CN103809206B - 核磁共振与瞬变电磁联用地下水探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
Description
核磁共振与瞬变电磁联用地下水探测装置及探测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地球物理勘探设备及方法，尤其是一种基于空心线圈的核磁共振 与瞬变电磁(MRS-TEM)联用地下水探测装置及探测方法。
背景技术 >
[0002] 核磁共振和瞬变电磁联用仪(MRS-TEM)是一种融合了核磁共振和瞬变电磁技术两 种方法的仪器。通过一套仪器实现两种设备的功能，发挥了两种仪器各自的优点，减少设备 的投入，改善了仪器信噪比的优点。在地下施工中，尤其是隧道、矿井等狭小空心内开展地 下掘进工程中，由于地质条件复杂，由地下水引起的突水、突泥地质灾害时有发生，给施工 安全带来了巨大的灾难和无法估计的经济损失。如何在隧道、矿井等狭小空间内对地下周 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。
[0003] CN1936621公开了一种“核磁共振与瞬变电磁联用仪及其方法”，是将核磁共振与 瞬变电磁组合成一体的核磁共振与瞬变电磁联用仪及其方法。首先将联用仪选择在瞬变电 磁工作模式下，在测线上铺设发射线圈和接收线圈，对测区内每一个测点进行测量，测量完 毕后，对瞬变电磁数据进行初步的处理，找出低电阻率点，并对低电阻率异常测点标定;再 将联用仪切换到核磁共振工作模式下，并以已标定的异常测点为中心铺设发射线圈进行核 磁共振测量工作，以测得数据或图形与瞬变电磁所测得的电阻率异常进行比较，用以判断 瞬变电磁所测得的电阻率异常目的层的真伪。用一套设备实现两种仪器的功能，减少了设 备投资，发挥了两种仪器各自优点，提高了探测效率和精度。
[0004] CN201051151公开了一种核磁共振找水仪，由发射系统、信号接收系统、微机控制 与记录系统三部分组成，DC/DC变换器一端连接电池，另一端连接超强储能器;超强储能器 与大功率交流方波发生器连接，其中间设有开关K1，大功率交流方波发生器还与共振频率 发生器、开关K2、K3连接;开关K2与K3之间串接发射线圈和配谐电容器组;K3、K4分别连接超 低噪声放大器，再连接相关检测放大器，再连接检波器和相位检测器，检波器连接A/D转换 器并连接微机控制与记录系统，相位检测器与共振频率发生器和A/D转换器连接并连接微 机控制与记录系统。本发明有益效果为:仪器工作安全性高、能量利用率高、频率稳定性好、 具有较高的测量精度。
[0005] CN102096111A公开了一种收发天线分离式核磁共振找水装置及找水方法，由计算 机通过串口总线与大功率电源、发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元、信号采集 单元连接，发射及控制单元通过控制总线经H桥路与配谐电容、发射线圈和二极管连接构 成。本发明将发射天线和接收天线分离，使发射系统和接收系统能够相互独立。该发明的优 点是：实现了发射和接收的高低压隔离，提高了系统的可靠性；发射线圈和接收线圈的匝 数、尺寸、线径、铺设方式不再相互制约;通过远端参考能够抵消干扰，提高信噪比。
[0006]上述发明的找水装置均具有较高的测量精度、可靠性较高，但都存在一些不足，测 量一个点时，只能得到很大一个范围内是否有水(例如100m*100m大线圈面积1万平米），导 致测量的横向分辨率低，难以实现水体的精确定位;而且由于线圈尺寸大，在矿井、隧道等 狭小空间现场无法铺设大线圈，对工作环境的适应能力差。
发明内容
[0007] 本发明的目的就是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够在矿井、隧道等 狭小空间条件下应用的空心线圈接收核磁共振和瞬变电磁探测装置，通过采用空心线圈作 为接收装置来提高核磁共振探测的应用范围和横向分辨率，从而在隧道、矿井等狭小空间 条件下实现精确测量的方法。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] 一种核磁共振与瞬变电磁联用地下水探测装置，是由计算机1经输出电压可调的 大功率电源3分别与瞬变电磁发射桥路4和核磁共振发射桥路5连接，瞬变电磁发射桥路4与 发射线圈7连接，核磁共振发射桥路5经配谐电容6与发射线圈7连接，计算机1经发射控制单 元2分别与核磁共振发射桥路5和瞬变电磁发射桥路4连接，发射控制单元2分别与接收单元 8和信号采集单元9连接，计算机1经信号采集单元9与接收单元8连接构成。
[0010] 接收单元8是由空心线圈10经单刀双掷开关一端连接宽频放大电路11，另一端连 接中心频率可调的放大电路12,宽频放大电路11通过单刀双掷开关的一端连接信号采集单 元9,中心频率可调的放大电路12过单刀双掷开关的另一端连接信号采集单元9构成。
[0011] 中心频率可调的放大电路12由空心线圈10经高压继电器13、二极管D1、二极管D2、 可变电容器C1、一级放大器14、宽频滤波器15、二级放大器16、窄带滤波器17和三级放大器 18连接构成。
