CN102096112A - 基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法。是由计算机通过串口线或网口线经控制单元、发射线圈与接收线圈连接构成，接收线圈是由25个接收单元连接构成阵列线圈。用阵列线圈作为接收单元的天线，并且每个天线配备独立的接收单元，不仅能够实现二维地下水成像，还能够实现三维地下水成像，还能够实现高灵敏度采集和远距离的数据传输，而且可以在复杂地形地貌上进行铺设，提高了核磁共振探测在水平面上的精度，能够高效准确地确定开采地下水的井位，提高了找水效率，降低了找水成本，有效地减少打干井的风险。

Description

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探设备，尤其是基于阵列线圈的核磁共振地下水二维或三维探测的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法。 

背景技术

核磁共振地下水探测方法(Magnetic Resonance Sounding，简称MRS方法)是一种直接地非破坏性的地球物理勘探方法，已经在1维地下水探测方面得到广泛的应用。 

CN101285895A公开了一种线电源激发多道接收地面核磁共振方法和系统，所述方法包括以下步骤：1)利用发射机通过两个打入地下的发射电极向地下供入拉摩尔频率的交变电流，通过改变电极的距离和电流的大小产生不同的激发磁场；2)断开激发场，在被激发的氢质子旋进到正常平衡态过程中，用高灵敏探头组接收呈指数衰减规律的信号；3)将所述的信号通过信号传输线传送给接收机，再将所述接收机接收的信号发送给信号处理与成像系统，进行信号的预处理、去噪、反演和成像等处理。US7466128B2公开了一种多通道核磁共振数据采集器和处理方法，应用多个线圈，每个线圈既可用于发射也可用于接收，用一个采集器的多个通道进行采集，通过自适应算法实现噪声压制，并用多个通道的数据实现3维地下水密度的估计。以上发明都将核磁共振探测方法拓展到2维和3维，设计了多个采集通道的核磁共振地下水探测仪，但都存在不足，如用探头很难接收到纳伏级幅度的核磁共振响应信号；用一个采集器的多个通道接收，每个线圈距离采集器不能太远，否则信号衰减严重；受复杂地形地貌限制，在一条直线上铺设多个大线圈或者在一个平面上铺设多个大线圈很难实现。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪； 

本发明的目的另一目的提供一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪野外探测方法。 

本发明的目的是通过以下方式实现的： 

计算机1通过串口线或网口线经控制单元2、发射线圈3与接收线圈4连接，控制单元2经第11接收单元、第12接收单元、第13接收单元和第14接收单元与第15接收单元连接，第1接收单元经第6接收单元、第11接收单元和第16接收单元与第21接收单元连接，第2接收单元经第7接收单元、第12接收单元 和第17接收单元与第22接收单元连接，第3接收单元经第8接收单元、第13接收单元和第18接收单元与第23接收单元连接，第4接收单元经第9接收单元、第14接收单元和第19接收单元与第24接收单元连接，第5接收单元经第10接收单元、第15接收单元和第20接收单元与第25接收单元连接构成。 

第1接收单元——第25接收单元均是由通讯接口5经同步控制器6与继电器8连接，感应线圈7经继电器8、谐振电路9、放大电路10和采集电路11与通讯接口5连接构成。 

控制单元2是由接收控制器13经通讯控制器12与发射控制器14连接构成。 

发射线圈3是由配谐电容15经发射桥路16分别与大功率电源17和发射控制18连接构成。 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪野外探测方法： 

a、在复杂地形地貌、地下条件未知的测区，首先根据地形选择正方形或者长方形铺设发射线圈3，尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度； 

b、在过发射线圈3中心的直线上等间距铺设第11接收单元-第15接收单元，用来完成二维地下水探测，或在发射线圈3内部和周边铺设阵列式接收单元第1接收单元-第25接收单元，用来完成三维地下水探测； 

c、通过磁力仪获得测区地磁场值Bo，Bo*常数0.04258换算成拉莫尔频率Fl，并设置在计算机1中，根据拉莫尔频率和发射线圈3的电感特性，计算发射单元中的配谐电容的大小； 

d、在计算机1中设置发射脉冲矩，发射脉冲矩是发射电流和发射时间的乘积，发射时间通常固定为40ms，发射电流越大，探测的越深，为实现对地下水由浅到深的分层探测，要从小到大设置多个发射脉冲矩； 

e、根据所设置的发射脉冲矩，设置发射电压，在发射线圈3中产生大功率交变电流；设置多少个发射脉冲矩，就设置多少个发射电压，就要发射多少次，就在发射线圈3中产生多少次大功率交变电流； 

