CN103344995B - 引入人工磁场的核磁共振定向探测装置的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种引入人工磁场的核磁共振定向探测装置及探测方法。是由笔记本电脑分别经主控制单元和输出可调的大功率电源与大功率发射桥路、发射线圈、谐振电容与发射线圈连接，笔记本电脑经/D采集单元、放大器电路、信号调理电路和高压切换开关与接收线圈连接，笔记本电脑经电磁铁驱动电路与电磁铁连接构成。本发明利用电磁铁产生的磁场和天然地磁场共同作用，提高了核磁共振探测的频率，增强了抗工频谐波干扰的能力；电磁铁产生的磁场强度随距离变化，产生一个梯度磁场，提高了探测的分辨率；电磁铁方向的可变，能够实现特定方向、特定距离的探测，解决了含水体的精确定位难题。具有直接探测、解释唯一、结果量化、测量准确的优点。

Description

引入人工磁场的核磁共振定向探测装置的探测方法

技术领域

本发明涉及一种利用核磁共振原理进行探测的地球物理勘探设备及方法，尤其是一种引入人工磁场的核磁共振定向探测装置 的探测方法。

背景技术

在地下施工中，尤其是隧道、矿井等大型的地下掘进工程中，由于地质条件复杂，由地下水引起的突水、涌泥等地质灾害时有发生，给施工安全带来了巨大的灾难和无法估计的经济损失。如何对地下工程中周围的含水体进行精确、有效的探测，成为了地球物理勘探方法中的一个重要研究方向。

CN101603423公开了“一种在煤矿巷道内顺层超前探测含水构造的直流电发方法”，使用矿井直流电法七电极系探测装置，在煤矿巷道掘进头附近布置4根供电电极A1、A2、A3、A4构成一直线排列，分别于无穷远处布置的另一根供电电极B构成回路，向地下供入直流电，建立直流电场，同时在巷道后方使用2根相对固定距离的电极M、N测量其电场分布规律，通过专用配套解释技术处理后，得到掘进巷道或隧道迎头前方0m～140m内的地质体的电性分部信息。上述发明所涉及的超前探测装置及方法有较远的探测深度，探测效率和精度也较高，但是有一个明显的不足，就是此装置是通过勘查含水构造及层位来对含水体是否存在进行判断的，是一种间接测量方法，不能准确获得前方水体的含水层厚度、含水量大小等重要信息参数。

CN201554418U公开了一种钻孔防突水装置及采用该装置的钻孔机，该发明的钻孔防突水装置，由套管和与焊接在套管一端、并与套管连成一体的压紧装置构成，钻机钻杆从套管中穿过，所述的压紧装置，包括有与套管连为一体的盘根室，填充在盘根室内部、起压紧密封作用的盘根和一端焊接有法兰底座、一端深入到盘根室中并与盘根接触的盘根压盖，其中，所述的盘根室上焊接有法兰，法兰上开有孔，盘根压盖的法兰底座的法兰上也开有与其对应的孔，盘根压紧螺栓从孔中通过，将盘根压盖与盘根室连接固定，该实用新型在发生突水时，可迅速可靠地封闭突水，从而能够有效预防淹井事故，该实用新型同时还涉及了一种开采装置的钻孔机。上述发明的钻孔防突水装置可以探测矿下突水，但存在严重不足，那就是要先进行钻孔后进行判定。属于破坏性探测方法，工作效率低，并且有一定的危险性。

CN102062877A公开了一种对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法。是由计算机通过串口总线分别与***控制器、大功率电源、信号采集单元相连，***控制器经桥路驱动器、大功率H型发射桥路和配谐电容与发射线圈相连，接收线圈经保护开关、信号调理单元、放大器与信号采集单元相连结构成。该发明装置采用核磁共振方法进行探测，具有解释唯一、结果量化、测量准确的特点，与现有探测技术相比，该发明能对是否存在含水体，以及含水体的含水量大小等重要信息做出检测。但是上述发明的对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法仅仅采用天然地磁场，其磁场强度只有几十uT，相对微弱，而且地磁场方向不可改变，采用该装置不能准确分辨出是探测的前方还是后方存在含水体，即不能实现定向超前探测的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种引入人工磁场的核磁共振定向探测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

