CN104280780A - 核磁共振与瞬变电磁联用仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振与瞬变电磁联用仪及工作方法，是由计算机经信号采集卡和信号调理电路与SQUID传感器连接，计算机经MCU、CPLD信号产生模块和电源模块与24V电瓶连接，电源模块经发射回路和光耦与信号调理电路连接，CPLD信号产生模块经发射回路和发射线圈与能量快速消耗电路连接，MCU分别与E2PROM、光耦和信号调理电路连接构成。首先选择瞬变电磁探测模式用SQUID传感器接收瞬变电磁信号，得到测点视电阻率分布；再切换到核磁共振探测模式用SQUID传感器接收核磁共振信号，得到测点地下含水分布。用一套设备完成视电阻率和地下水分布的探测，发挥了两种仪器的优点，采用SQUID传感器提高探测精度，有效地提高接收信号的信噪比，同时解决了野外接收线圈携带不方便的难题。

Description

核磁共振与瞬变电磁联用仪及工作方法

技术领域：

本发明公开一种地球物理勘探设备及方法，特别是基于SQUID低温超导磁敏传感器的核磁共振与瞬变电磁联合探测装置及工作方法。

背景技术：

针对探测区地下水分布的勘探，核磁共振法是目前最直接的探测方式，通过发射频率为拉莫尔频率的交变电流脉冲，激发地下水中的氢核形成宏观磁矩，切断激发电流脉冲后，接收由激发脉冲矩激发产生的核磁信号，探测得到地下富水体位置及含水量；而瞬变电磁法通过发射双极性脉冲波，在一次场间歇期间接收地下良导体产生的二次场信号，反演得到地下视电阻率分布情况，虽然不是直接探测地下含水分布，但是可以从视电阻率变化推测富水体大致位置，而且探测深度远大于核磁共振法，更适合深层勘探。

采用核磁共振与瞬变电磁联用的探测方法，可以结合核磁共振法探测精确及瞬变电磁法探测范围深的优点，能实现对地下更深层测区的勘探。探测时，首先用瞬变电磁模式对测区进行第一次探测，得到测区地下视电阻率分布情况，再根据分析反演结果找出视电阻率异常区域，对视电阻率异常的测点采用核磁共振模式进行第二次探测，反演得到测区地下含水分布。由于每个测点都需要采用瞬变电磁与核磁共振两种模式探测，为了提高探测效率，联用仪采用大定源回线方式，铺设发射回线覆盖测区。

CN1936621A公开的“核磁共振与瞬变电磁联用仪及其方法”，先选择瞬变电磁模式勘测所有测点，反演后分析找出视电阻率异常区域，再选择核磁共振模式对这些测点进行第二次勘测。然而该仪器没有用能量快速消耗电路及软件计算补偿法减少瞬变电磁模式的关断时间，采集到的早期瞬变信号不准确，影响视电阻率判断。第一次勘测时，使用接收线圈对所有测点探测后，还需要对异常测点进行第二次探测，重复移动接收线圈，野外工程量较大。

CN103018781A公开的“2D/3D核磁共振与瞬变电磁联用仪及野外工作方法”，该仪器有二维和三维两种探测模式，二维探测模式使用8个接收机，三维探测模式使用64个接收机，对测点分别进行二维和三维的核磁共振方法探测与瞬变电磁方法探测。虽然有效提高了探测的横向分辨率和地下水成图的准确性，但是接收线圈过多，铺设复杂且携带不方便，野外工程量较大。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于SQUID低温超导磁敏传感器的核磁共振与瞬变电磁联用仪。

本发明的另一目的是提供一种基于SQUID低温超导磁敏传感器的核磁共振与瞬变电磁联合探测的工作方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

核磁共振与瞬变电磁联用仪，是由计算机1经信号采集卡4和信号调理电路9与SQUID传感器13连接，计算机1经MCU3、CPLD信号产生模块2和电源模块6与24V电瓶10连接，电源模块6经发射回路7和光耦8与信号调理电路9连接，CPLD信号产生模块2经发射回路7和发射线圈11与能量快速消耗电路12连接，MCU3分别与E²PROM5、光耦8和信号调理电路9连接构成。

所述的发射回路7是由切换开关14经瞬变电磁桥路驱动15和第一COMS桥路16与双向二极管17连接，切换开关14经核磁共振驱动18、第二COMS桥路19、配谐电容20和储能发射模块21与双向二极管17连接构成。

