CN106908847A - 一种地空核磁共振地下水探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为地空核磁共振地下水探测系统及探测方法。包括两个接地电极，接地电极通过发射导线连接发射机，发射机通过地面主控系统控制，发射机通过改变接地电极的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，用搭载在飞行器上的接收线圈采集宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，地面主控系统经通讯模块远程控制激发电流的发射与停止，地面主控系统经通讯模块远程控制与接收线圈连接的接收机在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号，采集到的核磁共振信号将通过通讯模块传至上位机。本发明结合地面发射探测深度大、分辨率高和空中接收探测范围广、探测速度快的优点，扩展了地下水资源的勘探范围。

Description

一种地空核磁共振地下水探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及寻找地下水探测系统，尤其是一种适用于地形复杂区域探测的地空核磁共振地下水探测系统及探测方法。

背景技术

我国水资源的利用率及人均用水量均低于世界平均水平，水资源短缺严重影响着社会经济的可持续发展。寻找和评价地下水的方法有很多，但均依赖于探测含水构造或物理异常间接找水，不具备定性、定量分析地下水的能力。核磁共振测深（MagneticResonance Sounding, MRS）法是目前世界上唯一一种可直接探测地下水的地球物理方法，具有分辨率高、效率高、信息量丰富和解的唯一性等优点，近二十年来在国内外得到了迅速的发展。为适应我国经济的快速发展并满足对水资源的需求，需要利用核磁共振技术，进一步扩大地下水的勘探范围。除了层状孔隙水，裂隙水和岩溶水的储备量也很大，具有很高的开发利用价值。然而，这些含水体主要分布于山地、丘陵等地表环境复杂区域，勘探难度大，有必要探索和发展适合于复杂地形区域的核磁共振探测系统及探测方法。

专利CN103412341A公开了一种“冷线圈核磁共振地下水探测装置及探测方法”，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。采用冷线圈匹配单元，克服大电流耦合影响探测深度的问题。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。专利CN102221711A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。采用两个接收线圈同时接收核磁共振信号，根据接收回的信号进行数据处理，精确定位含水体的位置、大小、含水率、渗透系数。专利CN103033849B公开了一种“多通道核磁共振地下水探测仪及其野外工作方法”，由计算机配置发射机和各接收机的工作参数，各接收机的工作模式可以在核磁共振测量模式和带参考核磁共振测量模式之间进行切换，每个接收机均可连接一个接收线圈和一个参考线圈，参考线圈个数的选取可依据当地环境噪声水平而定，最多可连接8个参考线圈，在使用带有参考线圈的多通道核磁共振地下水探测仪进行探测时，通过自适应消噪算法对所取得的核磁共振信号数据进行消噪处理，通过多通道测量方式实现对地下水体的二维探测，有效提高探测的横向分辨率的同时，也提高了核磁共振信号的信噪比，有利于在复杂地貌条件下和噪声较大环境下对测区进行核磁共振探测。

上述发明的冷线圈核磁共振地下水探测装置采用冷线圈探头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狭窄工作环境中，对复杂地表环境下的大范围探测则无能为力；核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置将发射部分和接收部分集于一体，探测过程复杂，灵活性差，探测范围有限，难以实现对地下水体的广泛勘查；多通道核磁共振探测仪在实现地下水体的二维探测时，需要铺设多个线圈，合理的选择线圈组合方式，因而布线复杂，探测效率低，而且针对人员和仪器难以进入的山地、丛林等特殊地区，不适合采用在地面铺设线圈的方式接收核磁共振信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种地空核磁共振地下水探测系统及探测方法，适用于地下水大范围高效率高分辨率探测，既能节省测量时间，又能得到大深度的探测结果，对复杂地貌条件下的地下水探测具有重要意义。

本发明是这样实现的，

一种地空核磁共振地下水探测系统，该系统包括两个接地电极，接地电极通过发射导线连接发射机，所述发射机通过地面主控系统控制，发射机通过改变接地电极的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下水中的氢原子形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发电流停止后，氢原子核自旋产生弛豫现象，再用搭载在飞行器上的接收线圈采集宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，所述地面主控系统经通讯模块远程控制激发电流的发射与停止，地面主控系统经通讯模块远程控制与接收线圈连接的接收机在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号，采集到的核磁共振信号将通过通讯模块传至上位机。

进一步地，所述上位机与地面主控系统连接，地面主控系统与第一通讯模块和第二通讯模块连接，第一通讯模块与发射机连接，第二通讯模块与接收机连接，发射机连接电源，发射机经发射导线分别与两个接地电极连接，接收线圈与接收机连接，接收机由飞行器携带。

