CN103412341A - 冷线圈核磁共振地下水探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷线圈核磁共振地下水探测装置及探测方法，冷线圈核磁共振地下水探测装置，是由计算机经主控单元、发射机与发射线圈连接，主控单元经接收机与冷线圈探头连接，计算机与接收机连接构成。现有的核磁共振仪器接收线圈与发射线圈重叠放置，存在大电流耦合问题，影响探测深度，本发明采用了冷线圈匹配单元，克服了该问题。冷线圈浸没在液氮低温环境中，极大的降低了线圈内阻，提高线圈Q值，使得冷线圈探头对频率的筛选有了显著的提高，压制了噪声，提高了探头灵敏度，提高了信噪比，能获得质量更优的核磁信号。冷线圈探头的应用极大的减少了核磁共振找水仪的线圈体积，能够灵活地用于矿井和隧道等地下水和地质灾害的探查。

Description

冷线圈核磁共振地下水探测装置及探测方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探设备及方法，尤其是一种基于冷线圈探头的核磁共振地下水探测仪及探测方法。

背景技术：

核磁共振（MRS,Magnetic Resonance Sounding）探测方法是目前唯一的直接探测地下水探测方法，而在隧道、矿井等复杂地下水探测工程中的核磁共振找水技术应用成为了地球物理勘探的一个重要研究方向。[]CN102053280公开了一种“带有参考线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法”，通过多路A/D采集单元同步采集发射/接收线圈中的核磁共振信号以及参考线圈中噪声信号的全波数据，通过计算参考线圈采集的噪声信号与核磁共振信号的最大相关性，实现参考线圈最佳位置和数量的布设，在信号和噪声统计特性未知的情况下，采用变步长自适应算法，最大限度对消发射/接收线圈获得核磁共振信号中的噪声，实现多场源复杂强噪声干扰下核磁共振信号的提取。该方法在地面应用效果显著，但在地下复杂环境中参考线圈的最佳位置和数量不能保障，影响核磁共振信号的提取。

CN102062877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系统控制器、大功率电源、信号采集单元相连，系统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连结构成。

CN102221711公开了一种“核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置及探测方法”，由计算机经主控制单元、发射驱动电路和发射桥路分别与高压电源、配谐电容和发射与接收一体线圈连接，接收多匝线圈两端经第二保护开关、第二信号调理电路与多通道采集电路连接，计算机经主控制单元分别与第一保护开关和第二保护开关连接，第一保护开关经第一信号调理电路和多通道采集电路与第二信号调理电路连接构成。接收一体线圈垂直装在测点左侧，接收多匝线圈垂直装在右侧。以上两种方法，虽然能在复杂地下环境中应用，但有一定局限性，线圈尺寸及铺设受隧道或矿井掌子面大小制约，以及巷道内金属拱架及高压电影响，影响核磁共振信号的提取。

CN102819046公开了一种“双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前放突水探测方法”，将双D型线圈核磁共振仪固定在掘进机的操作台上；以岩层中含水量35%作为可发生突水参数，正演得核磁共振标定信号，将核磁共振信号与标定信号比较，若核磁共振信号小于标定信号，则没有危险存在；若核磁共振信号大于标定信号，则有危险，核磁共振仪发出报警，停止掘进。该方法虽能持续工作在噪声较大环境中，但探测深度为定值。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种冷线圈核磁共振地下水探测装置及探测方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

冷线圈核磁共振地下水探测装置，是由计算机1经主控单元2、发射机3与发射线圈6连接，主控单元2经接收机4与冷线圈探头5连接，计算机1与接收机4连接构成。

主控单元2是由微处理器8分别连接发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11和信号放大调理控制单元12；发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11和信号放大调理控制单元12分别与同步信号接口13连接构成。

发射机3是由同步信号接口13经程控高压电源14和大功率发射桥路16与发射线圈6连接，同步信号接口13经发射桥路驱动15、大功率发射桥路16和发射配谐电容与发射线圈6连接构成。

接收机4是由同步信号接口13经信号采集单元18、信号放大单元19、信号调理单元20和保护单元21与冷线圈探头5连接构成。

冷线圈探头5由外向内依次为外壳22、真空隔层25、液氮仓26和内胆23构成，线圈24和冷线圈匹配单元29置于液氮仓26内，并浸没在液氮中，在液氮仓26的侧壁设有液氮注入孔27，在真空隔层25的侧壁设有抽真空孔28。

