技术领域
[0001] 本
发明属于核四极矩共振以及地
磁场核磁共振系统的应用技术领域，尤其涉及一种核四极矩共振检测系统及其天线。
背景技术
[0002] 核四极矩共振技术提取的
信号客观地反映了在特定的物质结构下
原子核呈现的电四极矩结构，因此这种技术能用来检测和分析含有四极矩原子核结构的元素或者同位素，诸如氮14(N14)，
钾39，氯35以及氯37，从而能确定含有这种元素或者同位素的物质的存在。特别是，炸药、尼古丁、药物普遍含有N14成分，而炸药是恐怖分子威胁现代社会的常用手段，对其进行可靠的检测是维护公共安全的必须程序。用四极矩共振技术就能有针对性地检查爆炸装置，例如地雷或者路边炸弹。四极矩共振技术也可以用来进行机场乘客或者任何公共场合的安检。常见与爆炸物相关的成分的四极矩共振的
频率大约在500KHz到5MHz的范围，和磁共振技术相比，四极矩共振技术不需要外加磁场。
[0003]
地磁场磁共振技术是利用地球的磁场作为磁共振所需要的极化场B0，极化
水或者石油成分中的氢原子中的质子，通过天线发射激励
电磁场对此做磁共振来检测
地下水或者造成地下污染的石油。地磁场的强度大约为0.5高斯，其对应的拉
马(Lamar)磁共振频率大约为略高于2000Hz。
[0004] 上述两种共振信号的共同点是信号幅度极其微小，而其工作频率又分布在人类文化活动产生的常见
电磁干扰范围内。例如，40多次谐波的工频电干扰(对于50Hz的工频干扰源)对地磁场核磁共振信号的干扰，以及中、短波无线电广播对四极矩共振信号的干扰。因此，当应用这些共振技术在非屏蔽环境下检测爆炸物时，环境干扰就成为一个棘手的问题。因此，开发抑制这种干扰的天线和
信号处理方法提高
信噪比，一直是成功应用这些技术的关键。
[0005] 由于上述两种技术有结构上和面临应用上要解决的困难的共性，下面我们集中表述围绕四极矩共振技术的发展和存在的问题。在叙述中，天线和线圈这两个词有可能依据场合会交替使用。
[0006] 传统上最常见的抑制外界干扰的天线的典型结构，是由两个线圈组成的梯度天线。二线圈以这样的方式来连接，以保证产生的磁场矢量方向在二线圈平面上刚好相反。物理上，施加已知
电流在空间产生的场分布，被称为
导联场，导联场的分布，决定了同样的线圈在用做测量时的空间灵敏度分布。这种互易关系被称为电磁场的互易定律。因此，前述梯度天线的特征保证了能敏锐地检测位于附近的被测爆炸物产生的NQR信号，而对远距离外的来自干扰源的干扰有很好的抵抗作用。这是因为，相对于干扰源的距离，梯度天线中的两个线圈间的距离很小，接收到的远方传来的干扰在二线圈上呈显相同的干扰强度和相反的
相位，因此二者经梯度天线抵消。而对于来自附近的爆炸物的信号，其具有较强的梯度特性，因此天线能感应到该梯度分量，从而
输出信号供后续
电路放大处理。实践上为了提高信噪比，接收天线往往调谐在工作频率上。这样的常规天线，在大多数情况下是能够满意工作的。但是，在NQR系统中，由于信号极其微小，来自干扰源的干扰，即便是有微小的梯度分量，也足以对被测信号造成干扰，影响处理分析和判断。
[0007] 和上述梯度天线类似，只是在应用上让被测爆炸物居于
梯度线圈的一边也就是仅仅一个线圈来发射电磁场并接收NQR信号，另一个线圈离爆炸物较远，只
感知干扰。因为干扰同时出现在梯度天线的两个相位相反的线圈上，从而互相抵消。这样的天线结构，由于多出来一个不感知信号的相位相反的线圈，因此增加了天线系统的热噪声，从而降低了信噪比。
[0008] 和梯度天线不同的另一种抗干扰天线，是在主发射/测量线圈附近，放置数个辅助天线，例如三个
正交的线圈，来检测干扰的三个正交分离。这些辅助天线独立于主测量天线，距离主天线足够远，不参与发射电磁场和接收NQR信号。这样，辅助天线所提供的干扰信息，可以经过