进一步地，所述接收机由依次连接的前置放大模块、带通滤波模块、后级放大模块和A/D采集模块构成。

进一步地，所述飞行器搭载接收线圈在测线上匀速飞行，所述测线与发射导线相平行或垂直。

进一步地，通过上位机向地面主控系统设置电流参数，地面主控系统产生控制信号经通讯模块对发射机进行控制。

一种地空核磁共振地下水探测方法，该方法包括：

a、根据勘探任务选择测区位置，在测区内布置两个接地电极，两个接地电极与发射导线连接；

b、根据发射导线的位置选择测线，采用飞行器搭载接收线圈在测线上匀速飞行，控制飞行高度，使接收线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地靠近地面，保证接收线圈接收到的有效信号强度最大；

c、通过上位机向地面主控系统设置电流参数，地面主控系统产生控制信号经通讯模块对发射机进行控制；

d、发射机经发射导线、两个接地电极发射电流，激发含水层中的氢质子产生核磁共振信号；

e、在电流发射间隙，开始采集核磁共振信号，并记录接收信号时接收线圈的位置；

f、接收线圈将接收到的核磁共振信号经过前置放大模块进行前置放大和带通滤波模块初步滤除带外噪声，再经过后级放大模块放大后被A/D采集模块采集；

g、A/D采集模块将采集到的信号经第二通讯模块传至上位机进行存储；

h、改变发射电流大小，获得不同的激发脉冲距对地下不同深度进行探测，重复c-g过程，处理后得到第二组磁共振信号；

i、进行多次探测，将多次处理得到的磁共振信号进行比较以获取准确的解释结果。

进一步地，发射电流为2-100A，发射时间为40ms。

进一步地，所述测线与发射导线相平行或垂直。

进一步地，所述两个接地电极之间的距离为100-500m。

一种地空核磁共振地下水探测系统及探测方法

本发明具有如下的优点及有益效果：本发明公开的地空核磁共振地下水探测系统及探测方法，通过接地电极发射电流，可实现地面大功率发射，探测深度大，观测范围广。空中飞行平台接收信号，轻便灵活，特别适用于地表环境复杂的探测区域。与现有技术相比，采用“地面发射—空中接收”的工作模式，有机结合了地面发射探测深度大、分辨率高和空中接收探测范围广、探测速度快的优点，是一种新型的核磁共振地下水探测方法。本发明的提出，对大面积区域调查，尤其是山地、林区等传统磁共振探测方法难以进入的区域具有显著的优越性，经济高效，扩展了地下水资源的勘探范围，解决了核磁共振地下水探测方法的应用受到限制的难题，具有良好的推广前景和推广价值，现实意义巨大。

附图说明

图1为地空核磁共振地下水探测系统野外工作布置示意图

图2为地空核磁共振地下水探测系统结构框图

1上位机，2地面主控系统，3第一通讯模块，4第二通讯模块，5发射机，6电源，7发射导线，8接地电极A，9接地电极B，10接收线圈，11接收机，12飞行器，13测线，14前置放大模块，15带通滤波模块，16后级放大模块，17A/D采集模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

水体快速有效探测的地球物理勘探方法，对扩展地下水资源的勘探范围具有重要意义。

下面结合附图做进一步说明：

如图1所示，该系统通过接地电极A8和接地电极B9向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下水中的氢原子形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发电流停止后，氢原子核自旋产生弛豫现象，再用搭载在飞行器12上的接收线圈10记录宏观磁矩进动产生的核磁共振信号。地面主控系统2经第一通讯模块3远程控制激发电流的发射与停止。地面主控系统2又经通讯模块4远程控制接收机11在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号。最后，采集到的核磁共振信号将通过第二通讯模块4传至上位机1。此处地面主控系统采用的是本领域常规系统，此处不再展开。

如图2所示，接收机11由前置放大模块14、带通滤波模块15、后级放大模块16和A/D采集模块17构成。

地空核磁共振地下水探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、如图1所示，连接仪器，上位机1与地面主控系统2连接，地面主控系统2与第一通讯模块3和第二通讯模块4连接，发射机5与电源6连接，发射机5经发射导线7分别与接地电极A8和接地电极B9连接，接收线圈10与接收机11连接，接收机11与飞行器12连接；

b、根据勘探任务选择测区位置，在测区内布置接地电极A8和接地电极B9，两接地电极间的距离由探测区域的面积而定，通常为100-500m；

c、根据发射导线7的位置选择测线13，飞行器12搭载接收线圈10在测线13上垂直测线或平行测线匀速飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地靠近地面，保证接收线圈10接收到的有效信号强度最大；