引入人工磁场的核磁共振定向探测装置，是由笔记本电脑3经输出可调的大功率电源4和大功率发射桥路6与发射线圈16的一端连接，笔记本电脑3经主控制单元8、发射桥路驱动5、大功率发射桥路6和谐振电容7与发射线圈16的另一端连接，主控制单元8分别与信号调理电路10和高压切换开关9连接，主控制单元8与A/D采集单元12连接，笔记本电脑3经第一电磁铁驱动电路1与第一电磁铁2连接，笔记本电脑3经A/D采集单元12、放大器电路11、信号调理电路10和高压切换开关9与接收线圈15连接，笔记本电脑3经第二电磁铁驱动电路13与第二电磁铁14连接，笔记本电脑3与三分量地磁场测量电路17连接构成。

所述的主控制单元8是由指令处理器分别与通讯模块、第一计时器、采集同步信号输出端口、开关同步信号输出端口、第二计时器、信号调理单元配置信号输出端口、频率发生器、桥路驱动信号输出端口和第三计时器连接，第一计时器与采集同步信号输出端口连接，第二计时器与开关同步信号输出端口连接，频率发生器经桥路驱动信号输出端口与第三计时器连接构成。

引入人工磁场的核磁共振定向探测方法，包括以下步骤：

a、在测区内选择一探测点，以该探测点的假想直立面为线圈的铺设平面，铺设接收线圈15与发射线圈16，在发射线圈和接收线圈后侧放置第一电磁铁2和第二电磁铁14；

b、通过三分量地磁场测量电路17测量当地地磁场方向和强度，根据探测方向、探测距离和当地地磁场方向及强度，由笔记本电脑3计算出并设置第一电磁铁2和第二电磁铁14的方向和强度，然后通过第一电磁铁驱动电路1和第二电磁铁驱动电路13分别对第一电磁铁2和第二电磁铁14进行驱动，利用电磁铁产生的人工磁场和天然地磁场共同作用，从而构建出核磁共振定向探测所需要的磁场；

c、笔记本电脑3通过串口线控制输出可调的大功率电源4，通过改变其输出电压的大小，来改变在发射线圈16上的激发电流的大小，即产生不同强度的激发磁场，通过不同强度磁场的激发，实现距发射线圈不同远近水体的探测；

d、主控制单元8产生40ms频率信号，通过发射桥路驱动5对大功率发射桥路6进行驱动，发射桥路6被驱动后，利用大功率电源4产生的输出电压向谐振电容7及发射线圈16施加40ms发射电流，实现对前方水体的激发；

e、在激发时，主控制单元8控制高压切换开关9，使其处于断开状态，对信号接收端进行保护，当激发结束后，经过90ms，主控制单元8控制高压切换开关9闭合，将接收线圈15中所产生的信号通过高压切换开关9送入信号调理单元10；

f、信号调理单元10对信号进行滤波处理，主控制单元8通过控制线控制信号调理单元10中滤波器的中心频率与带宽，滤除掺杂在信号中的噪声，将相对纯净的信号送入放大器电路11，放大器电路11对微弱的信号进行放大后，送至A/D采集单元12，主控制单元8控制A/D采集单元12的采集开始与结束时间，A/D采集单元12利用模数转换器将放大器电路11输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后得到的数据送至笔记本电脑3，进行数据的显示与保存；

g、将步骤f显示与保存的核磁共振信号进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率参数，将测得的数据进行反演处理，计算出指定方向上、特定距离、特定区域内的含水量、渗透率水文地质参数，为可能发生的突水、涌泥地质灾害提供预报依据。