所述的信号调理电路9是由高压继电器22经二极管保护电路23、联用仪前置放大器24、带通滤波器27和TEM放大器26与程控增益放大器25连接构成。

核磁共振与瞬变电磁联用仪的工作方法，包括以下步骤：

a、将联用仪放置在探测区域，把正方形单匝回线发射线圈11覆盖铺置在探测区域平行面上，把SQUID传感器13放置在测点位置；

b、将发射线圈11连接到发射机，将SQUID传感器13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连，运行计算机1内预置的现有联合反演软件对仪器各部分进行检测，确保各部分都正常；

c、在计算机1设置面板中选择瞬变电磁模式，对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，设置放大器参数为10倍；

d、计算机1向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生瞬变电磁发射信号后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供瞬变电磁模式发射电压，设置电压为24V；

e、SQUID传感器13接收到瞬变电磁感应二次场后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4后经计算机1传给MCU3；

f、计算机1计算测点地下视电阻率，绘制该测点地下视电阻率随深度的变化曲线，并标出视电阻率异常区域；

g、在计算机1设置面板中选择核磁共振模式，对接收系统的信号调理电路9重新配置放大器参数，设置放大参数为10000倍；

h、再向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生核磁共振发射信号后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供核磁共振模式发射电压，电压设置为200V；

i、SQUID传感器13接收到由激发脉冲矩激发产生的核磁信号后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和MCU3；

j、计算机1反演计算测点地下含水量，绘制该测点地下含水量随深度的变化曲线，保存含水量数据；

k、对下一个测点重复上述c—j步骤，完成所有测点的探测后，建立三维视电阻率模型和三维含水量模型，两个模型对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率和含水量的二维图及三维图，得到测区视电阻率和含水量分布。

有益效果：本发明采用精度更高的SQUID低温超导磁敏传感器代替接收线圈采集信号，在临界温度以下时为超导状态，电阻值为零，灵敏度极高，测量范围广，能探测到极微弱的地电信号，用SQUID低温超导磁敏传感器作接收装置，可以采集到更精确的磁场信号，有效地提高接收信号的信噪比，同时解决了野外实验接收线圈携带不方便的难题。探测方式采用大定源回线方式，铺设发射回线覆盖测区，节省探测时间，提高了探测效率。通过能量快速消耗电路和补偿法减少瞬变电磁模式的关断时间，有效的提高SQUID传感器所采集到的早期瞬变电磁信号的精确度，采用光耦隔离发射电路和接收电路，能够实现快速准确探测地下视电阻率和地下水分布情况的为更准确的进行TEM数据反演解释提供保障。用一套设备完成地下视电阻率和地下水分布的探测，发挥了两种仪器的优点，为核磁共振和瞬变电磁联合探测提供了新的手段和方法，同时也为地球物理勘探仪器小型化、便携化设计提供了新思路。

附图说明：

图1为核磁共振与瞬变电磁联用仪结构框图；

图2为发射回路7结构框图；

图3为信号调理电路9结构框图；

图4为三维视电阻率模型示意图；

图5为三维含水量模型示意图；

图6为三维联合反演模型示意图；

图7为二维视电阻率断面图

图8为二维含水量断面图

1计算机，2CPLD信号产生模块，3MCU，4信号采集卡，5E²PROM，6电源模块，7发射回路，8光耦，9信号调理电路，1024V电瓶，11发射线圈，12能量快速消耗电路，13SQUID传感器，14切换开关，15瞬变电磁桥路驱动，16第一COMS桥路，17双向二极管，18核磁共振桥路驱动，19第二COMS桥路，20配谐电容，21储能发射模块，22高压继电器，23二极管保护电路，24联用仪前置放大器，25程控增益放大器，26联用仪放大器，27带通滤波器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

如图1所示，计算机1通过USB转485线与MCU3连接，计算机1与信号采集卡4通过网线连接，MCU3与信号采集卡4通过同步信号线连接，信号采集卡4通过信号传输线与信号调理电路9连接，信号调理电路9与SQUID传感器13连接，信号调理电路9与MCU3连接配置放大器参数，MCU3与CPLD信号产生模块2连接，CPLD信号产生模块2与电源模块6连接，CPLD信号产生模块2与发射回路7连接，发射回路7与发射线圈11连接，发射线圈11与能量快速消耗电路12连接，24V电池10与电源模块6连接。

