地面核磁共振找水仪放大器设计(二)

在EWB上构建一个双二次型带通滤波器，中心频率1kHz，通带增益10，通频带宽度为Bw.当调节Bw为100 Hz时，图6信号通过该滤波器的输出波形如图9(a)所示。而当Bw为10 Hz时，图6信号通过该滤波器的输出如图9(b)所示。可见，两种带宽输出都产生了失真，滤波器带宽越窄失真越大。为了提高信噪比， Bw不能太宽，而兼顾失真度，它又不能太窄，所以设计NMR放大器Bw为100Hz.失真主要是起始部分，可以在数据处理时按照后面的衰减规律往前延拓恢复原信号。可以把Bw设计为可程控参数，当干扰较小时，带宽可以大一些。从频谱分析可知， T*2越小， NMR信号频带越宽。而地面核磁共振找水仪主要寻找自由水，有开采价值的测点T*2一般在100ms以上。所以Bw为100Hz的放大器处理100ms以上的NMR信号效果会更好。

3.2放大器增益设计

要探测深度150m及以下的水，信号为nV数量级。而满足A /D采集的可靠信号应在10mV以上，所以放大器增益应达到140dB.而在探测浅层水时，信号可能较大，放大器增益不能太大。所以把增益设计为可程控，进一步可以设计为自动增益测量。以放大器各级输出不饱和为原则，增益尽可能地大。为了提高信噪比，前置放大器以低噪声和满足滤波器输入要求为主要考虑因素，放大倍数不必太大。各级间需仔细设计阻抗匹配，而且前置级还需设计噪声匹配。

3. 3屏蔽与接地

检测nV级信号的滤波器只能滤除从信号线引入的干扰，而从空间辐射的电磁波干扰必须由严密的屏蔽措施和适当的接地措施解决。本放大器用一定厚度的合金加工形成多层密闭的放大器屏蔽盒，盒体接大地。在长春市腰高家窝堡已经测到小于50nV的NMR模拟信号。

4 NMR放大器总体设计

图10为NMR放大器总体框图。在全世界范围内，地磁场强度在30000nT(在赤道附近)到60000nT (在南极、北极)范围。拉莫尔频率f0(Hz)= 0.0426B0(nT).

所以f0 = 1. 278~ 2. 556 kH z，在此范围以外就是干扰信号。本放大器中设计了一个低频截止频率fL=1kHz，高频截止频率fH=3kHz的宽带滤波器。这个滤波器过渡带的陡度应尽可能地大。它最明显的应用效果是抑制工频50Hz及其二次谐波的干扰，以及各种通信及广播干扰。

NMR放大器需要测量nV级微弱信号，而接收天线却是400~ 600 m长的电缆围成的环状天线，所以放大器的Bw越窄越好。但由上述可知,Bw太窄又会引起信号失真，需要设计Bw为可程控参数，所以选择了f0、Bw和通带增益都可以程控的开关电容滤波器MAX260作为程控窄带滤波器。应用开关电容滤波器的缺点是其时钟可能给弱信号放大器引入干扰。这里采用前置级二次屏蔽、隔离、滤波等措施解决。程控增益放大器是为了适应信号强度大范围变化而设计的。前置放大器的增益也可以程控，以提高信噪比。

5测试结果

5. 1宽带滤波器频率特性测试

测试设备： MS4360B网络分析仪。

测试结果：图11中的0、1、2、3、4分别为5个测试点， A0、A1、A2、A3、A4为与图片对应的测试值。

结果分析：通过测试可见，宽带滤波器的高、低频截止频率分别约为3kHz和1kHz.50Hz处衰减52dB.

5.2窄带滤波器频率特性测试

测试设备： MS4360B网络分析仪。

测试结果： (测高、中、低3个f 0处)图12中的0、1、2分别为3个测试点， A0、A1、A2为与图中对应的测试值。

结果分析：此窄带滤波器的带宽为103Hz，符合设计的要求。

5.3最大增益测试

测试设备： MS4360B网络分析仪，衰减器。

测试结果：根据网络分析仪的测量结果。测定在保证100Hz带宽条件下，最大增益为133dB，放大倍数为440万倍左右。

5.4野外模拟信号测试

测试设备：核磁共振模拟信号源，电阻衰减网络，发射线圈，接收线圈。

测试地点：长春市新立城镇腰高家窝堡西600m.测试时间： 2007年6月15日。

测试方法：采用线圈耦合的方式。

实验方法为：在野外铺设实际工作的核磁共振线圈作为接收线圈。将所制作的核磁共振模拟信号源通过发射端串接电阻(43kΩ)接到另外一个线圈上作为信号发射线圈，模拟核磁共振信号。通过改变发射串接电阻或发射回路面积来改变信号强度，对放大器的灵敏度进行验证。

测试结果如图13所示。

结果分析：

放大器实际设置放大倍数为210000倍，将被测信号和噪声折合到输入端，可得放大器在该实验条件下能监测到的最小信号为470nV左右。经过波形数据多次叠加，可以将信噪比进一步提高，使整体仪器能检测最小50nV的核磁共振信号。

6结论

根据水中氢核具有核子顺磁性且其磁矩不为零的特点，利用一个装置发射一束具有拉莫尔频率的正弦电磁波，激发地下水中氢核形成的宏观磁矩;撤除激发信号;接收该宏观磁矩衰落过程中形成的核磁共振信号;由其初始振幅、弛豫时间和初始相位等便可计算出地下水的相应信息。NMR具有信号弱频带宽的特点。设计的NMR放大器选择性好，检测弱信号能力强，可灵活智能化调整，已成功应用到NMR找水仪中，可靠地测到了100m深处的地下水。