器件igbt，以及引导线圈能量在发射脉冲死区时间内快速释放。
进一步地，所述大功率二极管，为具有单向导通特性的反向高压快恢复二极管，阻断在激发脉冲死区时间内由储能电容与h桥发射模块构成的放电回路；并防止可控恒压源向储能电容放电；隔绝在激发脉冲死区时间内线圈放电产生的瞬时脉冲，保护电容；
所述小功率二极管，为具有单向导通特性的反向高压快恢复二极管，防止可控恒压源向储能电容、h桥发射模块和双向二极管及线圈放电；使得可控恒压源仅在激发脉冲死区时间内用于钳位而不通过发射回路释放能量；
所述双向二极管，包括有两个反向并联的二极管，用于发射剩余能量吸收。
进一步地，在发射阶段：在pwm驱动模块发出的pwma信号或pwmb信号有效时，h桥发射模块中的一组igbt导通，储能电容、大功率二极管、一组igbt、双向二极管以及等效为电感l和电阻r串联的收发一体线圈构成回路，由于小功率二极管的单向导通性，可控恒压源ur相当于断路；在pwma信号和pwmb信号均无效时，此时进入激发脉冲死区时间，由于大功率二极管的单向导通性，在这段时间内，储能电容相当于断路，收发一体线圈的能量释放回路由h桥发射模块与小功率二极管以及可控恒压源构成，实现等幅高质量波形发射、快速关断的目的。
一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测方法，包括如下步骤：
步骤301：stm32+fpga收发主控模块识别pc上位机发送的参数及开始工作信号，包括激发电流im、发射电流个数m、叠加次数k以及激发脉冲频率f，计算发射脉冲时间t以及脉冲周期个数n，并将实际激发时间t回传至pc上位机，其中m，n均为正整数；
步骤302：stm32+fpga收发主控模块通过控制收发切换装置中的开关驱动模块从而控制收发切换开关将收发一体线圈切换至与接收系统的前置放大电路连接，准备进入增益调整及噪声采集阶段；
步骤303：stm32+fpga收发主控模块控制接收系统通过收发一体线圈采集噪声信号，并根据采集到的信号幅度大小调整程控放大模块的增益；
步骤304：判断是否完成程控放大模块增益调整，完成调整则继续进入步骤305，否则返回步骤303，完成增益调整的判断依据为：经a/d转换模块采集后的信号幅度处于a/d的1/2满量程至满量程之间；
步骤305：stm32+fpga收发主控模块通过收发切换装置控制收发切换开关将收发一体线圈切换至与发射系统的h桥发射模块连接，准备进入双极性脉冲激发阶段；
步骤306：stm32+fpga收发主控模块根据激发电流im及约束条件计算激发电压us、激发脉冲占空比d以及钳位电压udc；
步骤307：stm32+fpga收发主控模块根据计算出的钳位电压值udc调整可控恒压源的电压值；
步骤308：判断钳位电压是否达到钳位电压值udc，达到则继续进入步骤309，否则回到步骤307；
步骤309：stm32+fpga收发主控模块根据激发电压值控制dc-dc变换器为储能电容充电；
步骤310：判断是否完成充电，完成充电的判断依据为达到激发电压值，完成充电则进入步骤311，否则回到步骤309；
步骤311：stm32+fpga收发主控模块控制pwm驱动产生两路占空比为d、时间间隔t/2的驱动信号，通过h桥发射模块、双向二极管和收发一体线圈发射n个周期，频率为f的激发脉冲。发射n个周期的脉冲而不是发射固定时长的脉冲目的是使激发脉冲在整周期处关断，从而缩短死区时间；
步骤312：发射关断完成后延迟800us，保证发射全部动作完成，收发一体线圈切换至与接收系统的前置放大电路连接，准备进入信号采集阶段；
步骤313：stm32+fpga收发主控模块控制a/d转换模块将信号采样，并存储至pc上位机，存储时应注意将接收到的信号与步骤301中的发射时间t相对应；
步骤314：判断是否完成当前电流探测，完成则继续进入步骤315，否则返回步骤309；
步骤315：判断是否进行下个电流值的探测，完成结束本次探测，否则返回步骤305。
进一步地，步骤306：stm32+fpga收发主控模块根据激发电流im及约束条件计算激发电压us、激发脉冲占空比d以及钳位电压udc，满足：
其中，t为发射脉冲周期，满足t＝1/f，r为线圈等效电阻值，l为线圈等效电感值，式中各量均采用si单位制，约束条件为：
udc≤1000
0.25≤d≤0.45
目标为使
进一步地，步骤310：充电在恒压源调整之后进行。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