f、发射停止后，经过40ms死区时间，控制单元2向阵列式接收单元第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元发送同步采集命令，然后再将采集的数据按第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元的序列号上传至计算机1中，完成全部测点的探测； 

g、将全部测点采集的数据通过现有的核磁共振处理软件进行数据处理和反演，绘制出测区二维或三维的地下水分布图像，完成测区地下水探测。 

有益效果： 

用阵列线圈作为接收单元的天线，并且每个天线配备独立的接收单元，不但可以实现高灵敏度采集和远距离的数据传输，而且可以在复杂地形地貌上进行铺 设，提高了核磁共振探测在水平面上的精度，可以实现2维和3维地下水成像，能够高效准确地确定打井井位，减少打干井的风险。 

附图说明

图1是基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪的结构框图 

图2是附图1中接收单元结构框图 

图3是附图1中控制单元2的结构框图 

图4是附图1中发射单元3的结构框图 

图5是附图1中阵列式接收单元连接图 

1计算机，2控制单元，3发射线圈，4接收线圈，5通讯接口，6同步控制器，7感应线圈，8继电器，9谐振电路，10放大器，11采集电路，12通讯控制，13接收控制器，14发射控制器，15配谐电容，16发射桥路，17大功率电源，18发射控制。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明： 

计算机1通过串口线或网口线经控制单元2、发射线圈3与接收线圈4连接，控制单元2经第11接收单元、第12接收单元、第13接收单元和第14接收单元与第15接收单元连接，第1接收单元经第6接收单元、第11接收单元和第16接收单元与第21接收单元连接，第2接收单元经第7接收单元、第12接收单元和第17接收单元与第22接收单元连接，第3接收单元经第8接收单元、第13接收单元和第18接收单元与第23接收单元连接，第4接收单元经第9接收单元、第14接收单元和第19接收单元与第24接收单元连接，第5接收单元经第10接收单元、第15接收单元和第20接收单元与第25接收单元连接构成。 

第1接收单元——第25接收单元均是由通讯接口5经同步控制器6与继电器8连接，感应线圈7经继电器8、谐振电路9、放大电路10和采集电路11与通讯接口5连接构成。 

控制单元2是由接收控制器13经通讯控制器12与发射控制器14连接构成。 

发射线圈3是由配谐电容15经发射桥路16分别与大功率电源17和发射控制18连接构成。 

具体工作过程： 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪的操作控制由计算机1负责，计算机1通过串口线或者网口线与控制单元2连接，用来进行控制指令和采集数据的传输。控制单元2是仪器的核心，负责谐调发射线圈3和阵列式第1采集单元～～第25采集单元的工作，控制产生大功率交变电流、采集同步和选择上传阵列线圈的核磁共振响应信号。 

发射线圈3由发射控制18、大功率电源17、发射桥路16和配谐电容15构成。 发射控制18由具有PWM输出功能的模块和相关逻辑电路组成，主要完成对大功率电源17的充电控制，发射桥路16驱动信号的产生和发射线圈3状态监控等。发射控制18通过对大功率电源17的电压进行检测，控制大功率电源17中电容的充电，为发射线圈3提供大功率瞬时电流。发射控制18给驱动电路提供两路逻辑相反并具有40sm死区时间的TTL电平的控制信号；驱动电路将该控制信号经过转换，驱动发射桥路16；发射桥路16由两个桥臂构成，每个桥臂分别有两个大功率IGBT开关管，用来将大功率电源提供的直流电源逆变成交变电流。配谐电容15和发射线圈4组成谐振回路，发射桥路的两个桥臂输出端接到谐振回路的两端。当控制单元2给出发射命令时，谐振回路中将产生大功率交变电流，激发地下水中的氢核，使之跃迁至高能级。 

当控制单元2向发射单元3发出停止命令后，发射线圈4经过40ms死区时间将剩余能量释放完毕，控制单元2向阵列式第1接收单元～～第25接收单元发出开始采集命令。当每个接收单元中的通讯接口5接到开始采集命令时，同步控制器6控制继电器8由断开状态变成闭合状态。此时，感应线圈7接收到地下水中氢核由高能级跃迁至低能级产生的弛豫信号，又称核磁共振响应信号。核磁共振响应信号经继电器8进入谐振电路9进行阻抗匹配，通过选择不同配谐电容达到最佳谐振点，再经过放大器10，进入采集电路11。放大器10由前置放大器、LC选频放大器、工频陷波器和后级放大器组成。采集电路11根据核磁共振响应信号对采样率和采样精度的要求，选择高速高采样率的AD，用CPLD+FIFO的方式对高速采集的数据进行缓冲存储，然后再将FIFO中的数据存入采集电路11中的存储器中。控制单元2根据阵列线圈的序列号分别选择每个第1接收单元～～第25接收单元上传存储器中的数据，最后汇总到计算机1中进行数据处理和反演解释。 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪野外具体工作方法： 