有益效果：引入人工磁场的核磁共振定向探测装置及探测方法，结合了核磁共振探测方法具有的直接探测、解释唯一、结果量化、测量准确的优点和电磁铁具有的磁场强度大小、方向可变的特性。在天然地磁场的基础上，引入电磁铁，电磁铁的磁场强度远大于几十uT的地磁场强度，利用电磁铁产生的人工磁场和天然地磁场共同作用，构建的磁场提高了核磁共振探测的工作频率，从而增强了装置的抗工频谐波干扰的能力；电磁铁产生的磁场强度随距离变化，产生一个梯度磁场，提高了探测的分辨率；电磁铁的方向可以改变，能够实现定向探测。采用该发明装置对隧道、矿井等地下工程中的含水体进行探测时，不仅可以准确、有效地检测出是否存在含水体，以及含水体的含水量大小，而且可以实现对指定方向、特定距离的区域定向探测的目的，从而能够更加可靠、精确的找出含水体的位置，解决了含水体的精确定位难题。

附图说明

图1是引入人工磁场的核磁共振定向探测装置的结构框图；

图2是附图1中主控制单元8的结构框图。

1第一电磁铁驱动电路，2第一电磁铁，3笔记本电脑，4输出可调的大功率电源，5发射桥路驱动，6大功率发射桥路，7谐振电容，8主控制单元，9高压切换开关，10信号调理单元，11放大器电路，12A/D采集单元，13第二电磁铁驱动电路，14第二电磁铁，15接收线圈，16发射线圈,17三分量地磁场测量电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

引入人工磁场的核磁共振定向探测装置，是由笔记本电脑3通过串口总线与主控制单元8及输出可调的大功率电源4相连，笔记本电脑3通过数据线与三分量地磁场测量电路17相连，主控制单元8通过控制线与发射桥路驱动5相连，发射桥路驱动5通过信号线与大功率发射桥路6相连，大功率电源4的输出端通过交互信号线与大功率发射桥路6相连，发射桥路6的输出端通过信号线与谐振电容7相连，谐振电容7通过信号线与发射线圈16的一端相连，发射桥路6通过信号线与发射线圈16另一端相连。笔记本电脑3通过控制线经第一电磁铁驱动电路1与第一电磁铁2相连，笔记本电脑3通过控制线经第二电磁铁驱动电路13与第二电磁铁14连接。接收线圈15通过信号线与高压切换开关9的一端相连，高压切换开关9的另一端通过信号线与信号调理电路10的输入端相连，信号调理单元10的输出端通过信号线与放大器电路11的输入端相连，放大器电路11的输出端通过信号线与A/D采集单元12的输入端相连，A/D采集单元12的输出端通过数据线与笔记本电脑3相连。主控制单元8通过控制线分别与高压切换开关9、信号调理电路10及A/D采集单元12相连。

具体工作过程是：

在磁场设定阶段：由三分量地磁场测量电路17测得当地的地磁场强度和方向，根据探测方向、探测距离和测量得的当地地磁场方向及强度，利用笔记本电脑3计算出并设置第一电磁铁2和第二电磁铁14的方向和强度。然后通过第一电磁铁驱动电路1和第二电磁铁驱动电路13对第一电磁铁2、第二电磁铁14进行驱动，利用电磁铁产生的人工磁场和天然地磁场共同作用，从而在指定方向、特定距离、特定区域内，构建出符合核磁共振定向探测所需要的磁场。