[0012] 宽频放大电路11是由频率补偿电路19与宽频放大器20连接构成。
[0013] 一种核磁共振与瞬变电磁联用地下水探测方法，包括以下步骤：
[0014] a、将核磁共振和瞬变电磁联用仪选择在瞬变电磁工作模式下，采用中心回线的方 式，铺设发射线圈和空心线圈；
[0015] b、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,改变其输出电压的大 小来改变在发射线圈7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；
[0016] c、发射控制单元2对瞬变电磁发射桥路4进行驱动，发射桥路4被驱动后，利用大功 率电源3的输出电压向发射线圈7施加发射电流，实现对含水体的激发;空心线圈10接收的 信号经高频率补偿电路19进行频率补偿，然后送入宽频放大器20;
[0017] d、放大器电路20对信号进行调理、放大，将处理后的信号送至信号采集单元9,发 射控制单元2控制信号采集单元9的采集开始与结束时间，信号采集单元9将放大器电路20 输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后的数据送至计算机1，进行数据的显示与保 存；
[0018] e、利用瞬变电磁法对测区内每一个点进行测量，测量完毕后，对瞬变电磁数据进 行处理，找出测区内电阻率偏低点，并对电阻率偏低的异常测点标定；
[0019] f、将核磁共振和瞬变电磁联用仪切换到核磁共振模式下，并以己标定的异常测点 为中心进行核磁共振测量工作，来测得数据或图形与瞬变电磁所测得的电阻率异常进行比 较，用以判断瞬变电磁测得的电阻率异常的真伪；
[0020] g、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,改变其输出电压的大小 来改变在发射线圈7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；
[0021] h、发射控制单元2产生40ms频率信号对核磁共振发射桥路5进行驱动，发射桥路5 被驱动后，利用大功率电源3的输出电压向发射线圈7及配谐电容6施加40ms发射电流，实现 对含水体的激发；
[0022] i、在激发时，发射控制单元2控制高压继电器13,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，发射控制单元2控制高压继电器13闭合，空心线圈10 接收产生的信号经高压继电器13送入中心频率可调的放大电路12,放大器电路12将接收信 号进行一级放大14,在通过宽频滤波器15滤波，经过二级器14放大处理，然后信号经过窄带 放大器17,最后进行三级放大18将微弱的核磁共振信号放大至符合信号采集单元9的输入 要求，输入到信号采集电路9,信号采集电路9将放大器电路12输出的模拟信号转换为数字 信号，并送至计算机1中保存下来，完成对核磁共振信号的接收；
[0023] j、将步骤i测得的数据进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率参数;对 采集的数据进行反演解释，得到所测区域内含水体的含水量、渗透率水文地质参数，为可能 发生的突水、突泥地质灾害提供预报依据。
[0024] 有益效果:本发明采用空心线圈的MRS-TCM联合地下水探测装置，最大优点是不受 测试场地的限制，提高了核磁共振探测的横向分辨率。能够在隧道、矿井采掘巷道等狭小 空间的地下工程中得到应用；大大减小了接收装置的尺寸;小尺寸的空心线圈受到空间的 约束更小，有更好的适应能力，从而能够对含水体进行更精确地探测；采用空心线圈，解决 了铺设大线圈耗时、耗费和耗力的问题，提高了工作效率，降低了工作成本。
附图说明
[0025] 图1是MRS-TEM联合地下水探测装置总体结构框图；
[0026]图2是接收单元8的结构框图
[0027] 图3是中心频率可调的放大电路框图
[0028] 图4是宽频放大电路框图
[0029] 图5中心频率可调的放大电路电路图
[0030] 图6 TEM发射桥路电路图
[0031] 图7 MRS发射桥路电路图
[0032] 1计算机，2发射控制单元，3输出电压可调的大功率电源，4瞬变电磁发射桥路，5核 磁共振发射桥路，6配谐电容，7发射线圈，8接收单元，9信号采集单元，1〇空心线圈，11宽频 放大电路，12中心频率可调的放大电路，13高压继电器，14 一级放大器，15宽频滤波器，16二 级放大器，17窄带滤波器，18三级放大器，19频率补偿电路，20宽频放大器。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0034] MRS-TEM联合地下水探测装置，是由计算机1通过串口总线分别与输出电压可调的 大功率电源3、发射控制单元2和信号采集单元9相连，输出电压可调的大功率电源3经瞬变 电磁发射桥路4与发射线圈7的相连，输出电压可调的大功率电源3经经核磁共振发射各 5,经配谐电容6与发射线圈7的相连接，发射控制单元2通过控制总线经瞬变电磁发射桥路4 与发射线圈7的相连，发射控制单元2通过控制总线经核磁共振发射桥路5，经配谐电容6与 发射线圈7的相连接，发射控制单元2通过控制线与接收单元8相连接，发射控制单元2通过 控制线与信号采集单元9相连接，计算机1通过串口总线经信号采集单元9和接收单元8相连 接构成。