d、开启系统后，上位机1向地面主控系统2设置电流参数，地面主控系统2产生控制信号经第一通讯模块3对发射机5进行控制；

e、发射机5经发射导线7、接地电极A8和接地电极B9发射电流，激发含水层中的氢质子产生核磁共振信号，激发电流的大小由探测深度而定，通常为2-100A，发射时间为40ms；

f、电流发射完成并经过时间为20ms的能量释放后，地面主控系统2经通讯模块4控制接收系统开始采集核磁共振信号，并记录接收信号时接收线圈10的位置；

g、如图2所示，接收线圈10将接收到的核磁共振信号经过前置放大模块14进行前置放大和带通滤波模块15初步滤除带外噪声，再经过后级放大模块16放大后被A/D采集模块17采集；

h、A/D采集模块17将采集到的信号经第二通讯模块4传至上位机1进行存储；

i、改变发射电流大小，获得不同的激发脉冲矩对地下不同深度进行探测，重复d-h过程，处理后得到第二组磁共振信号；

j、可重复上述i过程，进行多次探测，将多次处理得到的磁共振信号进行比较以获取准确的解释结果。

实施例1

地空核磁共振地下水探测系统及探测方法是一种适用于复杂地貌条件下对地下水体快速有效探测的地球物理勘探方法，该系统通过接地电极A8和接地电极B9向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下水中的氢原子形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发电流停止后，氢原子核自旋产生弛豫现象，再用接收线圈10记录宏观磁矩进动产生的核磁共振信号。地面主控系统2经第一通讯模块3远程控制激发电流的发射与停止。地面主控系统2又经第二通讯模块4远程控制接收机11在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号。最后，采集到的核磁共振信号将通过第二通讯模块4传至上位机1。

上位机1与地面主控系统2连接，地面主控系统2与第一通讯模块3和第二通讯模块4连接，第一通讯模块3与发射机5连接，发射机5与电源6连接，发射机5经发射导线7分别与接地电极A8和接地电极B9连接，接收线圈10经由前置放大模块14、带通滤波模块15、后级放大模块16、A/D采集模块17组成的接收机11与通讯模块4连接构成。

本实施例中地空核磁共振地下水探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、根据勘探任务选择测区位置，在测区内布置接地电极A8和接地电极B9，两接地电极间的距离由探测区域的面积而定，选择为100m；

b、选择测线13，使其平行于发射导线7，飞行器12搭载接收线圈10在测线13上匀速飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地靠近地面，保证接收线圈10接收到的有效信号强度最大；

c、开启地空核磁共振地下水探测系统，上位机1向地面主控系统2设置电流参数，地面主控系统2产生控制信号经第一通讯模块3对发射机5进行控制；

d、发射机5经发射导线7、接地电极A8和接地电极B9发射电流，激发含水层中的氢质子产生核磁共振信号，激发电流为50A，发射时间为40ms；

e、电流发射完成并经过时间为20ms的能量释放后，地面主控系统2经第二通讯模块4控制接收系统开始采集核磁共振信号，并记录接收信号时接收线圈10的位置；

f、接收线圈10将接收到的核磁共振信号经过前置放大模块14进行前置放大和带通滤波模块15初步滤除带外噪声，再经过后级放大模块16放大后被A/D采集模块17采集；

g、A/D采集模块17将采集到的信号经第二通讯模块4传至上位机1进行存储；

h、改变发射电流大小，获得不同的激发脉冲矩对地下不同深度进行探测，重复c-g过程，处理后得到第二组磁共振信号；

i、重复上述h过程，进行4次探测，将4组探测数据进行处理。

实施例2

地空核磁共振地下水探测系统及探测方法是一种适用于复杂地貌条件下对地下水体快速有效探测的地球物理勘探方法，该系统通过接地电极A8和接地电极B9向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下水中的氢原子形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发电流停止后，氢原子核自旋产生弛豫现象，再用接收线圈10记录宏观磁矩进动产生的核磁共振信号。地面主控系统2经第一通讯模块3远程控制激发电流的发射与停止。地面主控系统2又经第二通讯模块4远程控制接收机11在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号。最后，采集到的核磁共振信号将通过第二通讯模块4传至上位机1。

上位机1与地面主控系统2连接，地面主控系统2与第一通讯模块3和第二通讯模块4连接，第一通讯模块3与发射机5连接，发射机5与电源6连接，发射机5经发射导线7分别与接地电极A8和接地电极B9连接，接收线圈10经由前置放大模块14、带通滤波模块15、后级放大模块16、A/D采集模块17组成的接收机11与第二通讯模块4连接构成。

