1.1研讨布景及含义
本文研讨内容为“十一五”国家科技支撑方案重大项目和吉林省科技支撑方案基金赞助项目：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，为勘探地下150米以内含水层而规划。本论文研讨的核磁共振信号收集模块是核磁共振找水仪科研样机的收集模块。
水是人类赖以生计的根本物质。尽管地球上水的总量巨大，可是占总量97.4%的海洋水等现在还不能被人类大规模的直接使用，人类需求的淡水只占总量的2.6％。而淡水资源中的大部分约占淡水总量87％坐落南北极及高山的冰川、冰冠，以及现在人类还不能使用的深层地下。如今人类首要使用的淡水资源包含河水，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，工业开展和灌溉农业的扩张等要素引起的水资源缺少问题，现已与资源问题，环境问题成为要挟人类生计的三大问题。现在国际约有1/3的人口生活在中度和高度缺水的区域，有40%的人口面对严峻缺水的要挟。我国也是一个水资源缺少的国家，水现已越来越约束和影响着咱们各项事业的开展。现在全国600多个城市中，400多个缺水，其间100多个面对严峻缺水。
在很多处理水资源缺少途径中，合理有度的挖掘地下水是一条有用，可行而且可所以经济的办法。地下水具有水量安稳、水质好和处理费用低一级长处。现在欧美等许多国家的地下水在供水中的份额到达50%，与之比较我国的地下水在总供水中的份额只为16%，能够看出我国地下水资源使用潜力比较大。所以科学、合理的开发使用地下水是处理我国现在水资源缺少的重要途径之一。
地下水资源总量尽管比较丰厚，跟着人类开发使用程度加深，开发本钱低价、对技能要求低的浅层地下水的挖掘潜力现已不大，只能向更深的地层寻觅地下水。地层越深对勘探技能的要求越高，需求愈加可行、有用、安稳和本钱较低的勘察仪器与之相配套。现在水资源探寻办法首要有核物理法、激起极化法、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）办法是现在国际上仅有的能够直接寻觅地下水的地球物理办法[3][4].与其它找水办法比较首要长处有：
1.直接找水，特别是找淡水。在该办法的勘探深度范围内，地层中只需有自在水存在，就有MRS信号，反之，则没有呼应。
2.该办法受地质要素影响小。
3.反演解说具有量化的特色，信息量丰厚。该办法反演解说后能够得到各含水层的深度、厚度、单位体积含水量，并可供给含水层均匀孔隙度等信息。
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.能够快速地得到地下水散布直方图等地质信息
.核磁共振信号收集模块能够有用地提取信号的初始崎岖、初始相位等要害参数，这些参数能够反映地下含水层水量的巨细、地下物性界面的崎岖状况、地下介质的渗透性以及出水量巨细的估量[6].所以说核磁共振信号收集模块是进步弱信号检测才能的重要部分，是完成对弱小核磁共振信号提取的要害部分，其功用直接影响了整套仪器的功用。
1.2国内外开展现状
1962年，美国的R H Varian从前提出过使用核磁共振现象寻觅地下水的设想，可是今后没有商业用仪器的发布及相关学术报导。1965年，我国的张昌达、崔岫峰等也从前进行过核磁共振技能找水的开端实验，全体办法思路是根本正确的，但由于其时的技能条件等约束，最终没有找到地下水核磁共振信号。他们最终都没有提出可行的核磁共振技能器及其办法，可是他们所做的前期性研讨依然是核磁共振找水技能范畴不可或缺的作业。
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焚烧研讨所（ICKC）以A.G.Semenov为首的一批研讨人员，开端了核磁共振技能找水办法的研讨，3年后研制成功了国际上第一台原理样机，在这以后的10年时间内，他们对仪器做了进一步的改善。他们在研制开发，改善仪器的一起，还进行了解说办法的研讨。而且在前苏联境内的俄罗斯、立陶宛、哈萨克斯坦、乌克兰、北极圈邻近和美国、澳大利亚、以色列、法国、我国等国家进行了办法效果实验，取得了国际领先的研讨成果。
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年出产出了新式的核磁共振找水仪-核磁感应体系（NUMIS），法国成了国际上第二个研制核磁共振找水仪的国家。
