基于正交矢量放大的MRS信号采集模块设计----背景及其原理

1.1研究背景及意义

本文研究内容为"十一五"国家科技支撑计划重大项目和吉林省科技支撑计划基金资助项目：核磁共振找水仪研制与开发课题中的一部分。核磁共振找水仪科研样机是由吉林大学仪器科学与电气工程学院核磁共振项目组，为探测地下150米以内含水层而设计。本论文研究的核磁共振信号采集模块是核磁共振找水仪科研样机的采集模块。

水是人类赖以生存的基本物质。尽管地球上水的总量巨大，但是占总量97.4%的海洋水等现在还不能被人类大规模的直接利用，人类需要的淡水只占总量的2.6％。而淡水资源中的大部分约占淡水总量87％位于两极及高山的冰川、冰冠，以及现在人类还不能利用的深层地下。现今人类主要利用的淡水资源包括河水，湖泊水和浅层地下水的一部分，其总量只占地球总水量的0.2%.

人口增长，工业发展和灌溉农业的扩张等因素引起的水资源缺乏问题，已经与资源问题，环境问题成为威胁人类生存的三大问题。现在世界约有1/3的人口生活在中度和高度缺水的地区，有40%的人口面临严重缺水的威胁。我国也是一个水资源短缺的国家，水已经越来越限制和影响着我们各项事业的发展。目前全国600多个城市中，400多个缺水，其中100多个面临严重缺水。

在众多解决水资源缺乏途径中，合理有度的开采地下水是一条有效，可行并且可以是经济的方法。地下水具有水量稳定、水质好和处理费用低等优点。目前欧美等许多国家的地下水在供水中的比例达到50%，与之相比我国的地下水在总供水中的比例只为16%，可以看出我国地下水资源利用潜力比较大。所以科学、合理的开发利用地下水是解决我国目前水资源缺乏的重要途径之一。

地下水资源总量虽然比较丰富，随着人类开发利用程度加深，开发成本低廉、对技术要求低的浅层地下水的开采潜力已经不大，只能向更深的地层寻找地下水。地层越深对勘探技术的要求越高，需要更加可行、有效、稳定和成本较低的勘测仪器与之相配套。目前水资源探寻方法主要有核物理法、激发极化法、电阻率法、声频大地电磁法、和核磁共振找水法等.核磁共振找水（Magnetic Resonance Sounding，缩写为MRS）方法是目前世界上唯一的可以直接寻找地下水的地球物理方法[3][4].与其它找水方法相比主要优点有：

1.直接找水，特别是找淡水。在该方法的探测深度范围内，地层中只要有自由水存在，就有MRS信号，反之，则没有响应。

2.该方法受地质因素影响小。

3.反演解释具有量化的特点，信息量丰富。该方法反演解释后可以得到各含水层的深度、厚度、单位体积含水量，并可提供含水层平均孔隙度等信息。

4.经济，快速。核磁共振测点的费用仅约为地质勘探钻孔费用的1/10.可以快速地得到地下水分布直方图等地质信息

.核磁共振信号采集模块能够有效地提取信号的初始幅度、初始相位等关键参数，这些参数能够反映地下含水层水量的大小、地下物性界面的起伏情况、地下介质的渗透性以及出水量大小的估计[6].所以说核磁共振信号采集模块是提高弱信号检测能力的重要部分，是实现对微弱核磁共振信号提取的关键部分，其性能直接影响了整套仪器的性能。

1.2国内外发展现状

1962年，美国的R H Varian曾经提出过利用核磁共振现象寻找地下水的构想，但是以后没有商业用仪器的发布及相关学术报道。1965年，中国的张昌达、崔岫峰等也曾经进行过核磁共振技术找水的初步试验，整体方法思路是基本正确的，但由于当时的技术条件等限制，最后没有找到地下水核磁共振信号。他们最后都没有提出可行的核磁共振技术器及其方法，但是他们所做的前期性研究依然是核磁共振找水技术领域不可或缺的工作。

1978年，前苏联科学院（后为俄罗斯科学院）西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（ICKC）以A.G.Semenov为首的一批研究人员，开始了核磁共振技术找水方法的研究，3年后研制成功了世界上第一台原理样机，在其后的10年时间内，他们对仪器做了进一步的改进。他们在研制开发，改进仪器的同时，还进行了解释方法的研究。并且在前苏联境内的俄罗斯、立陶宛、哈萨克斯坦、乌克兰、北极圈附近和美国、澳大利亚、以色列、法国、中国等国家进行了方法效果试验，取得了世界领先的研究成果。

1994年，法国地调局（BRGM）的IRIS公司购买俄罗斯找水仪专利，并于1996年生产出了新型的核磁共振找水仪-核磁感应系统（NUMIS），法国成了世界上第二个研制核磁共振找水仪的国家。

中国原地矿部信息研究院崔霖沛高级工程师最先向国内介绍了核磁共振技术在找水方面的最新应用。1992年，中国地质大学（武汉）核磁共振技术找水科研组开始核磁共振技术的研究，取得了一定的研究成果。中国地质大学的潘玉玲教授、张昌达教授等于1997年引进法国IRIS公司生产的核磁共振找水仪NUMIS，揭开了我国核磁共振直接找水的新篇章。国内的有关单位也引进了NUMIS系统和NUMIS+系统，在我国的湖北，湖南，福建，内蒙古，新疆等省市进行了实际找水工作.目前，在国内水利部牧区水利科学研究所利用NUMIS系统在内蒙古自治区及蒙古国进行大量的找水工程。同时中国地质大学利用该仪器在滑坡监测、坝堤渗漏、考古等领域进行了研究。吉林大学仪器科学与电气工程学院自2001年开始进行理论及仪器的研究，目前已开始利用自主研发的JLMRS找水系统解决实际问题。