硬件或者
软件处理方法来有效的从主测量通道中消除，从而抑制干扰。尽管这样的天线设计，已经应用于地雷检查，但是，如果主测量天线感应的干扰与辅助天线收到的干扰相关性不能保证，则这种天线的抗干扰能
力将会恶化。实践上，为了保证辅助天线不检测到有用信息，必须和主测量天线保持合适的距离，但这又有可能降低干扰在主天线与辅助天线各自空间所获得后的相关性，从而使遗留在处理后的信号中的干扰增加。相反，如果减小辅助线圈和主测量线圈的距离以保证干扰的相关性，辅助线圈就有可能也检测到有用信息，从而将一部分有用信息误为干扰而在处理中消除掉，降低信噪比。因此，这些传统的技术方案实现的天线系统都存在着抗干扰能力和提高信噪比的矛盾，而高抗干扰、高信噪比的测量天线是应用NQR技术于爆炸物探测的核心。对此，本发明提出了一种新的天线结构，满足高抗干扰能力要求，同时使信噪比最大化。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于提供一种核四极矩共振检测系统及其天线，用于核四极矩共振技术检测爆炸物，也可以用于地磁场核磁共振检测地下水和地下漏油。旨在解决传统的技术方案中存在的抗干扰能力和高信噪比存在矛盾的问题。
[0010] 一种核四极矩共振检测用天线，所述天线包括：
[0011] 第一线圈，所述第一线圈形成有第一图形；
[0012] 第二线圈，所述第二线圈形成有第二图形；
[0013] 所述第一线圈和所述第二线圈构成的梯度天线，同时接收来自目标区信号和外界的射频干扰；
[0014] 其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈的绕制方向相反，所述第二图形均匀分布于所述第一图形周围，所述第一图形与所述第二图形面积相等。
[0015] 此外，还提供了一种核四极矩共振的检测系统，包括：
[0016] 第一线圈，所述第一线圈形成有第一图形；
[0017] 第二线圈，所述第二线圈形成有第二图形；
[0018] 所述第一线圈和所述第二线圈构成的梯度天线，同时接收来自目标区信号和外界的射频干扰；
[0019] 其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈的绕制方向相反，所述第二图形均匀分布于所述第一图形周围，所述第一图形与所述第二图形面积相等；
[0020] 电脉冲序列功率
放大器，所述电脉冲序列
功率放大器分别与所述第一线圈和所述第二线圈连接，用于使所述第一线圈和所述第二线圈产生激励序列脉冲磁场；
[0021] 信号接收单元，用于信号接收并处理所述第一线圈和第二线圈接收的
射频信号。
[0022] 此外，还提供了另一种核四极矩共振检测系统，包括：
[0023] 第一线圈，所述第一线圈形成有第一图形；
[0024] 第二线圈，所述第二线圈形成有第二图形；
[0025] 所述第一线圈和所述第二线圈构成的梯度天线，同时接收来自目标区信号和外界的射频干扰；
[0026] 其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈的绕制方向相反，所述第二图形均匀分布于所述第一图形周围，所述第一图形与所述第二图形面积相等；
[0027] 脉冲序列功率放大器，所述电脉冲序列功率放大器与所述第一线圈连接，用于使所述第一线圈产生激励序列脉冲磁场；
[0028] 信号接收单元，用于信号接收并处理所述第一线圈和第二线圈接收的射频信号。
[0029] 上述的核四极矩共振检测用天线，第一线圈和第二线圈构成梯度天线，同时接收来自目标