在发射阶段：由笔记本电脑3控制大功率电源4产生某一电压值，并通过主控制单元8产生一组交变的电流控制信号，并将此信号送至发射桥路驱动5，来驱动大功率发射桥路6，该信号持续的时间和信号自身的频率由笔记本电脑3控制。在大功率发射桥路6中，谐振电容7和发射线圈16连接构成一个串联谐振***，大功率发射桥路6将大功率电源4的输出电压作为发射电压加载在发射线圈16以及谐振电容7的两端，将发射桥路驱动5的输出信号作为桥路输入信号，控制桥路中各个功率开关器件的交替导通状态，在发射线圈16中便会产生一个大功率的交变电流信号，此电流信号通过发射线圈16产生了交变磁场，完成了对指定方向、特定距离、指定区域的含水体的激发。激发脉冲矩是发射电流和发射时间的乘积，通过改变大功率电源4的输出电压可以改变发射线圈16中的发射电流大小，进而可以改变激发脉冲矩的大小。激发距离取决于激发脉冲矩的大小，激发范围取决于发射线圈16的大小。

在接收阶段：根据核磁共振原理，在地下水受激发一定时间后，突然撤去激发场，地下水中的氢质子会产生一个弛豫效应，表现为在接收线圈15中产生一个衰减的电信号。在发射过程中，高压切换开关9处于断开状态，对***的接收部分起到一个保护作用，当发射结束后，经过一段时间的延迟，主控制单元8发出一个控制信号，令高压切换开关9闭合，接收线圈15中接收到的微弱电信号通过高压切换开关9进入***的信号调理电路10。主控制单元8通过产生一组命令，设置信号调理电路10中的各个参数，信号通过信号调理电路10后，混叠在信号调理电路10中的电磁噪声干扰会被一定程度的滤除，信号调理电路10将比较纯净的信号送至放大器电路11，将信号进行放大。放大器电路11将微弱的核磁共振信号放大至符合A/D采集单元12的输入要求，A/D采集单元12将放大器电路11输出的模拟信号转换为数字信号，并送至笔记本电脑3中保存下来，完成对核磁共振信号的接收。

引入人工磁场的核磁共振定向探测方法，包括以下步骤:

a、测区内选择一测点，以该测点的垂直面为线圈的铺设平面，铺设接收线圈15发射线圈16，在铺设过程中，需借助支架对线圈进行垂直摆放。

b、利用三分量地磁场测量电路17测量当地地磁场方向和强度，根据探测方向、探测距离和测量所得的当地地磁场方向及强度，由笔记本电脑3计算出并设置电磁铁2和电磁铁14的方向和强度，然后通过电磁铁驱动电路1和电磁铁驱动电路13对电磁铁2、电磁铁14进行驱动，利用电磁铁产生的人工磁场和天然地磁场共同作用，从而构建出核磁共振定向探测所需要的磁场。

c、笔记本电脑3通过串口总线控制大功率电源4，通过改变其输出电压的大小，来改变在发射线圈16上的激发电流的大小，即产生不同强度的激发磁场。通过不同强度磁场的激发，完成距离发射线圈不同远近水体的探测。主控制单元8产生40ms的频率信号，通过发射桥路驱动5对大功率发射桥路6进行驱动。发射桥路6被驱动后，利用大功率电源4产生的输出电压向谐振电容7及发射线圈16施加40ms的发射电流，完成对前方含水体的激发。在激发时，主控制单元8控制高压切换开关9，使其处于断开状态，对信号接收端进行保护。当激发结束后，经过90ms时间，主控制单元8控制高压切换开关9闭合，将接收线圈15中所产生的信号通过高压切换开关9送入信号调理电路10。信号调理电路10对信号进行滤波处理，主控制单元8通过控制线控制信号调理电路10中滤波器的中心频率与带宽，滤除掺杂在信号中的噪声，将相对纯净的信号送入放大器电路11，放大器电路11对微弱的信号进行放大后，送至A/D采集单元12，主控制单元8控制A/D采集单元12的采集开始与结束时间，A/D采集单元12利用模数转换器将放大器电路11输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后得到的数据送至笔记本电脑3，进行数据的显示与保存。

将上述提取的核磁共振信号进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率等参数，将测得的数据进行反演处理，并计算出指定方向、特定距离、特定区域内的含水量、渗透率水文地质参数，为可能发生的突水、涌泥地质灾害提供预报依据。

Claims (1)