MCU3根据计算机1的命令将发射信号的参数传给CPLD信号产生模块2、控制信号采集卡4采集信号、设置信号调理电路9的放大倍数、控制光耦8以及将数据传给E²PROM5；发射回路7将CPLD信号产生模块2产生的发射信号驱动后由发射线圈11发射，通过电源模块6调节发射电压，确保两种模式信号发射的正常进行；能量快速消耗电路12使得线圈内部的残余电流快速消耗，确保早期信号的采集；SQUID传感器13用于采集信号；信号调理电路9把SQUID传感器13接收到的信号进行放大整形滤波后传递给信号采集卡4；信号采集卡4接收来自信号调理电路9的信号，对信号进行采集预处理后传输给计算机1并显示；CPLD信号产生模块2根据MCU3的指令和计算机1设置的参数确定发射模式、发射时间、控制发射电压以及产生发射信号；E²PROM5用来存储数据，以便将来调用；光耦8用来隔离发射电路和接收电路，以免干扰。

如图2所示，发射回路7包括切换开关14、瞬变电磁桥路驱动15、CMOS桥路16、双向二极管17、核磁共振桥路驱动18、CMOS桥路19、配谐电容20和储能发射模块21。CPLD信号产生模块2连接切换开关14，切换开关14连接瞬变电磁桥路驱动15和核磁共振桥路驱动18，瞬变电磁桥路驱动15连接CMOS桥路16，CMOS桥路16连接双向二极管17，核磁共振桥路驱动18连接CMOS桥路19，CMOS桥路19连接配谐电容20，配谐电容20连接储能发射模块21，储能发射模块21连接双向二极管17，双向二极管17连接发射线圈11，发射线圈11另一端与能量快速消耗电路12连接。

如图3所示，信号调理电路9包括高压继电器22、二极管保护电路23、联用仪前置放大器24、带通滤波器27、联用仪放大器26、程控增益放大器25。SQUID传感器13连接高压继电器22，高压继电器22连接二极管保护电路23，二极管保护电路23连接联用仪前置放大器24，联用仪前置放大器24连接带通滤波器27，带通滤波器27连接联用仪放大器26，联用仪放大器26连接程控增益放大器25，程控增益放大器25连接信号采集卡4。

核磁共振与瞬变电磁联用仪的工作方法，包括以下步骤：

a、将联用仪放置在待测区域，把正方形单匝回线发射线圈11覆盖铺置在待测区域平行面上，把SQUID传感器13放置在测点位置；

b、将发射线圈11连接到发射机，将SQUID传感器13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连，运行已有的计算机1联合反演软件对仪器各部分进行检测，确保各部分都正常；

c、计算机1联合反演软件的设置面板中选择瞬变电磁模式，对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，设置为放大10倍；

d、向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生瞬变电磁发射信号，之后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供瞬变电磁模式发射电压，电压设置为24V；

e、SQUID传感器13接收到瞬变电磁感应二次场后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4后经计算机1传给MCU3；

f、计算机1计算测点地下视电阻率，绘制该测点地下视电阻率随深度的变化曲线，并标出视电阻率异常区域；

g、计算机1联合反演软件的设置面板中选择核磁共振模式，对接收系统的信号调理电路9重新配置放大器参数，设置为放大10000倍；

h、再向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生核磁共振发射信号，之后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供核磁共振模式发射电压，电压设置为200V；

i、SQUID传感器13接收到由激发脉冲矩激发产生的核磁信号后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和MCU3；

j、计算机1反演计算测点地下含水量，绘制该测点地下含水量随深度的变化曲线，保存含水量数据；

k、对下一个测点重复上述c—j步骤，完成所有测点的探测后，建立三维视电阻率模型和三维含水量模型，两个模型对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率和含水量的二维图及三维图，得到测区视电阻率和含水量分布。

实施例1

计算机1通过USB转485线与MCU3连接，计算机1与信号采集卡4通过网线连接，MCU3与信号采集卡4通过同步信号线连接，信号采集卡4通过信号传输线与信号调理电路9连接，信号调理电路9与SQUID传感器13连接，信号调理电路9与MCU3连接配置放大器参数，MCU3与CPLD信号产生模块2连接，CPLD信号产生模块2与电源模块6连接，CPLD信号产生模块2与发射回路7连接，发射回路7与发射线圈11连接，发射线圈11与能量快速消耗电路12连接，24V电池10与电源模块6连接。