检测区域的回传射频信号和来自外界的干扰射频信号，和传统的8字形梯度天线相比较，由于第二线圈是均匀分布在第一线圈的外围，因此，不论目标检测物是否对称分布在天线下目标检测区域，第二线圈都能起到增强信号的作用，而这种中心对称构成的梯度天线又进一步保证了远方干扰在梯度天线二线圈上的相关性，从而达到更理想的抵消干扰的目的。而梯度天线的中的第二线圈绕组的方向与主线圈(即第一线圈)一致，物理上，这样的结构保证了该天线系统具有高的测量灵敏度。综上所述，本发明的方案能有效地提高天线在检测NQR或者地磁共振信号时对环境中无线电干扰的抑制能力，并增强信号的检测能力，从而提高系统的信号噪声比。
附图说明
[0030] 图1为本发明较佳
实施例提供的核四极矩共振检测用天线的结构示意图；
[0031] 图2为本发明第一实施例提供的核四极矩共振检测系统的结构示意图；
[0032] 图3为本发明第二实施例提供的一种实施方式核四极矩共振检测系统的结构示意图；
[0033] 图4为本发明第二实施例提供的另一种实施方式核四极矩共振检测系统的结构示意图；
[0034] 图5为本发明第一实施例和第二实施例中，天线在0.5米处的目标平面沿任意径向产生的激励磁场垂直方向分量(Bz)的分布示意图。
具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
[0036] 如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种核四极矩共振检测系统，具体的，本实施例所述的核四极矩共振检测系统包括：核四极矩共振检测用天线、电脉冲序列功率放大器200和信号接收单元300。
[0037] 其中，如图1所示，该核四极矩共振检测用天线为一组两个线圈排布组成的梯度天线，在接收信号时能消除接收到的外界
干扰信号，该组线圈包括第一线圈Q1和第二线圈Q2。
[0038] 具体来说，第一线圈Q1和第二线圈Q2的绕制方向相反，且位于同一平面，第一线圈Q1形成有第一图形，第二线圈Q2形成有第二图形，第一图形与第二图形面积相等，第二图形均匀分布于第一图形周围。
[0039] 进一步，第一线圈Q1和第二线圈Q2均为良性导体的金属(例如
铜质
导线)环或由至少一根导线绕制而成；第一线圈Q1形成的第一图形和第二线圈Q2形成的第二图形为均为轴对称或中心对称图形，在优选地实施例中，第一图形形成为圆形区域，第二图形为环形区域，均匀分布于第一图形的周围，本发明实施例中所披露的第一线圈Q1形成的第一图形和第二线圈Q2形成的第二图形的面积相等，即该圆形区域的面积与该环形区域的面积相等，具体而言，满足以下的关系，
[0040] S1＝S2；
[0041] 即，
[0042] 其中，S1、S2分别代表第一图形和第二图形的面积，R1、R2和R3分别代表所发明的梯度天线从内到外的三个圆的半径，即上述天线系统的各线圈半径受上述公式制约。
[0043] 本发明实施例提供的天线在接收信号时，第一线圈Q1和第二线圈Q2构成的梯度天线，同时接收来自目标检测区域的回传射频信号和来自外界的干扰射频信号，其中，作为射频干扰的空间中的干扰
电磁波，通常为远程的无线电广播或电力线
辐射的干扰，其呈现无梯度特性，即第一线圈Q1和第二线圈Q2距离干扰源的距离远远大于线圈本身的几何尺寸，因此远方来的干扰在目标检测区域内可以看成是均匀的分布，而第一线圈Q1形成的第一图形与第二线圈Q2形成的第二图形的面积相等，根据法拉第
电磁感应原理，感应的干扰电动势在二线圈上也具有相等的幅度，由于梯度天线的两个线圈绕制方向相反，干扰信号的相位因此刚好反相，所以在第一线圈Q1与第二线圈Q2中产生的干扰信号会相互抵消，而目标检测物产生的回传射频信号是有用的信号，具有非常强的梯度特性，在反向绕制的第一线圈Q1与第二线圈Q2中不构成抵消和抑制，相反，根据
