我國是水資源缺乏的國家,急需用新方法、新技術勘查地下水資源。地面核磁共振找水方法是目前世界上唯一直接找水的地球物理方法[1]。發(fā)射機是核磁共振找水儀的核心部分，而發(fā)射的交變脈沖電流的質量直接關系到地下水探測的深度和反演的精度。因此，設計一臺發(fā)射功率大、頻率精度高、自動調整諧振電容的電源是本文重點研究的內容,研制實現的電源最高可以產生3 000 V、400 A的正弦脈沖信號,滿足100 m以內的地下水探測的要求。解決了發(fā)射功率小、頻率精度低、關斷后能量釋放慢等關鍵性的技術難題，為利用核磁共振技術探測地下水奠定了堅實的基礎。

    水中的氫核具有微弱的磁性，在地磁場的作用下產生宏觀的磁矩。向鋪在地面上的發(fā)射線圈中輸入一交變電流脈沖，其頻率等于氫質子在穩(wěn)定能級的旋進頻率(亦稱拉莫爾頻率)。該交變電流脈沖在垂直于地磁場方向產生一激發(fā)磁場,使水中氫質子的宏觀磁矩停留在垂直于地磁場方向,切斷激發(fā)交變電流脈沖后,撤去激發(fā)磁場,水中氫質子產生繞地磁場的旋進運動,此時,用接收線圈拾取由激發(fā)脈沖矩激發(fā)產生的氫質子核磁共振信號NMR(Nuclear Magnetic Resonance),通過反演得到地下水的厚度、深度、含水量等信息[2]。
1 核心電路設計
    電源系統主要由頻率產生模塊、DC-DC逆變模塊、驅動電路模塊、大功率交變脈沖產生模塊、諧配電容參數調整模塊、電容儲能模塊、發(fā)射線圈以及單片機組成,如圖1所示。

    電源系統的工作過程是：首先通過PC機把測試點的拉莫爾頻率、DC-DC逆變模塊輸出電壓、采集模式等參數送入單片機，然后由單片機通過DA模塊設定逆變模塊的輸出電壓值及頻率產生模塊的頻率參數，其中頻率產生模塊輸出的信號經過驅動電路模塊和大功率交變脈沖模塊產生功方波，再經過串聯在線圈中的諧振電容，變換為發(fā)生核磁共振所需的正弦波激發(fā)脈沖；AD模塊完成逆變模塊輸出端電壓的實時采樣，比較預置電壓和輸出電壓的大小來決定是否繼續(xù)給電容充電；諧配電容參數調整模塊利用電路諧振,自動調整電容的大小，并確定發(fā)射過程中電容的最佳值。一次發(fā)射的脈沖信號持續(xù)時間為40 ms，然后停止發(fā)射，經過約70 ms的線圈能量釋放時間后，完成一次發(fā)射。
1.1 頻率發(fā)生器及驅動電路的實現
　    頻率發(fā)生器的電路主要完成產生精度高的方波信號，控制IPM輸出頻率可變的交流信號。在世界范圍內，地磁場強度在30 000 nT~60 000 nT范圍變化，對應拉莫爾頻率范圍為1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR對激發(fā)脈沖的頻率精度要求非常高，利用多次采集疊加提高信噪比的方法接收天線上的NMR信號，在探測點每次發(fā)射的脈沖必須保持同頻同相，因此采用ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851作為頻率發(fā)生器的主控芯片。AD9851接口功能控制簡單，32位頻率控制字,在180 MHz時鐘下，輸出頻率分辨率達0.037 2 Hz，完全可以滿足發(fā)射機的發(fā)射要求。驅動電路主要是對AD9851輸出的方波進行放大，然后驅動IGBT功率管，產生交流信號?？紤]到通過IGBT的電流最高達到400 A,本文選取了三菱公司的M57962L作為驅動模塊，該驅動模塊內部集成了3 000 V的高隔離、高電壓的光電耦合器，過流保護電路和過流保護端子，具有封閉性短路保護功能，滿足實驗要求。
1.2 大功率交變脈沖模塊電路的實現
    大功率交變脈沖模塊的設計是電源設計的核心技術和難點。大功率交變脈沖模塊的功能是：通過天線和諧配電容箱組成的LC回路，發(fā)射特定頻率的交變電流信號，從而產生垂直于地磁場方向的交變磁場，最終激發(fā)地下水中的氫核磁矩發(fā)生偏轉而產生自由感應衰減信號(FID)。由于核磁共振接收到的有效信號為納伏(nV)級，因此激發(fā)的交變磁場強度越大，則激發(fā)的脈沖矩(q=I0t)越強，從而保證接收的核磁共振信號越強,探測地下水的深度就會越精確。
    因此采用方波全橋逆變技術設計了電壓型H橋電路，由AD9851產生的高精度拉莫爾頻率的脈沖經過死區(qū)時間產生電路、驅動電路后控制H橋4個臂的間隔導通，在輸出端產生大功率的方波，經過發(fā)射線圈和諧振電容后，變成發(fā)射所需的正弦功率波。在實際電路設計中，采用三菱公司的2塊大功率PM400DSA060模塊(簡稱IPM)構成H橋電路，代替由4個獨立的IGBT功率管組成的電路，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且通過內置過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，將檢測信號送到單片機，實現對IPM發(fā)射狀態(tài)的實時監(jiān)測。大功率IPM模塊電路如圖2所示。

