CN108919366A - 一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法 - Google Patents
一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法，探测区域上方通过直升机携带发射线圈及接收线圈；通过在发射线圈中通入以当地拉莫尔频率为参考的变频变流电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的磁共振信号；主控单元控制接收机接收磁共振信号，并传至上位机储存；磁共振探测完成后，通过在发射线圈中通入周期脉冲序列，并快速关断该序列形成一次场；一次场在不同电性地电介质中传播并反射产生二次场，通过接收线圈感应二次场形成的瞬变电磁信号。本发明解决了传统磁共振与瞬变电磁联合探测效率低、应用场合受限等难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种地球物理探测设备及方法，尤其是用直升机磁共振与瞬变电磁场快速探测地下水资源的装置及探测方法。
背景技术
磁共振(Magnetic Resonance Sounding,MRS)与瞬变电磁(TransientElectromagnetic,TEM)联合探测，是提高磁共振含水层探测精确性的有效途径之一。但是现有MRS-TEM联合探测方法主要适用于地面情况，难以实现高效、大范围的区域性水文地质勘查。
CN1936621公开了一种核磁共振与瞬变电磁联用仪及其方法，通过一台仪器实现核磁共振与瞬变电磁两种探测方法。首先应用瞬变电磁技术找出地下低阻异常区，然后，应用核磁共振技术对低阻异常区进行探测，并将最终的核磁成像图与瞬变电磁成像图结合在一起，解释地下水资源的分布。该发明的提出，能够通过精确的地电特性，优化磁共振解释精度，有效提高了对地下水体的分辨能力。但该方法仅能实现单点探测，探测横向分辨率较低。由于MRS信号微弱，需同一地点多次测量并将结果叠加增强探测信噪比，难以实现高效率区域性水文地质勘查。
CN107102367A公开了一种直升机预极化场磁共振油气探测装置及探测方法。包括吊载在直升机下方的预极化线圈和发射/接收线圈，在预极化线圈中通入电流产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化过程完成后，通过向地下发射频率为当地拉莫尔频率的交变电流，激发地下油中的氢核形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，最后传至上位机进行数据解释。该项发明采用预极化场提高磁化强度，可实现原位非侵入式探测的目的，具有速度快、效率高、成本低、通行性好、可大面积覆盖的优势，即能节省探测时间，又能获取高信噪比探测结果。但该发明主要针对浅层泄露油气探测，预极化场作用范围有限，难以应用于大范围地下水勘查。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置，抗干扰能力强，能够在山地、丛林等多种场合实现高效率区域性水文地质勘查，既能节省探测时间，又能获取高信噪比、高精度的探测结果，尤其对于强噪声、地下地电结构复杂地区的地下水探测具有重要意义。
本发明另一方面还提供了一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法。
本发明是这样实现的，一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法，该装置包括：
搭载在直升机上的机载控制箱和上位机，机载控制箱包括主控单元，MRS发射机，TEM发射机，接收机以及发射切换电路；
吊载在直升机上的磁共振与瞬变电磁发射线圈及接收线圈；
通过所述上位机设置工作参数；
其中，探测区域上方通过直升机携带发射线圈及接收线圈；主控单元控制MRS发射机在发射切换电路的切换下，向发射线圈中通入以当地拉莫尔频率为参考的变频变流电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的磁共振信号；主控单元控制接收机接收磁共振信号，并传至上位机储存；磁共振探测完成后，主控单元控制TEM发射机在发射切换电路的切换下，通过在发射线圈中通入周期脉冲序列，并快速关断该序列形成一次场；一次场在不同电性地电介质中传播并反射产生二次场，通过接收线圈感应二次场形成的瞬变电磁信号；主控单元控制接收机接收瞬变电磁信号，并传至上位机储存。
进一步地，所述机载控制箱中主控单元分别连接MRS发射机，TEM发射机，及接收机；所述MRS发射机与TEM发射机分别连接发射切换电路，通过发射切换电路控制MRS发射机或TEM发射机工作，通入发射线圈MRS激发电流或TEM激发电流。
进一步地，所述接收机与接收线圈连接，在发射线圈发射结束后，接收MRS信号或TEM信号。
进一步地，所述发射线圈边长为10-20m，匝数为1-5匝，接收线圈边长为5-10m，匝数为1-10匝。
一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法，该方法包括：