电磁学中的互易定律，来自目标物的被测信号在二线圈中
叠加增强，从而在抑制干扰的同时增加了信号强度，提高信噪比。特别是，第二线圈Q2均匀环绕在第一线圈Q1的周围，最大可能的保证了第一线圈Q1和第二线圈Q2接收干扰信号的一致性，不论目标检测物是否对称分布在天线下目标检测区域，都能有效增强信号接收能力和消除干扰。
[0044] 进一步，第一线圈Q1和第二线圈Q2均为良性导体(例如铜导体)的金属环或由至少一根导线绕制而成，其优化后的
匝数取决于工作频率；第一线圈Q1形成的第一图形和第二线圈Q2形成的第二图形为均为轴对称或中心对称图形，在优选地实施例中，第一图形形成为圆形区域，第二图形形成为环状区域，环设于第一图形周围，以使第一图形与第二图形具有相同的对称中心，第一线圈Q1和第二线圈Q2形的整体形成为完全对称的天线结构。天线在接收信号时，第二线圈Q2最大程度的接收了来自被检测物的回传射频信号，第一线圈Q1和第二线圈Q2的信号叠加在一起在相位上是增强信号强度，从而达到了梯度接收天线的最大信噪比。而由于第二线圈Q2是均匀分布在第一线圈Q1的外围，因此，不论目标检测物是否对称分布在天线下目标检测区域，第二线圈Q2都能起到增强信号的作用。
[0045] 原理上，核四极矩共振技术中的天线中的第一线圈Q1和第二线圈Q2具有发射和接收两种状态。和传统的共振技术一样，天线首先处于发射状态，发射的电磁波激励被测物中的目标检测元素到一个高能态，然后停止发射，天线转入接收状态，接收和放大有用信号。相对应的，天线的具有发射和接收两种模式，以下重点介绍由于两种不同的发射模式和接收模式下所构成的两种不同的实施例中的核四极矩共振检测系统，而忽略本领域的工程人员熟知的中心时序控制单元。
[0046] 在图2所示的第一实施例中，第一线圈Q1和第二线圈Q2并联连接，电脉冲序列功率放大器200连接在第一线圈Q1和第二线圈Q2的共接端之间，同时，信号接收单元300也连接在第一线圈Q1和第二线圈Q2的共接端之间，用于信号接收并处理第一线圈Q1和第二线圈Q2接收的射频信号，并以此判断目标检测区域是否存在目标检测物。在实际应用中，发射线路和接
收线路共用，如图2中信号发射/接收单元所示，经典型的谐振于工作频率的T网络实现分时发射信号和接收信号，简化电路，且便于操作。
[0047] 在共用的发射线路和接收线路中，第一线圈Q1和第二线圈Q2并联有电容C1，形成并联谐振，发射时接收电路被隔离，仪器中的功率放大器按一定的激励序列(例如常用的测量回波信号的CPMG序列)向天线发送序列脉冲，天线将序列脉冲转换为射频的序列磁场，发射天线向目标检测区域发射检测射频信号，向目标检测区域发射预定时间的检测射频信号后，激励被测物中的四极矩到一个高能态，处于高能态的四极矩跳跃恢复到低能态，在恢复的过程中辐射出和激励磁场同频率的电磁波，即NQR共振信号，被转换为接收状态的天线所接收，然后馈送到已从发射转入接收状态的接收电路放大增强，供后续处理分析判断。天线进入接收模式后，第一线圈Q1和第二线圈Q2构成梯度接收天线，同时接收干扰源和目标检测物产生的射频信号。第一线圈Q1和第二线圈Q2接收的干扰射频信号会在第一线圈Q1和第二线圈Q2感应的信号叠加时相互抵消，信号接收单元300只接收到来自目标检测物受激发产生的回传射频信号，从而消除了干扰。在实际应用中，天线可以用常规方法改变其阻抗以达到标准的50欧姆，方便匹配标准放大器。
[0048] 如图3和图4所示，为本发明第二实施例中核四极矩共振检测系统的结构示意图。在这个实施中，发射和接收是分别调谐达到谐振在工作频率的。其中在发射线路，电容C2与第一线圈Q1
串联谐振，串联谐振时谐振回路呈现低阻抗，有利于