(1)本发明提供采用宽配谐的发射方式，有效改善了在采用收发一体线圈发射时传统配谐关断时间长的问题，减小了磁共振探测装置的死区时间；解决了由于导致发射关断较慢，使得采集的信号延迟，无法获取早期的大幅值信号的问题。
(2)本发明采用可控恒压源与二极管构成的恒压钳位电路，缩短了死区时间，同时还抑制了瞬时脉冲，延长仪器使用寿命；
(3)本发明提供通过改变发射占空比，实现宽配谐发射模式下的等幅发射，提高了发射波形质量。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测装置结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的可控有源钳位发射回路示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测工作流程示意图；
图4示出了宽配谐磁共振探测激发电流以及本发明基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测激发电流波形图，其中，(a)为宽配谐磁共振探测激发电流波形图，(b)为本发明实施例提供的激发电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测装置，用于浅层磁共振探测，该装置包括：pc上位机1，stm32+fpga收发主控模块2，发射系统，由开关驱动模块12，收发切换开关13构成的收发切换装置，收发一体线圈14以及接收系统。
根据stm32+fpga收发主控模块指令，收发切换装置控制接收系统、发射系统与收发一体线圈的连接情况。
本实施例中，发射系统包括蓄电池3，dc-dc变换器4，储能电容5，可控恒压源6，pwm驱动模块7，大功率二极管8，小功率二极管9，h桥发射模块10以及双向二极管11，其中，dc-dc变换器4与stm32+fpga收发主控模块的控制连接，接收stm32+fpga收发主控模块的控制，蓄电池3通过dc-dc变换器4向储能电容5充电，储能电容5通过一个大功率二极管8与h桥发射模块10连接，通过h桥发射模块10向收发一体线圈发射电流。
可控恒压源6通过小功率二极管9连接h桥发射模块10，h桥发射模块10通过双向二极管11连接至收发切换装置，h桥发射模块10通过pwm驱动模块7控制开关器件igbt，而pwm驱动模块7接收stm32+fpga收发主控模块的指令。
接收系统，包括前置放大电路15，信号调理电路16，程控放大模块17，lpf(lowpassfilter，低通滤波器)模块18，以及a/d转换模块19，在接收阶段，通过收发切换装置与收发一体线圈导通，信号依次经由前置放大电路15，信号调理电路16，程控放大模块17，lpf(lowpassfilter，低通滤波器)模块18，以及a/d转换模块19至stm32+fpga收发主控模块采集。
pc上位机1用于人机交互，向stm32+fpga收发主控模块2发送发射参数，显示工作状态以及存储采集到的磁共振信号数据；
stm32+fpga收发主控模块2，用于与上位机进行交互，参数计算及探测工作时序控制；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，控制dc-dc变换器4将蓄电池3中的能量存储至储能电容5；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，调整可控恒压源6的电压值；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，通过pwm驱动模块7产生两路pwm控制信号；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，通过控制开关驱动模块12从而控制收发切换开关13选择收发一体线圈14与双向二极管11或者前置放大电路15连接；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，控制a/d转换模块19采集收发一体线圈14感应到的，并通过前置放大电路15放大，信号调理电路16调理，程控放大模块17再次放大以及lpf模块18滤波后的磁共振信号；
stm32+fpga收发主控模块2，还用于，调整程控放大模块17的增益。