探测区域上方通过直升机携带发射线圈及接收线圈；
通过在发射线圈中通入以当地拉莫尔频率为参考的变频变流电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的磁共振信号；
主控单元控制接收机接收磁共振信号，并传至上位机储存；
磁共振探测完成后，通过在发射线圈中通入周期脉冲序列，并快速关断该序列形成一次场；
一次场在不同电性地电介质中传播并反射产生二次场，通过接收线圈感应二次场形成的瞬变电磁信号；
主控单元控制接收机接收瞬变电磁信号，并传至上位机储存。
进一步地，具体步骤为：
a、根据工作要求选择探测测线，采用直升机搭载搭载上位机及机载控制箱悬停在测线上的初始测点，直升机下方吊载中心回线放置的发射线圈及接收线圈，发射线圈及接收线圈平面均平行于地面，控制飞行高度，使发射线圈及接收线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能接近地表，使采集信号幅度最大；
b、在上位机中设置磁共振工作参数，通过主控单元控制MRS发射机、发射切换电路及接收机协调工作；
c、保持直升机悬停在该测点，主控单元控制发射切换电路，通过MRS发射机通入发射线圈变频变幅电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
d、磁共振激发结束后，直升机吊载发射线圈及接收线圈垂直测线匀速飞行，主控单元控制接收机采集接收线圈感应的磁共振信号，并存储至上位机；
e、直升机驶回测点，按照步骤b过程中设置相同工作参数，多次重复c-d过程，得到多组磁共振数据；
f、直升机驶回测点，在保证同一发射波形情况下，改变磁共振发射电流大小，由小到大设置不同绝热脉冲的交变磁场，多次重复c-e过程，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下水产生的磁共振信号；
g、直升机悬停至测线上下一测点，重复b-f过程，获取下一测点不同深度地下水产生的磁共振信号；
h、多次重复g过程，直至完成测线上所有测点的磁共振探测；
i、直升机驶回测线初始测点，在上位机中设置瞬变电磁工作参数，通过主控单元控制TEM发射机、发射切换及接收机协调工作；
j、主控单元控制发射切换电路，通过TEM发射机通入发射线圈周期脉冲序列，形成稳定磁场环境；
k、关断发射脉冲，发射线圈周围产生一次磁场，同时，直升机吊载发射线圈及接收线圈沿测线匀速飞行，主控单元控制接收机采集接收线圈感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机；
l、按照步骤i过程直升机驶回测线初始测点并设置相同工作参数，多次重复j-k过程，得到多组瞬变电磁数据；
m、联合测线上所有磁共振数据与瞬变电磁数据进行解释，得到地下三维含水结构的精确成像。
进一步地，所述形成磁共振绝热脉冲的发射电流为变频变幅电流，峰值大小在1A-400A之间，发射时间为80ms。
进一步地，相邻两个探测点距离15-20米。
本发明具有如下优点及有益效果：本发明公开的直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法，适用于区域性水文地质探测，具有效率高、精度高等优点。通过结合磁共振绝热激发脉冲，能够在大范围内提高磁共振信号强度，提升探测信噪比。本发明的提出，解决了传统磁共振与瞬变电磁联合探测效率低、应用场合受限等难题，为地电特性复杂地区的高效率地下三维赋水区域圈定提供了新的思路。
附图说明
图1一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置现场工作示意图；
图2一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置结构框图；
图3磁共振绝热脉冲发射电流幅度(a)与频率(b)随发射时间变化示意图
1 直升机；2 上位机；3 机载控制箱；4 发射线圈；5 接收线圈；6 测线；7 主控单元；8 MRS发射机；9 TEM发射机；10 发射切换；11 接收机。
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。
直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法是一种适用于区域性水文地质探测，兼具高效性与高精度的探测方法，下面结合附图及实施例做进一步说明：
如图1和2所示，发射线圈4及接收线圈5吊载在直升机1下方，由上位机2设置磁共振工作参数，并通过控制机载控制箱3内的主控单元7，使发射切换电路10切换为MRS发射机8，在发射线圈4中通入变频变流的交流电流，形成绝热脉冲激发地下水中氢核产生磁共振现象，激发停止后，机载控制箱3中的主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的磁共振弛豫信号，并传至上位机2进行储存，磁共振探测完成后，由上位机2设置瞬变电磁工作参数，并控制机载控制箱3内的主控单元7，使发射切换电路10切换为TEM发射机9，在发射线圈4中通入周期脉冲序列，形成稳定磁场环境，随后，突然关断发射脉冲，机载控制箱3中的主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机2。