步骤1：在一个复杂地形地貌、地下条件未知的测区，首先铺设发射线圈4，根据地形选择正方形或者长方形，尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度； 

步骤2：在过发射线圈4中心的直线上等距的铺设第1接收单元～～第15接收单元，用来完成二维地下水探测；或在发射线圈4内部和周边铺设阵列式接收单元，第1接收单元～～第25接收单元，用来完成3维地下水探测。 

步骤3：用磁力仪获得当地地磁场的强度，通过磁场强度Bo*常数0.04258转化成拉莫尔频率，在计算机1中进行设置。根据拉莫尔频率和发射线圈4的电感特性，计算发射单元中的配谐电容的大小。 

步骤4：在计算机1中设置多个发射脉冲矩。发射脉冲矩是发射电流和发射时间的乘积，一般发射时间固定，发射电流越大，探测地下水的层位越深。设置从小到大激发脉冲矩可以实现对地下水从浅到深地分层探测。 

步骤5：根据设置的发射脉冲矩，设置发射电压，在发射线圈4中产生大功率 交变电流，发射时间一般为40ms。设置多少个发射脉冲矩，就设置多少个发射电压，就要发射多少次，就在发射线圈3中产生多少次大功率交变电流； 

步骤6：发射停止后，经过40ms死区时间，控制单元2向阵列式接收单元第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元发送同步采集命令，然后再将采集的数据按第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元的序列号上传至计算机1中，完成全部测点的探测； 

步骤7：将全部测点采集的数据通过现有的核磁共振处理软件进行数据处理和反演，绘制出测区二维或三维的地下水分布图像，完成测区地下水探测。 

实施例1 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪用于二维地下水探测时，计算机1经串口线或网口线与控制单元2连接，控制单元2与发射单元3连接，再与发射线圈4连接，控制单元2与阵列接收单元11～～15中的一个接收单元11连接，接收单元11再与相邻接收单元12和连接，以此类推，每个接收单元11～～15都与相邻的接收单元连接构成。在第11接收单元～～第15接收单元中，通讯接口5通过串口或者网口与控制单元2或相邻接收单元中的通讯接口5连接，通讯接口5与同步控制器6连接，同步控制器6与继电器8连接，感应线圈7与继电器8连接，再经谐振电路9，放大器10连接至采集电路11，采集电路11经通讯接口5和控制单元2连接至计算机1。 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪用于二维地下水探测的工作方法： 

步骤1：在一个复杂地形地貌、地下条件未知的测区，首先铺设发射线圈4，根据地形选择正方形或者长方形，尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度； 

步骤2：在过发射线圈4中心的直线上等距的铺设第11接收单元～第15接收单元，用来完成二维地下水探测。 

步骤3：用磁力仪获得当地地磁场的强度，通过磁场强度Bo*常数0.04258转化成拉莫尔频率，在计算机1中进行设置。根据拉莫尔频率和发射线圈4的电感特性，计算发射单元中的配谐电容的大小。 

步骤4：在计算机1中设置从小到大多个发射脉冲矩，实现对地下水从浅到深地分层探测。 

步骤5：根据设置的发射脉冲矩，设置发射电压，在发射线圈4中产生大功率交变电流，发射时间一般为40ms。设置多少个发射脉冲矩，就设置多少个发射电压，就要发射多少次，就在发射线圈3中产生多少次大功率交变电流； 

步骤6：发射停止后，经过40ms死区时间，控制单元2向阵列式接收单元第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元发送同步采集命令，然后再将采集的数据按第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元的序列号上传至计算机1中，完成全部测点的探测； 

步骤7：将全部测点采集的数据通过现有的核磁共振处理软件进行数据处理和反演，绘制出测区二维或三维的地下水分布图像，完成测区地下水探测。 

实施例2 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪用于三维地下水探测时，计算机1经串口线或网口线与控制单元2连接，控制单元2与发射单元3连接，再与发射线圈4连接，控制单元2与第1接收单元～～25接收单元中的第11接收单元连接，接收单元11再与相邻接收单元6、16和13连接，以此类推，第1接收单元～～25接收单元中每个接收单元1～～25都与相邻接收单元连接。在第1接收单元～～25接收单元中，通讯接口5通过串口或者网口与控制单元2或相邻接收单元中的通讯接口5连接，通讯接口5与同步控制器6连接，同步控制器6与继电器8连接，感应线圈7与继电器8连接，再经谐振电路9，放大器10连接至采集电路11，采集电路11经通讯接口5和控制单元2连接至计算机1。 