进一步，本实施例中，储能电容5，为高压大容值电容，用于在发射时提供能量；本实施例中发射系统中，可控恒压源6，电压值高于储能电容电压，将关断瞬间的高压脉冲钳位，保护构成h桥发射模块的开关器件igbt，以及引导线圈能量在发射脉冲死区时间内快速释放；
大功率二极管8，为反向高压快恢复二极管，具有单向导通特性。阻断在激发脉冲死区时间内由储能电容5与h桥发射模块10构成的放电回路；防止可控恒压源6向储能电容5放电；隔绝在激发脉冲死区时间内线圈放电产生的瞬时脉冲，保护电容。
小功率二极管9，为反向高压快恢复二极管，具有单向导通特性。防止可控恒压源6向储能电容5、h桥发射模块10和双向二极管11以及收发一体线圈14放电；保证可控恒压源6仅在激发脉冲死区时间内用于钳位而不通过发射回路释放能量。
双向二极管11，由两个反向并联的二极管构成，用于发射剩余能量吸收。
在发射阶段：
可控有源钳位发射回路示意图如2所示，在pwma信号(或pwmb信号)有效时，h桥发射模块中的一组igbt导通(同一控制信号控制的两个igbt为一组)，储能电容、大功率二极管、一组igbt、双向二极管以及等效为电感l和电阻r串联的收发一体线圈构成回路，由于小功率二极管的单向导通性，在这段时间内，可控恒压源相当于断路；在pwma信号和pwmb信号均无效时，此时进入激发脉冲死区时间，由于大功率二极管的单向导通性，在这段时间内，储能电容相当于断路，收发一体线圈的能量释放回路由h桥路与小功率二极管以及可控恒压源ur构成，由于可控恒压源ur的电压恒定不变，因此回路电流满足：
如图3所示，一种基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测方法，包括如下步骤：
步骤301：stm32+fpga收发主控模块2识别pc上位机1发送的参数及开始工作信号，包括激发电流im、发射电流个数m、叠加次数k以及激发脉冲频率f，计算发射脉冲时间t以及脉冲周期个数n，并将实际激发时间t回传至pc上位机1，其中m，n均为正整数；
步骤302：stm32+fpga收发主控模块2通过控制收发切换装置中的开关驱动模块12从而控制收发切换开关13将收发一体线圈14切换至与接收系统的前置放大电路15连接，准备进入增益调整及噪声采集阶段；
步骤303：stm32+fpga收发主控模块2控制接收系统通过收发一体线圈14采集噪声信号，并根据采集到的信号幅度大小调整程控放大模块17的增益；
步骤304：判断是否完成程控放大模块增益调整，完成调整则继续进入步骤305，否则返回步骤303，完成增益调整的判断依据为：经a/d转换模块19采集后的信号幅度处于a/d转换模块的1/2满量程至满量程之间，目的是使a/d转换模块的精度达到最高，同时也避免了放大器饱和；
步骤305：stm32+fpga收发主控模块2通过收发切换装置12从而控制收发切换开关13将收发一体线圈14切换至与发射系统的h桥发射模块10连接，准备进入双极性脉冲激发阶段；
步骤306：stm32+fpga收发主控模块2根据激发电流im及约束条件计算激发电压us、激发脉冲占空比d以及钳位电压udc，应满足：
其中，t为发射脉冲周期，满足t＝1/f，r为线圈等效电阻值，l为线圈等效电感值，式中各量均采用si单位制。约束条件为：
udc≤1000
0.25≤d≤0.45
目标为使
步骤307：stm32+fpga收发主控模块2根据计算出的钳位电压值udc调整可控恒压源6的电压值；
步骤308：判断钳位电压是否达到钳位电压值udc，达到则继续进入步骤309，否则回到步骤307；
步骤309：stm32+fpga收发主控模块2根据激发电压值控制dc-dc变换器4为储能电容5充电；
步骤310：判断是否完成充电，完成充电的判断依据为达到激发电压值，完成充电则进入步骤311，否则回到步骤309。需注意，充电需在恒压源调整之后进行，否则会因电容漏电导致能量损失；
步骤311：stm32+fpga收发主控模块2控制pwm驱动产生两路占空比为d、时间间隔t/2的驱动信号(pwma、pwmb)，从而通过h桥发射模块10、双向二极管11和收发一体线圈14发射n个周期，频率为f的激发脉冲。发射n个周期的脉冲而不是发射固定时长的脉冲是为了使激发脉冲在整周期处关断，从而缩短死区时间；
步骤312：发射关断完成后延迟800us，保证发射全部动作完成，收发一体线圈14切换至与接收系统的前置放大电路15连接，准备进入信号采集阶段；
步骤313：stm32+fpga收发主控模块2控制a/d转换模块19将信号采样，并存储至pc上位机1，存储时应注意将接收到的信号与步骤301中的发射时间t相对应；