一种冷线圈核磁共振地下水探测装置的方法，包括以下步骤：

a、选择测点，铺设发射线圈6，并将其与发射机3连接；

b、铺设冷线圈探头5，注入液氮，并将其与接收机4连接；

c、计算机1通过串口总线与主控单元2和接收机4连接，主控单元2通过同步信号线分别与发射机3和接收机4连接；

d、计算机1通过主控单元2控制发射机3与接收机4工作，由主控单元2控制发射机3产生测点所在地拉莫尔频率交流激发脉冲，对测点进行激发；冷线圈探头5接收测点产生的核磁共振信号，经接收机4调理放大，经信号采集单元18进行模数转换，信号采集单元18将采集的数据经通讯接口7发送至计算机1；

e、计算机1发送工作开始指令，经主控单元2识别，电源控制单元10对发射机3进行充电后由发射控制单元9对发射机3进行放电发射；

f、发射进行时，程控高压电源14向大功率发射桥路16供电，经发射配谐电容17与发射线圈6形成发射电流，对测点激发；

g、由信号放大调理控制单元12对接收机4进行参数配置后由采集控制单元11对接收机4进行采集；

h、冷线圈探头5根据冷线圈匹配单元28的设置，捕捉纳伏级信号，并将信号传入接收机4；

i、信号调理单元20对信号进行滤波处理，获得当地拉莫尔频率信号，并将信号传入信号放大单元19，信号放大单元19对信号进行放大处理，使纳伏级信号放大至可采集程度，并将信号传入信号采集单元18，信号采集单元18对信号进行模数转换，并将数据传至计算机1；

j、计算机1将获得的核磁共振信号分析提取参数，并经反演后绘制出测点地下水分布图像。

有益效果：本发明与地面MRS仪器相比，不需多个接收线圈，仅用一个冷线圈探头，冷线圈探头尺寸远小于现有的地面MRS核磁共振仪器线圈，具有全封闭绝缘外壳，不容易被湿潮环境腐蚀。现有的核磁共振仪器接收线圈与发射线圈重叠放置，存在大电流耦合问题，影响探测深度，本发明采用了冷线圈匹配单元，克服了该问题。冷线圈浸没在液氮低温环境中，极大的降低了线圈内阻，提高线圈Q值，冷线圈匹配单元也浸没在液氮中，使得冷线圈探头对频率的筛选有了显著的提高，压制了噪声，提高了探头灵敏度，提高了信噪比，能获得质量更优的核磁信号。冷线圈探头的应用极大的减少了核磁共振找水仪的线圈体积，应用方便，能够灵活地用于矿井和隧道等地下水和地质灾害的探查。

附图说明：

图1为冷线圈核磁共振地下水探测装置结构框图

图2为附图1中主控单元2的结构框图

图3为附图1中发射机3的结构框图

图4为附图1中接收机4的结构框图

图5为附图1中冷线圈探头5的剖视图

图6为附图1中冷线圈探头5的结构图

1计算机，2控制单元，3发射机，4接收机，5冷线圈探头，6发射线圈，7RS485通讯接口，8微处理器，9发射控制单元，10电源控制单元，11采集控制单元，12信号放大调理控制单元，13同步信号接口，14程控高压电源，15发射桥路驱动，16大功率发射桥路，17发射配谐电容，18信号采集单元，19信号放大单元，20信号调理单元，21保护单元，22外壳，23内胆，24线圈，25真空隔层，26液氮仓，27液氮注入口，28真空间抽气口，29冷线圈匹配单元。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：

冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，是由计算机1经主控单元2、发射机3与发射线圈6连接，主控单元2经接收机4与冷线圈探头5连接，计算机1与接收机4连接构成。

2、按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，主控单元2是由微处理器8分别连接发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11和信号放大调理控制单元12；发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11和信号放大调理控制单元12分别与同步信号接口13连接构成。

3、按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，发射机3是由同步信号接口13经程控高压电源14和大功率发射桥路16与发射线圈6连接，同步信号接口13经发射桥路驱动15、大功率发射桥路16和发射配谐电容与发射线圈6连接构成。

4、按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，接收机4是由同步信号接口13经信号采集单元18、信号放大单元19、信号调理单元20和保护单元21与冷线圈探头5连接构成。

5、按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，冷线圈探头5由外向内依次为外壳22、真空隔层25、液氮仓26和内胆23构成，线圈24和冷线圈匹配单元29置于液氮仓26内，并浸没在液氮中，在液氮仓26的侧壁设有液氮注入孔27，在真空隔层25的侧壁设有抽真空孔28。