    由于開關器件不可避免地存在關斷時間，即從控制器發(fā)出關斷控制信號到 H橋開關器件徹底關斷,會有一定的延遲時間，這個時間通常稱之為死區(qū)時間或空載時間[4]。因此需要在發(fā)送控制信號的同時把這個時間考慮進去，避免因為4個IGBT同時導通造成發(fā)射回路短路燒毀器件。本文設計了圖2(c)所示的IPM模塊死區(qū)時間的產生電路，利用電容的充放電來實現硬延時操作，產生IPM關斷所需的死區(qū)時間。與傳統的軟件延時相比，具有操作簡單、控制精確的特點。
1.3 發(fā)射單元及快速切換電路的實現
　    發(fā)射機發(fā)射單元的等效電路如圖3所示，利用核磁共振的方法探測地下水時，發(fā)射和接收為同一線圈。當探測深度為100 m時，線圈中的電流可達400 A,電壓可達3 000 V，而接收回來的NMR信號只有納伏級，因此，發(fā)射和接收之間的開關必須快速切換。本文從穩(wěn)定、安全的角度出發(fā)，設計了利用耐高壓真空繼電器,實現發(fā)射和接收的快速切換和隔離。當發(fā)射時，C1和L組成串聯諧振回路，發(fā)射完成后，C1、C2、R、L組成放電回路，等待70 ms，線圈中的能量耗盡時，切換到接收回路，接收NMR信號。R為100 ?贅大功率電阻，發(fā)射完成后接入放電回路，用于快速釋放線圈中的能量。C2在整個發(fā)射過程中具有重要的作用，并由L和C1組成串聯諧振回路，在其諧振頻率等于輸入的方波頻率時，電路發(fā)生諧振，此時的頻率等于測試點的拉莫爾頻率。

    當發(fā)射停止后，發(fā)射回路快速切換到釋能狀態(tài)。C1、C2、L存儲的能量會產生自激振蕩，但是自由衰減的頻率和拉莫爾頻率不再相等，保證了接收回來的NMR信號來自發(fā)射而不是自由衰減產生。因為在自由衰減過程中，C1、C2、R、L共同參與，則自由衰減的頻率:
    
    通過實驗測試可知，C=(C1×C2）/(C1+C2),C2≈0.5C1,自由衰減的頻率約為拉莫爾頻率的1.2倍。核磁共振時，發(fā)射回路的諧振頻率為探測點的拉莫爾頻率，通過式(1)可知，放電時自由衰減的頻率遠大于拉莫爾頻率，這樣就不會對地下的氫核產生核磁共振的影響，放電回路的獨特設計保證了發(fā)射完畢后在最短的時間內快速切換到接收狀態(tài)[5-6]。
2 實驗結果
　    基于DDS的變頻精密脈沖型電源的實驗環(huán)境為某礦山的實驗基地。已知地下30 m處有厚度為3 m的地下水倉，本儀器實地探測到了精確的地下水存在。當頻率為2 000 Hz時，系統中IGBT控制信號的波形如圖4所示。當電源系統頻率為2 000 Hz時，輸出120 A電流波形如圖5所示。當電源系統輸出電流為150 A,頻率分別為2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz時，PC機接收到的NMR信號如圖6所示。由圖可以看出，采用不同頻率發(fā)射、接收到的NMR信號的初始相位都相同，從而進一步驗證了發(fā)射波形的有效性。表1的實驗數據是利用LC回路發(fā)射不同頻率的信號，其中諧配電容C的值由當地的拉莫爾頻率選定，線圈電感L的值固定不變，使電路工作在諧振狀態(tài),實測6組不同頻率和理論之間的誤差,DC/DC輸出為400 V，儲能電容為24 V。經過計算分析得出以下結論:電源系統的發(fā)射頻率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz范圍內時，測得實際發(fā)射頻率ft的值，其與f0之間的偏差范圍(fd)控制在0.20 Hz內，符合NMR技術要求的標準。

    本文設計了一種大功率變頻精密脈沖型電源系統，與傳統的逆變電源相比，創(chuàng)新點是：自適應精確校準諧振電容技術，通過采樣發(fā)射回路的電流極值確定LC諧振回路的相關參數；快速關斷釋能技術及提高自由衰減頻率電路的巧妙設計，確保接收NMR信號的有效性；IPM功率模塊和M57962L驅動模塊的使用，實現了大功率交變電流輸出。通過電路的仿真和野外探測，滿足探測的各項指標要求，對生產核磁共振找水儀發(fā)射機提供了成功的方案。
參考文獻
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[2] 張建中，孫存譜.磁共振教程[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社,1996.
[3] 華學明,石伯圣,張繼偉. IGBT逆變點焊電源主回路的計算機仿真[J].上海工程技術大學學報, 2001,15(1):
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[4] 林君，段清明，王應吉,等.核磁共振找水儀原理與應用[M].北京：科學出版社,2011.
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[6] ANFEROVA V, ANFEROV M, ADAMS P, et al. Blumich  construction of a NMR-MOUSE with shortdead time concepts in magnetic resonance[J]. Magnetic Resonance Engineering,2002,15(1):15-25.