发射回路7包括切换开关14、瞬变电磁桥路驱动15、CMOS桥路16、双向二极管17、核磁共振桥路驱动18、CMOS桥路19、配谐电容20和储能发射模块21。CPLD信号产生模块2连接切换开关14，切换开关14连接瞬变电磁桥路驱动15和核磁共振桥路驱动18，瞬变电磁桥路驱动15连接CMOS桥路16，CMOS桥路16连接双向二极管17，核磁共振桥路驱动18连接CMOS桥路19，CMOS桥路19连接配谐电容20，配谐电容20连接储能发射模块21，储能发射模块21连接双向二极管17，双向二极管17连接发射线圈11，发射线圈11另一端与能量快速消耗电路12连接。

信号调理电路9包括高压继电器22、二极管保护电路23、联用仪前置放大器24、带通滤波器27、联用仪放大器26、程控增益放大器25。SQUID传感器13连接高压继电器22，高压继电器22连接二极管保护电路23，二极管保护电路23连接联用仪前置放大器24，联用仪前置放大器24连接带通滤波器27，带通滤波器27连接联用仪放大器26，联用仪放大器26连接程控增益放大器25，程控增益放大器25连接信号采集卡4。

核磁共振与瞬变电磁联用仪的工作方法，包括以下步骤：

a、将联用仪放置在待测区域，把正方形单匝回线发射线圈11覆盖铺置在待测区域平行面上，把SQUID传感器13放置在测点位置；

b、将发射线圈11连接到发射机，将SQUID传感器13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连，运行计算机1内预置的现有联合反演软件对仪器各部分进行检测，确保各部分都正常；

c、在计算机1设置面板中选择瞬变电磁模式，对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，设置放大器参数为10倍；

d、计算机1向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生瞬变电磁发射信号后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供瞬变电磁模式发射电压，设置电压为24V；

e、SQUID传感器13接收到瞬变电磁感应二次场后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4后经计算机1传给MCU3；

f、计算机1计算测点地下视电阻率，大定源回线方式核函数为

$\begin{array}{c}F\left(u\right)=\frac{l^2}{u^2}[F(y_1,x_1)-F(y_1,x_2)+F(x_2,y_2)-F(x_2,y_1)+F(y_2,x_2)-F(y_2,x_1)\\ +F(x_1,y_1)-F(x_1,y_2)]=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\·2\mathrm{\π}\·{4t}_i}{I\·A_R\·{\mathrm{\μ}}_0}\end{array}---\left(1\right)$

$F(x,y)=\frac{{4u}_y\exp (-{u_{\mathrm{\ρ}}}^2)}{\sqrt{\mathrm{\π}}{x}^3}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2^n}{(2n+3)!!}\·[2({u_{\mathrm{\ρ}}}^2+{u_x}^2){u_{\mathrm{\ρ}}}^{2n}-{{2u}_y}^{2+2n}-(2n+3){u_x}^2{u_y}^{2n}]---\left(2\right)$

核函数的解与视电阻率的关系为 $\mathrm{\ρ}\left(t_i\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{l}^2}{{4t}_i{u}^2}---\left(3\right)$

时深转换公式为 $D=\sqrt{\frac{2t}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

其中 $u_x=\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}{\mathrm{\μ}}_0{x}^2}{4t}},u_y=\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}{\mathrm{\μ}}_0{y}^2}{4t}},u_{\mathrm{\ρ}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ρ}}^2}{4t}},l=\sqrt{\frac{L_x{L}_y}{\mathrm{\π}}},$ μ₀＝4π×10^-7，I为发射电流，A_R为接收线圈面积，ε为感应电动势，，ρ为全空间视电阻率，(x,y)是传感器坐标，L_x和L_y分别是发射线圈的边长，D为深度。

之后绘制该测点地下视电阻率随深度的变化曲线，并标出视电阻率异常区域；

g、在计算机1设置面板中选择核磁共振模式，对接收系统的信号调理电路9重新配置放大器参数，设置放大参数为10000倍；

h、再向CPLD信号产生模块2发出指令，控制产生核磁共振发射信号后传给发射回路7，CPLD信号产生模块2控制电源模块6对发射回路7提供核磁共振模式发射电压，电压设置为200V；

i、SQUID传感器13接收到由激发脉冲矩激发产生的核磁信号后，由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和MCU3；

j、计算机1反演计算测点地下含水量，

接收信号的感应电动势为 $v(q,t)=\∫K_{3D}(q,r)\·w\left(r\right)e^{-t/{T_2}^{*}\left(r\right)}{d}^{3}r---\left(5\right)$