6、一种冷线圈核磁共振地下水探测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选择测点，铺设发射线圈6，并将其与发射机3连接；

b、铺设冷线圈探头5，注入液氮，并将其与接收机4连接；

c、计算机1通过串口总线与主控单元2和接收机4连接，主控单元2通过同步信号线分别与发射机3和接收机4连接；

d、计算机1通过主控单元2控制发射机3与接收机4工作，由主控单元2控制发射机3产生测点所在地拉莫尔频率交流激发脉冲，对测点进行激发；冷线圈探头5接收测点产生的核磁共振信号，经接收机4调理放大，经信号采集单元18进行模数转换，信号采集单元18将采集的数据经通讯接口7发送至计算机1；

e、计算机1发送工作开始指令，经主控单元2识别，电源控制单元10对发射机3进行充电后由发射控制单元9对发射机3进行放电发射；

f、发射进行时，程控高压电源14向大功率发射桥路16供电，经发射配谐电容17与发射线圈6形成发射电流，对测点激发；

g、由信号放大调理控制单元12对接收机4进行参数配置后由采集控制单元11对接收机4进行采集；

h、冷线圈探头5根据冷线圈匹配单元28的设置，捕捉纳伏级信号，并将信号传入接收机4；

i、信号调理单元20对信号进行滤波处理，获得当地拉莫尔频率信号，并将信号传入信号放大单元19，信号放大单元19对信号进行放大处理，使纳伏级信号放大至可采集程度，并将信号传入信号采集单元18，信号采集单元18对信号进行模数转换，并将数据传至计算机1；

j、计算机1将获得的核磁共振信号分析提取参数，经反演后绘制出测点地下水分布图像。

冷线圈探头5的外壳22与内胆23及线圈支架由FRP材料制成，内胆23为中空，冷线圈匹配单元29与线圈连接，冷线圈匹配单元29和线圈及支架24都置于液氮仓26中，并用液氮浸没，外壳22与液氮仓26之间设有真空隔层25，使用时，通过液氮注入口27向液氮仓26注入液氮，浸没线圈及支架24和冷线圈匹配单元29，盖上液氮仓盖，线圈24经冷线圈匹配单元29经保护单元21、信号调理单元20、信号放大单元19、信号采集单元18和RS485通讯接口7与计算机1连接。

主控单元2是由计算机1通过RS485通讯接口7与微处理器8连接，微处理器8分别与发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11和信号放大调理控制单元12连接，发射控制单元9、电源控制单元10采集控制单元11、信号放大调理控制单元12与同步信号接口13连接。

发射机3由主控单元2通过同步信号接口13分别与程控高压电源14和发射桥路驱动15与大功率发射桥路16连接，大功率发射桥路16的一路与发射线圈6连接，大功率发射桥路16的另一路经发射配谐电容17与发射线圈6连接。

接收机4由计算机1通过RS485通讯接口7与信号采集单元18连接，主控单元2通过同步信号接口13与信号采集单元18、信号放大单元19、信号调理单元20、保护单元21和冷线圈匹配单元29与线圈及支架24连接。

冷线圈核磁共振地下水探测装置按以下步骤工作：

计算机1发送指令，指令包含两种，一种为参数设置指令，另一种为工作开始指令。计算机1发送参数设置指令，由微处理器8接收，微处理器8响应计算机1指令，分别更新发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11、信号放大调理控制单元12参数设置。

计算机1发送工作开始指令，由微处理器8接收，微处理器8响应计算机1指令，分别控制发射控制单元9、电源控制单元10、采集控制单元11、信号放大调理控制单元12产生时序信号。

主控单元2开始工作后，电源控制单元10通过同步信号接口13控制程控高压电源14充电，当充电电压值满足设定的参数时，程控高压电源14停止充电，发射控制单元9通过同步信号接口13控制发射桥路驱动15发射，发射频率为当地拉莫尔频率，发射时间为默认值40ms。发射后，采集控制单元11通过同步信号接口13控制信号采集单元18采集核磁共振信号。

发射机3接收主控单元2充电信号后，程控高压电源14开始充电，充电后接收主控单元2发射信号后，发射桥路驱动15驱动大功率发射桥路16向发射配谐电容17与发射线圈6输出高压交变电流，实现对待测水体的激发。

接收机4接收主控单元2采集信号后，信号采集单元18开始采集，经冷线圈探头5输出采集信号，经保护单元21进入信号调理单元20，对采集信号进行选频滤波，后进入信号放大单元19，将已调理的采集信号放大，最后由信号采集单元18模数转换，经RS485通讯接口上传至计算机1，完成对核磁共振信号的接收。