1.一种引入人工磁场的核磁共振定向探测装置的探测方法，是由笔记本电脑(3)经输出可调的大功率电源(4)和大功率发射桥路(6)与发射线圈(16)的—端连接，笔记本电脑(3)经主控制单元(8)、发射桥路驱动(5)、大功率发射桥路(6)和谐振电容(7)与发射线圈(16)的另—端连接，主控制单元(8)分别与信号调理电路(10)和高压切换开关(9)连接，主控制单元(8)与A/D采集单元(12)连接，笔记本电脑(3)经第一电磁铁驱动电路(1)与第一电磁铁(2)连接，笔记本电脑(3)经A/D采集单元(12)、放大器电路(11)、信号调理电路(10)和高压切换开关(9)与接收线圈(15)连接，笔记本电脑(3)经第二电磁铁驱动电路(13)与第二电磁铁(14)连接，笔记本电脑(3)与三分量地磁场测量电路(17)连接组成；

主控制单元(8)是由指令处理器分别与通讯模块、第一计时器、采集同步信号输出端口、开关同步信号输出端口、第二计时器、信号调理单元配置信号输出端口、频率发生器、桥路驱动信号输出端口和第三计时器连接，第一计时器与采集同步信号输出端口连接，第二计时器与开关同步信号输出端口连接，频率发生器经桥路驱动信号输出端口与第三计时器连接组成；其特征在于，包括以下步骤：

a、在测区内选择一探测点，以该探测点的假想直立面为线圈的铺设平面，铺设接收线圈(15)与发射线圈(16)，在发射线圈和接收线圈后侧放置第一电磁铁(2)和第二电磁铁(14)；

b、通过三分量地磁场测量电路(17)测量当地地磁场方向和强度，根据探测方向、探测距离和当地地磁场方向及强度，由笔记本电脑(3)计算出并设置第一电磁铁(2)和第二电磁铁(14)的方向和强度，然后通过第一电磁铁驱动电路(1)和第二电磁铁驱动电路(13)分别对第一电磁铁(2)和第二电磁铁(14)进行驱动，利用电磁铁产生的人工磁场和天然地磁场共同作用，从而构建出核磁共振定向探测所需要的磁场；

c、笔记本电脑(3)通过串口线控制输出可调的大功率电源(4)，通过改变其输出电压的大小，来改变在发射线圈(16)上的激发电流的大小，即产生不同强度的激发磁场，通过不同强度磁场的激发，实现距发射线圈不同远近水体的探测；

d、主控制单元(8)产生40ms频率信号，通过发射桥路驱动(5)对大功率发射桥路(6)进行驱动，发射桥路(6)被驱动后，利用大功率电源(4)产生的输出电压向谐振电容(7)及发射线圈(16)施加40ms发射电流，实现对前方水体的激发；

e、在激发时，主控制单元(8)控制高压切换开关(9)，使其处于断开状态，对信号接收端进行保护，当激发结束后，经过90ms，主控制单元(8)控制高压切换开关(9)闭合，将接收线圈(15)中所产生的信号通过高压切换开关(9)送入信号调理单元(10)；

f、信号调理单元(10)对信号进行滤波处理，主控制单元(8)通过控制线控制信号调理单元(10)中滤波器的中心频率与带宽，滤除掺杂在信号中的噪声，将相对纯净的信号送入放大器电路(11)，放大器电路(11)对微弱的信号进行放大后，送至A/D采集单元(12)，主控制单元(8)控制A/D采集单元(12)的采集开始与结束时间，A/D采集单元(12)利用模数转换器将放大器电路(11)输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后得到的数据送至笔记本电脑(3)，进行数据的显示与保存；

g、将步骤f显示与保存的核磁共振信号进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率参数，将测得的数据进行反演处理，计算出指定方向上、特定距离、特定区域内的含水量、渗透率水文地质参数，为可能发生的突水、涌泥地质灾害提供预报依据。