[0035] 接收单元8是由空心线圈10经单刀双掷开关一端连接宽频放大电路11，另一端连 接中心频率可调的放大电路12，宽频放大电路11通过单刀双掷开关的一端连接信号采集单 元9,中心频率可调的放大电路12过单刀双掷开关的另一端连接信号采集单元9构成。
[0036] 中心频率可调的放大电路12是由空心线圈10经高压继电器I3、二极管Di、二极管 D2、可变电容器Ci连接，通过二级放大14、宽频滤波器15、二级放大器16、窄带滤波器17、三级 放大18连接构成。
[0037] 宽频放大电路11是频率补偿电路19与宽频放大器20连接构成。
[0038] MRS信号频率在lKHz到3KHz范围，宽带滤波中心频率为2 • 5KHz，_3dB带宽为3KHz。 宽带放大器是固定增益放大器，采用精密低噪声运放构成。可窄带放大器增益为〇〜36dB。 可编程增益放大器的增益在xl到xl6可编程改变。窄带滤波器采用了直接数字频率合成技 术和开关电容滤波技术，滤波器带宽固定，中心频率可编程改变，频率调整范围为lKHz到 3KHz，步长为1Hz。
[0039] 具体工作过程：
[0040] 瞬变电磁工作模式:H桥路输出端直接与发射线圈两端连接产生瞬变电磁信号，接 收线圈将瞬变电磁信号送入宽带放大单元进行信号调理后再送给信号采集单元和接收控 制单元。
[0041] 核磁共振工作模式:H桥路的两个桥臂输出端与配谐电容和发射线圈连接，选频放 大单元通过继电器与发射线圈连接，并将信号送入信号采集单元和接收控制单元，两个二 极管自身反向连接，并与谐振电容连接。
[0042] 基于空心线圈的MRS-TEM联合地下水探测装置，包括以下顺序和步骤：
[0043] a、将核磁共振和瞬变电磁联用仪选择在瞬变电磁工作模式下，采用中心回线的方 式，铺设发射线圈和空心线圈。
[0044] b、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,改变其输出电压的大小 来改变在发射线圈7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；
[0045] c、发射控制单元2对瞬变电磁发射桥路4进行驱动，发射桥路4被驱动后，利用大功 率电源3的输出电压向发射线圈7施加发射电流，实现对含水体的激发;空心线圈10接收的 信号经高频率补偿电路19进行频率补偿，然后送入宽频放大器20;
[0046] d、放大器电路20对信号进行调理、放大，将处理后的信号送至信号采集单元9,发 射控制单元2控制信号采集单元9的采集开始与结束时间，信号采集单元9将放大器电路20 输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后的数据送至计算机1，进行数据的显示与保 存；
[0047] e、利用瞬变电磁法对测区内每一个点进行测量，测量完毕后，对瞬变电磁数据进 行处理，找出测区内电阻率偏低点，并对电阻率偏低的异常测点标定。
[0048] f、将核磁共振和瞬变电磁联用仪切换到核磁共振模式下，并以己标定的异常测点 为中心进行核磁共振测量工作，来测得数据或图形与瞬变电磁所测得的电阻率异常进行比 较，用以判断瞬变电磁测得的电阻率异常的真伪；
[0049] g、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,改变其输出电压的大小 来改变在发射线圈7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；
[0050] h、发射控制单元2产生40ms频率信号对核磁共振发射桥路5进行驱动，发射桥路5 被驱动后，利用大功率电源3的输出电压向发射线圈7及配谐电容6施加40ms发射电流，实现 对含水体的激发；
[0051] i、在激发时，发射控制单元2控制高压继电器13,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，发射控制单元2控制高压继电器13闭合，空心线圈10 接收产生的信号经高压继电器13送入中心频率可调的放大电路12,放大器电路12将接收信 号进行一级放大14,在通过宽频滤波器15滤波，经过二级器14放大处理，然后信号经过窄带 放大器17,最后进行三级放大18将微弱的核磁共振信号放大至符合信号采集单元9的输入 要求，输入到信号采集电路9,信号采集电路9将放大器电路12输出的模拟信号转换为数字 信号，并送至计算机1中保存下来，完成对核磁共振信号的接收。
[^52] j、将步骤i测得的数据进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率参数;对 采集的数据进行反演解释，得到所测区域内含水体的含水量、渗透率水文地质参数，为可能 发生的突水、突泥地质灾害提供预报依据。
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