步骤314：判断是否完成当前电流探测，完成则继续进入步骤315，否则返回步骤309；
步骤315：判断是否进行下个电流值的探测，完成结束本次探测，否则返回步骤305；
实施例
现根据实际探测确定线圈等效参数为l＝0.8mh，r＝1ω，实际探测具体实施步骤如下：
步骤301：stm32+fpga收发主控模块2识别pc上位机1发送的参数及开始工作信号，包括激发电流im＝50a、叠加次数k＝1、发射电流个数m＝1以及激发脉冲频率f＝2330hz，计算发射脉冲时间t≈39.914ms以及脉冲周期个数n＝93，并将实际激发时间t回传至pc上位机1；
步骤302：stm32+fpga收发主控模块2通过控制收发切换装置中的开关驱动模块12从而控制收发切换开关13将收发一体线圈14切换至与接收系统的前置放大电路15连接，准备进入增益调整及噪声采集阶段；
步骤303：stm32+fpga收发主控模块2控制接收系统通过收发一体线圈14采集噪声信号，并根据采集到的信号幅度大小调整程控放大模块17的增益；
步骤304：判断是否完成程控放大模块增益调整，完成调整则继续进入步骤305，否则返回步骤303。完成增益调整的判断依据为：经a/d转换模块19采集后的信号幅度处于a/d的1/2满量程至满量程之间，目的是使a/d转换模块的精度达到最高，同时也避免了放大器饱和；
步骤305：stm32+fpga收发主控模块2通过收发切换装置12从而控制收发切换开关13将收发一体线圈14切换至与发射系统的h桥发射模块10连接，准备进入双极性脉冲激发阶段；
步骤306：stm32+fpga收发主控模块2根据激发电流im及约束条件计算激发电压us、激发脉冲占空比d以及钳位电压udc，应满足：
其中，t为发射脉冲周期，满足t＝1/f，r为线圈等效电阻值，l为线圈等效电感值，式中各量均采用si单位制。约束条件为：
udc≤1000
0.25≤d≤0.45
目标为使
在储能电容为0.132f的条件下，可得出钳位电压为1000v，激发脉冲占空比为40.91％，激发电压为253.76v；
步骤307：stm32+fpga收发主控模块2根据计算出的钳位电压值udc调整可控恒压源6的电压值；
步骤308：判断钳位电压是否达到1000v，达到则继续进入步骤309，否则回到步骤307；
步骤309：stm32+fpga收发主控模块2根据激发电压值控制dc-dc变换器4为储能电容5充电；
步骤310：判断是否完成充电，完成充电的判断依据为达到激发电压值，完成充电则进入步骤311，否则回到步骤309。需注意，充电需在恒压源调整之后进行，否则会因电容漏电导致能量损失；
步骤311：stm32+fpga收发主控模块2控制pwm驱动产生两路占空比为d、时间间隔t/2的驱动信号(pwma、pwmb)，从而通过h桥发射模块10、双向二极管11和收发一体线圈14发射93个周期，频率为2330hz的激发脉冲；
步骤312：发射关断完成后延迟800us，保证发射全部动作完成，发射关断时间仅为1ms，收发一体线圈14切换至与接收系统的前置放大电路15连接，准备进入信号采集阶段；
步骤313：stm32+fpga收发主控模块2控制a/d转换模块19将信号采样，并存储至pc上位机1，存储时应注意将接收到的信号与步骤301中的发射时间t相对应；
步骤314：判断是否完成当前电流探测，由于叠加次数k＝1，因此继续进入步骤315；
步骤315：判断是否进行下个电流值的探测，由于激发电流个数m＝1，因此结束本次探测；
另外，为了进一步表明本发明提出的技术对发射波形质量的影响，给出了基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测激发电流波形和只有宽配谐的磁共振探测激发电流波形，如图4所示。其中，图4a为宽配谐磁共振探测激发电流波形图，可以看出，宽配谐的激发方式可以改善探测死区时间长的问题，但仅采用宽配谐的激发方式，会导致发射前期波形呈衰减趋势，激发波形质量差，影响实现有效激发；图4b为基于pwm调控技术的宽配谐磁共振探测激发电流波形图，在采用有源钳位快关断技术以及pwm调控技术后，有效解决了激发波形前期质量差的问题，提高了磁共振激发波形质量，改善了探测效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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