地空核磁共振地下水探测系统及探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、根据勘探任务选择测区位置，在测区内布置接地电极A8和接地电极B9，两接地电极间的距离由探测区域的面积而定，为500m；

b、选择测线13，使其垂直于发射导线7，飞行器12搭载接收线圈10在测线13上匀速飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地靠近地面，保证接收线圈10接收到的有效信号强度最大；

c、开启系统，上位机1向地面主控系统2设置电流参数，地面主控系统2产生控制信号经第一通讯模块3对发射机5进行控制；

d、发射机5经发射导线7、接地电极A8和接地电极B9发射电流，激发含水层中的氢质子产生核磁共振信号，激发电流为100A，发射时间为40ms；

e、电流发射完成并经过时间为20ms的能量释放后，地面主控系统2经第二通讯模块4控制接收系统开始采集核磁共振信号，并记录接收信号时接收线圈10的位置；

f、接收线圈10将接收到的核磁共振信号经过前置放大模块14进行前置放大和带通滤波模块15初步滤除带外噪声，再经过后级放大模块17放大后被A/D采集模块17采集；

g、A/D采集模块17将采集到的信号经第二通讯模块4传至上位机1进行存储；

h、改变发射电流大小，获得不同的激发脉冲距对地下不同深度进行探测，重复c-g过程，处理后得到第二组磁共振信号；

i、重复上述h过程，进行6次探测，将6组探测数据进行处理。数据处理的方法为本领域常规的处理过程，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地空核磁共振地下水探测系统，其特征在于，该系统包括两个接地电极，接地电极通过发射导线连接发射机，所述发射机通过地面主控系统控制，发射机通过改变接地电极的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下水中的氢原子形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发电流停止后，氢原子核自旋产生弛豫现象，再用搭载在飞行器上的接收线圈采集宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，所述地面主控系统经通讯模块远程控制激发电流的发射与停止，地面主控系统经通讯模块远程控制与接收线圈连接的接收机在激发电流停止的间隙采集核磁共振信号，采集到的核磁共振信号将通过通讯模块传至上位机。

2.按照权利要求1所述的地空核磁共振地下水探测系统，其特征在于，所述上位机与地面主控系统连接，地面主控系统与第一通讯模块和第二通讯模块连接，第一通讯模块与发射机连接，第二通讯模块与接收机连接，发射机连接电源，发射机经发射导线分别与两个接地电极连接，接收线圈与接收机连接，接收机由飞行器携带。

3.按照权利要求1所述的地空核磁共振地下水探测系统，其特征在于，所述接收机由依次连接的前置放大模块、带通滤波模块、后级放大模块和A/D采集模块构成。

4.按照权利要求1所述的地空核磁共振地下水探测系统，其特征在于，所述飞行器搭载接收线圈在测线上匀速飞行，所述测线与发射导线相平行或垂直。

5.按照权利要求1所述的地空核磁共振地下水探测系统，其特征在于，通过上位机向地面主控系统设置电流参数，地面主控系统产生控制信号经通讯模块对发射机进行控制。

6.一种地空核磁共振地下水探测方法，其特征在于，该方法包括：

a、根据勘探任务选择测区位置，在测区内布置两个接地电极，两个接地电极与发射导线连接；

b、根据发射导线的位置选择测线，采用飞行器搭载接收线圈在测线上匀速飞行，控制飞行高度，使接收线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地靠近地面，保证接收线圈接收到的有效信号强度最大；

c、通过上位机向地面主控系统设置电流参数，地面主控系统产生控制信号经通讯模块对发射机进行控制；

d、发射机经发射导线、两个接地电极发射电流，激发含水层中的氢质子产生核磁共振信号；

e、在电流发射间隙，开始采集核磁共振信号，并记录接收信号时接收线圈的位置；

f、接收线圈将接收到的核磁共振信号经过前置放大模块进行前置放大和带通滤波模块初步滤除带外噪声，再经过后级放大模块放大后被A/D采集模块采集；

g、A/D采集模块将采集到的信号经第二通讯模块传至上位机进行存储；

h、改变发射电流大小，获得不同的激发脉冲距对地下不同深度进行探测，重复c-g过程，处理后得到第二组磁共振信号；

i、进行多次探测，将多次处理得到的磁共振信号进行比较以获取准确的解释结果。

7.按照权利要求6所述的地空核磁共振地下水探测方法，其特征在于，发射电流为2-100A，发射时间为40ms。

8.按照权利要求6所述的地空核磁共振地下水探测方法，其特征在于，所述测线与发射导线相平行或垂直。

9.按照权利要求6所述的地空核磁共振地下水探测方法，其特征在于，所述两个接地电极之间的距离为100-500m。