核函数表达式为 $\begin{array}{c}{K}_{3D}(q,r)=-{\mathrm{\ω}}_L{M}_0\sin \left[{\mathrm{\γ}}_p\frac{q}{I_0}\right|{B_T}^{+}(\mathrm{\ρ}\left(z\right),z)\left|\right]\×\frac{2}{I_0}\left|{B_R}^{-}(\mathrm{\ρ}\left(z\right),z)\right|\·e^{i({\mathrm{\ζ}}_T+{\mathrm{\ζ}}_R)}\\ \×(b_R\·b_T+{\mathrm{ib}}_0\·b_R\×b_T)\end{array}$

(6)

之后绘制该测点地下含水量随深度的变化曲线，保存含水量数据；

k.对下一个测点重复上述c—j步骤，完成所有测点的探测后，建立三维视电阻率模型和三维含水量模型，如图4和图5所示，两个模型对比修正，得到三维联合反演模型，如图6所示。在上位机界面中绘制视电阻率和含水量的二维图，如图7和图8所示，得到测区视电阻率和含水量分布。

Claims (4)

1.一种核磁共振与瞬变电磁联用仪，其特征在于，是由计算机1经信号采集卡4和信号调理电路(9)与SQUID传感器(13)连接，计算机(1)经MCU(3)、CPLD信号产生模块(2)和电源模块(6)与24V电瓶(10)连接，电源模块(6)经发射回路(7)和光耦(8)与信号调理电路(9)连接，CPLD信号产生模块(2)经发射回路(7)和发射线圈(11)与能量快速消耗电路(12)连接，MCU(3)分别与E2PROM(5)、光耦(8)和信号调理电路(9)连接构成。

2.按照权利要求1所述的核磁共振与瞬变电磁联用仪，其特征在于，所述的发射回路(7)是由切换开关(14)经瞬变电磁桥路驱动(15)和第一COMS桥路(16)与双向二极管(17)连接，切换开关(14)经核磁共振驱动(18)、第二COMS桥路(19)、配谐电容(20)和储能发射模块(21)与双向二极管(17)连接构成。

3.按照权利要求1所述的核磁共振与瞬变电磁联用仪，其特征在于，所述的信号调理电路(9)是由高压继电器(22)经二极管保护电路(23)、联用仪前置放大器(24)、带通滤波器(27)和TEM放大器(26)与程控增益放大器(25)连接构成。

4.一种核磁共振与瞬变电磁联用仪的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将联用仪放置在探测区域，把正方形单匝回线发射线圈(11)覆盖铺置在探测区域平行面上，把SQUID传感器(13)放置在测点位置；

b、将发射线圈(11)连接到发射机，将SQUID传感器(13)连接到接收机，接收机再通过网线与计算机(1)相连，MCU(3)通过串口转USB口线与计算机(1)相连，运行计算机(1)内预置的现有联合反演软件对仪器各部分进行检测，确保各部分都正常；

c、在计算机(1)设置面板中选择瞬变电磁模式，对接收系统的信号调理电路(9)配置放大器参数，设置放大器参数为10倍；

d、计算机(1)向CPLD信号产生模块(2)发出指令，控制产生瞬变电磁发射信号后传给发射回路(7)，CPLD信号产生模块(2)控制电源模块(6)对发射回路(7)提供瞬变电磁模式发射电压，设置电压为24V；

e、SQUID传感器(13)接收到瞬变电磁感应二次场后，由信号调理电路(9)预处理后传给信号采集卡(4)后经计算机(1)传给MCU(3)；

f、计算机(1)计算测点地下视电阻率，绘制该测点地下视电阻率随深度的变化曲线，并标出视电阻率异常区域；

g、在计算机(1)设置面板中选择核磁共振模式，对接收系统的信号调理电路(9)重新配置放大器参数，设置放大参数为10000倍；

h、再向CPLD信号产生模块(2)发出指令，控制产生核磁共振发射信号后传给发射回路(7)，CPLD信号产生模块(2)控制电源模块(6)对发射回路(7)提供核磁共振模式发射电压，电压设置为200V；

i、SQUID传感器(13)接收到由激发脉冲矩激发产生的核磁信号后，由信号调理电路(9)预处理后传给信号采集卡(4)，再传给计算机(1)和MCU(3)；

j、计算机(1)反演计算测点地下含水量，绘制该测点地下含水量随深度的变化曲线，保存含水量数据；

k、对下一个测点重复上述c—j步骤，完成所有测点的探测后，建立三维视电阻率模型和三维含水量模型，两个模型对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率和含水量的二维图及三维图，得到测区视电阻率和含水量分布。