低电压驱动。电脉冲序列功率放大器200只与第一线圈Q1连接，用于使第一线圈Q1产生并发射检测射频信号，形成激励序列脉冲磁场；信号接收单元300用于接收并处理第一线圈Q1和第二线圈Q2接收的射频信号，并进一步分析判断目标检测区域是否存在目标检测物。具体地，第一线圈Q1串接有第二电容，且第二电容串接于电脉冲序列功率放大器200和第一线圈Q1之间的信号发射线路上，在第一线圈Q1发射脉冲序列信号时，发射天线呈现低阻抗，因此发射电源可以采用相对较低的电压，例如可以采用
汽车电池供电，使该检测系统适合于在野外的目标检测物的探测工作。
[0049] 在本实施例中的接收天线回路中，有两种实现方式，一种是并联谐振，如图3所示，另一种实现是串联谐振，如图4所示。以下详细论述这两种实现方式。
[0050] 在图3所示的核四极矩共振检测系统中，天线在接收模式时，发射电路断开，第一线圈Q1和第二线圈Q2串联，再与电容C3构成并联谐振回路，输出信号经信号接收单元300的隔离网络馈送到该单元的前置放大器进行放大。在发射模式下，接收单元处于高阻抗隔离模式，电容C3和天线构成的并联谐振回路，会从发射线路耦合一部分
能量，在第二线圈Q2中感应发射电流，于是，第二线圈Q2也参与发射激励电磁场。当发射结束后，发射线路自动断开，不影响第一线圈Q1和第二线圈Q2串联后与电容C3形成的并联谐振，该并联谐振呈现高阻抗，接收来自目标区的被测物因发射激励产生的信号。因此，在这种模式下，信号接收单元300的输入放大器必须是高阻抗。
[0051] 在图4所示的串联谐振接收线路中，电容C3与第一线圈Q1和第二线圈Q2串联构成的天线组成串联谐振，在发射结束时开始接受来自被测物的信号。由于串联谐振，接收线路呈现低阻抗，因此，信号接收单元300中的输入放大器必须是低阻抗输入。在这种工作模式下，当发射天线工作时，接收放大器被隔离网络与接收线路隔离，接收线路没有感应电流产生，因此不参与发射，发射天线相当于一个简单的圆形发射天线。
[0052] 图5所示为所述发明天线的导联场亦即灵敏度分布曲线。该曲线是基于单位电流激励一匝天线在0.5米深处产生的磁场的垂直方向分量(Bz)沿平面径向分布。根据互易定律，该曲线也反映了天线的空间灵敏度分布。其中，图中的实线是第一线圈Q1在单位电流驱动下的场分布，而虚线是第一线圈Q1和第二线圈Q2构成梯度天线时的场分布图。显然，这种特殊的梯度天线结构，提高了接收信号的能力。
[0053] 在本发明第二实施例中，即图3和图4所示的核四极矩共振检测系统，在发射模式时，第一线圈Q1作为发射线圈向目标检测区域发射检测射频信号，此时，发射天线为第一线圈Q1形成的圆形结构天线，在天线的几何尺寸给定时，简单的圆形天线结构具有最深的激励检测深度。本优选实施例在发射模式时所形成的圆形结构天线相较于传统的梯度天线而言，很大程度上提升了检测深度或检测范围。相对应的，本优选实施例中，第一线圈Q2的第二图形形成为大致的环状区域，环设于第一线圈Q1的第一图形周围，以使第一图形与第二图形具有相同的对称中心，第一线圈Q1和第二线圈Q2形的整体形成为完全对称的天线结构。在接收模式时，第一线圈Q1和第二线圈Q2构成梯度接收天线，同时接收射频信号，其中，第一线圈Q1和第二线圈Q2接收的干扰射频信号会在二线圈的信号叠加在一起时的相互抵消。而第二线圈Q2最大程度的接收了来自被检测物的回传射频信号，从而达到了梯度接收天线的最大信噪比。而由于第二线圈Q2是均匀分布在第一线圈Q1的外围，因此，不论目标检测物是否对称分布在天线下目标检测区域，第二线圈Q2都能起到增强信号的作用。
[0054] 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。