我国原地矿部信息研讨院崔霖沛高级工程师最先向国内介绍了核磁共振技能在找水方面的最新使用。1992年，我国地质大学（武汉）核磁共振技能找水科研组开端核磁共振技能的研讨，取得了必定的研讨成果。我国地质大学的潘玉玲教授、张昌达教授等于1997年引入法国IRIS公司出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入了NUMIS体系和NUMIS+体系，在我国的湖北，湖南，福建，内蒙古，新疆等省市进行了实践找水作业.现在，在国内水利部牧区水利科学研讨所使用NUMIS体系在内蒙古自治区及蒙古国进行很多的找水工程。一起我国地质大学使用该仪器在滑坡监测、堤堰渗漏、考古等范畴进行了研讨。吉林大学仪器科学与电气工程学院自2001年开端进行理论及仪器的研讨，现在已开端使用自主研制的JLMRS找水体系处理实践问题。
1.3本论文的首要内容
本文在把握核磁共振找水技能原理的基础上，作为吉林大学教育部地球信息勘探仪器要点实验室核磁共振项目组的一部分，首要对经过核磁共振扩大器扩大后的核磁共振信号进行收集。获取核磁共振信号实践上是获取其包络信号，称为自在感应衰减信号（free induction decay，缩写为FID信号）.本文所研讨的内容是依据乘法型正交矢量锁定扩大器的根本原理，使用CPLD和D/A转换器进行核磁共振信号和参阅信号相乘，完成信号正交矢量扩大功用，提取出FID信号，取得核磁共振找水勘探的各要害参数。依据FID信号包含的参数，对地下水信息进行反演，确认地下水水量、地层结构等信息，以辅导工程实践。本论文详细结构和内容包含：
第一章为序言，首要介绍了本文的研讨布景和含义，国内外的开展现状。
第二章为根本理论，首要介绍了核磁共振找水的原理，再经过剖析核磁共振信号的特色，提出了根据正交矢量扩大办法的核磁共振信号包络收集模块的规划方案。最终经过仿真验证了该规划方案的可行性。
第三章对收集模块的技能指标做了介绍，并给出了收集模块的全体规划框图。
第四章介绍了收集模块的硬件规划，给出了首要电路的规划思路和一些调试过程中的实测成果。
第五章介绍收集模块的软件完成。包含单片机软件完成、CPLD软件完成和上位机主控软件阐明。
第六章对收集模块进行了一系列室内测验及户外实测，并对测验成果进行了剖析阐明。
第七章对全文进行总结，并提出进一步的改善主张。
第二章核磁共振信号收集模块的原理及剖析
2.1核磁共振找水原理
核磁共振是原子核的一种物理现象，指具有核子顺磁性的物质挑选性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中磁旋比最大的核子。水中氢核在内的多种原子核均具有一个不为零的偶磁矩，描绘磁矩存在的经典模型是旋转着的带电粒子。
假如一个磁矩为M的自旋带电粒子被放在强度为B0的磁场中时，磁矩将接受一个使其与磁场趋于平行的扭力矩。由于地下水中的氢核具有核子顺磁性，它又是地层中具有核子顺磁性的物质中丰度最高的粒子，所以在地球磁场B0的效果下，氢核将处于必定的能级，一起氢核表现出沿地球磁场方向摆放的磁矩.图2.1为M的运动状况。
成果，该磁矩将环绕外加磁场并依照拉莫尔方程决议的旋进频率f0（Lamor频率）旋进，其间：
式中γ为旋磁比，由下式决议：
式中g为朗得因子，是粒子的自旋运动或轨迹运动相关于其总角动量的衡量。关于一个电子，g等于2.0023，而关于氢核，g为5.58490.自在电子和水中质子的玻尔磁力β分别为9.2712×10-21和5.04593×10-27J/T.h是普朗克常数，h= 6.626×10-34J .s.
把这些值代入（2-1）、（2-2）式中并取国际制单位，咱们就得到水中的质子旋进频率为：
式（2-3）的重要特征是旋进频率与粒子磁矩和极化场方向的初始夹角无关。为了改动粒子的取向则必需要改动磁能，能够在与地球磁场笔直的方向上参加一个交变磁场去激起地下的11H质子，并让其激起磁场频率等于拉莫尔频率，拉莫尔旋进的方向取决于磁矩的符号，所以氢核11H的磁矩就会违背地球磁场的方向然后构成微观磁矩。这一微观磁矩在磁场中发生旋进运动，其旋进频率为氢核11H所特有。当激起场中止后，微观磁矩又会康复到沿着地球磁场的方向，在这个时间短的康复过程中，氢核11H将环绕地球磁场进动，然后发生一个按指数规则衰减的电磁信号即MRS信号，能够用仪器的天线接纳这个电磁信号，即可勘探地下水的存在.MRS信号示意图如图2.2所示。