基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪用于三维地下水探测的工作方法： 

步骤1：在一个复杂地形地貌、地下条件未知的测区，首先铺设发射线圈4，根据地形选择正方形或者长方形，尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度； 

步骤2：在发射线圈4内部和周边铺设阵列式第1接收单元～～25接收单元，用来完成三维地下水探测。 

步骤3：用磁力仪获得当地地磁场的强度，转化成拉莫尔频率，在计算机1中进行设置。根据拉莫尔频率和发射线圈4的电感特性，计算发射单元中的配谐电容的大小。 

步骤4：在计算机1中设置从小到大多个发射脉冲矩，实现对地下水从浅到深地分层探测。 

步骤5：根据设置的发射脉冲矩，设置发射电压，在发射线圈4中产生大功率交变电流，发射时间一般为40ms。设置多少个发射脉冲矩，就设置多少个发射电压，就要发射多少次，就在发射线圈3中产生多少次大功率交变电流；(是这个意思) 

步骤6：发射停止后，经过40ms死区时间，控制单元2向阵列式接收单元第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元发送同步采集命令，然后再将采集的数据按第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元的序列号上传至计算机1中，完成全部测点的探测； 

步骤7：将全部测点采集的数据通过现有的核磁共振处理软件进行数据处理和反演，绘制出测区二维或三维的地下水分布图像，完成测区地下水探测。 

Claims (5)

1.一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪，其特征在于，计算机(1)通过串口线或网口线经控制单元(2)、发射线圈(3)与接收线圈(4)连接，控制单元(2)经第11接收单元、第12接收单元、第13接收单元和第14接收单元与第15接收单元连接，第1接收单元经第6接收单元、第11接收单元和第16接收单元与第21接收单元连接，第2接收单元经第7接收单元、第12接收单元和第17接收单元与第22接收单元连接，第3接收单元经第8接收单元、第13接收单元和第18接收单元与第23接收单元连接，第4接收单元经第9接收单元、第14接收单元和第19接收单元与第24接收单元连接，第5接收单元经第10接收单元、第15接收单元和第20接收单元与第25接收单元连接构成。

2.按照权利要求1所述的基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪，其特征在于，第1接收单元——第25接收单元均是由通讯接口(5)经同步控制器(6)与继电器(8)连接，感应线圈(7)经继电器(8)、谐振电路(9)、放大电路(10)和采集电路(11)与通讯接口(5)连接构成。

3.按照权利要求1所述的基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪，其特征在于，控制单元(2)是由接收控制器(13)经通讯控制器(12)与发射控制器(14)连接构成。

4.按照权利要求1所述的基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪，其特征在于，发射单元(3)是由配谐电容(15)经发射桥路(16)分别与大功率电源(17)和发射控制(18)连接构成。

5.按照权利要求1所述的基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪野外探测方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

a、在复杂地形地貌、地下条件未知的测区，首先根据地形选择正方形或者长方形铺设发射线圈3，尽量扩大线圈面积以获得更深的探测深度；

b、在过发射线圈(3)中心的直线上等间距铺设第11接收单元-第15接收单元，用来完成二维地下水探测，或在发射线圈3内部和周边铺设阵列式接收单元第1接收单元-第25接收单元，用来完成三维地下水探测；

c、通过磁力仪获得测区地磁场值Bo，Bo*常数0.04258换算成拉莫尔频率，并设置在计算机(1)中，根据拉莫尔频率和发射线圈3的电感特性，计算发射单元中的配谐电容的大小；

d、在计算机1中设置发射脉冲矩，发射脉冲矩是发射电流和发射时间的乘积，发射时间通常固定为40ms，发射电流越大，探测的越深，为实现对地下水由浅到深的分层探测，要从小到大设置多个发射脉冲矩；

e、根据所设置的发射脉冲矩，设置发射电压，在发射线圈3中产生大功率交变电流；设置多少个发射脉冲矩，就设置多少个发射电压，就要发射多少次，就在发射线圈3中产生多少次大功率交变电流；

f、发射停止后，经过40ms死区时间，控制单元(2)向阵列式接收单元第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元发送同步采集命令，然后再将采集的数据按第11接收单元～～第15接收单元或第1接收单元～～第25接收单元的序列号上传至计算机(1)中，完成全部测点的探测；

g、将全部测点采集的数据通过现有的核磁共振处理软件进行数据处理和反演，绘制出测区二维或三维的地下水分布图像，完成测区地下水探测。

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