冷线圈探头5使用时注入液氮，根据冷线圈匹配单元25有选择的采取甚微小核磁共振信号，低至亚纳伏级。

计算机1分析接收机4上传的采集信号进行数据处理和反演解释，绘制出测点的地下水分布图像。

冷线圈核磁共振地下水探测装置探测方法，按以下步骤工作：

a、在测区内选择测点，铺设发射线圈6，并将其与发射机3连接；

b、铺设冷线圈探头5，注入液氮，并将其与接收机4连接；

c、计算机1通过串口总线与主控单元2接收机4连接，主控单元2通过同步信号线分别与发射机3和接收机4连接；

d、计算机1通过主控单元2控制发射机3与接收机4工作，由主控单元2控制发射机3产生测点所在地拉莫尔频率交流激发脉冲，对测点进行激发；在经冷线圈探头5接收待测水体产生的核磁共振信号，经接收机4调理放大，将采集数据发送至计算机1；

e、计算机1发送工作开始指令，经主控单元2识别，由电源控制单元10对发射机3进行充电后由发射控制单元9对发射机3进行放电发射；发射进行时，程控高压电源14向大功率发射桥路16供电，经发射配谐电容17与发射线圈6形成发射电流，对测点激发。

f、由信号放大调理控制单元12对接收机4进行参数配置后由采集控制单

元11对接收机4进行采集；采集进行时，冷线圈探头5根据冷线圈匹配单元25设置，捕捉亚纳伏级信号，并将信号传入接收机4；信号调理单元20对信号进行滤波处理，获得当地拉莫尔频率信号，并将信号传入信号放大单元19，信号放大单元19对信号进行放大处理，使纳伏级信号放大至可采集程度，并将信号传入信号采集单元18，信号采集单元18对信号进行模数转换，并将数据传至计算机1。

g、计算机1将获得的核磁共振信号分析提取参数，并经反演后绘制出测点地下水分布图像。

Claims (6)

1.一种冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，是由计算机(1)经主控单元(2)、发射机(3)与发射线圈(6)连接，主控单元(2)经接收机(4)与冷线圈探头(5)连接，计算机(1)与接收机(4)连接构成。

2.按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，主控单元(2)是由微处理器(8)分别连接发射控制单元(9)、电源控制单元(10)、采集控制单元(11)和信号放大调理控制单元(12)；发射控制单元(9)、电源控制单元(10)、采集控制单元(11)和信号放大调理控制单元(12)分别与同步信号接口(13)连接构成。

3.按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，发射机(3)是由同步信号接口(13)经程控高压电源(14)和大功率发射桥路(16)与发射线圈(6)连接，同步信号接口(13)经发射桥路驱动(15)、大功率发射桥路(16)和发射配谐电容与发射线圈(6)连接构成。

4.按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，接收机(4)是由同步信号接口(13)经信号采集单元(18)、信号放大单元(19)、信号调理单元(20)和保护单元(21)与冷线圈探头(5)连接构成。

5.按照权利要求1所述的冷线圈核磁共振地下水探测装置，其特征在于，冷线圈探头(5)由外向内依次为外壳(22)、真空隔层(25)、液氮仓(26)和内胆(23)构成，线圈(24)和冷线圈匹配单元(29)置于液氮仓(26)内，并浸没在液氮中，在液氮仓(26)的侧壁设有液氮注入孔(27)，在真空隔层(25)的侧壁设有抽真空孔(28)。

6.一种冷线圈核磁共振地下水探测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选择测点，铺设发射线圈(6)，并将其与发射机(3)连接；

b、铺设冷线圈探头(5)，注入液氮，并将其与接收机(4)连接；

c、计算机(1)通过串口总线与主控单元(2)和接收机(4)连接，主控单元(2)通过同步信号线分别与发射机(3)和接收机(4)连接；

d、计算机(1)通过主控单元(2)控制发射机(3)与接收机(4)工作，由主控单元(2)控制发射机(3)产生测点所在地拉莫尔频率交流激发脉冲，对测点进行激发；冷线圈探头(5)接收测点产生的核磁共振信号，经接收机(4)调理放大，经信号采集单元(18)进行模数转换，信号采集单元(18)将采集的数据经通讯接口(7)发送至计算机(1)；

e、计算机(1)发送工作开始指令，经主控单元(2)识别，电源控制单元(10)对发射机(3)进行充电后由发射控制单元(9)对发射机(3)进行放电发射；

f、发射进行时，程控高压电源(14)向大功率发射桥路(16)供电，经发射配谐电容(17)与发射线圈(6)形成发射电流，对测点激发；

g、由信号放大调理控制单元(12)对接收机(4)进行参数配置后由采集控制单元(11)对接收机(4)进行采集；

h、冷线圈探头(5)根据冷线圈匹配单元(28)的设置，捕捉纳伏级信号，并将信号传入接收机(4)；

i、信号调理单元(20)对信号进行滤波处理，获得当地拉莫尔频率信号，并将信号传入信号放大单元(19)，信号放大单元(19)对信号进行放大处理，使纳伏级信号放大至可采集程度，并将信号传入信号采集单元(18)，信号采集单元(18)对信号进行模数转换，并将数据传至计算机(1)；

j、计算机(1)将获得的核磁共振信号分析提取参数，并经反演后绘制出测点地下水分布图像。

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