一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法，包括以下顺序和步骤：
a、如图1所示，根据工作要求选择探测测线6，采用直升机1搭载上位机1及机载控制箱3悬停在测线6上的初始测点，直升机1下方吊载中心回线放置的发射线圈4及接收线圈5，线圈平面均平行于地面，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接近地表，使采集信号幅度最大；
b、如图2，在上位机2中设置磁共振工作参数，通过主控单元7控制MRS发射机8、发射切换电路10及接收机11协调工作；
c、保持直升机1悬停在该测点，主控单元7控制发射切换电路10，通过MRS发射机8通入发射线圈4变频变幅电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
d、磁共振激发结束后，直升机1吊载发射线圈4及接收线圈5垂直测线6匀速飞行，主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的磁共振信号，并存储至上位机2；
e、直升机1驶回测点，按照步骤b过程中设置相同工作参数，多次重复c-d过程，得到多组磁共振数据；
f、直升机1驶回测点，在保证同一发射波形情况下，改变磁共振发射电流大小，由小到大设置不同绝热脉冲的交变磁场，多次重复c-e过程，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下水产生的磁共振信号；
g、直升机1悬停至测线上下一测点，重复b-f过程，获取下一测点不同深度地下水产生的磁共振信号；
h、多次重复g过程，直至完成测线6上所有测点的磁共振探测；
i、直升机1驶回测线6初始测点，在上位机2中设置瞬变电磁工作参数，通过主控单元7控制TEM发射机9、发射切换电路10及接收机11协调工作；
j、主控单元7控制发射切换电路10，通过TEM发射机9通入发射线圈4周期脉冲序列，形成稳定磁场环境；
k、突然关断发射脉冲，发射线圈4周围产生一次磁场，同时，直升机吊载发射线圈4及接收线圈5沿测线6匀速飞行，主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机2；
l、按照步骤i过程直升机1驶回测线初始测点并设置相同工作参数，多次重复j-k过程，得到多组瞬变电磁数据；
m、联合测线6上所有磁共振数据与瞬变电磁数据进行解释，得到地下三维含水结构的精确成像。
实施例1
直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法是一种适用于区域性水文地质探测，兼具高效性与高精度的探测方法，发射线圈4及接收线圈5吊载在直升机1下方，由上位机2设置磁共振工作参数，并通过控制机载控制箱3内的主控单元7，使发射切换电路10切换为MRS发射机8，在发射线圈4中通入变频变流的交流电流，形成绝热脉冲激发地下水中氢核产生磁共振现象，激发停止后，机载控制箱3中的主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的磁共振弛豫信号，并传至上位机2进行储存，磁共振探测完成后，由上位机2设置瞬变电磁工作参数，并控制机载控制箱3内的主控单元7，使发射切换电路10切换为TEM发射机9，在发射线圈4中通入周期脉冲序列，形成稳定磁场环境，随后，突然关断发射脉冲，机载控制箱3中的主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机2。
上位机2与主控单元7连接，主控单元7分别与MRS发射机8、TEM发射机9、发射切换电路10及接收机11连接，MRS发射机8与TEM发射机9分别与发射切换电路10连接，发射切换电路10与发射线圈4连接，接收机11与接收线圈5连接构成。
本实施例中直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法，包括以下顺序和步骤：
a、如图1所示，根据工作要求选择探测测线6，测线6上包含10个测点，采用直升机1搭载上位机1及机载控制箱3悬停在测线6上的初始测点，直升机1下方吊载中心回线放置的发射线圈4及接收线圈5，发射线圈4边长为20m，匝数为5匝，接收线圈5边长为10m，匝数为10匝，线圈平面均平行于地面，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接近地表，使采集信号幅度最大；
b、如图2，在上位机2中设置磁共振工作参数，通过主控单元7控制MRS发射机8、发射切换电路10及接收机11协调工作；
c、保持直升机1悬停在该测点，主控单元7控制发射切换电路10，通过MRS发射机8通入发射线圈4变频变幅电流，发射时间为80ms，电流频率与幅度变化分别如图3(a)及3(b)所示，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
d、磁共振激发结束后，直升机1吊载发射线圈4及接收线圈5垂直测线6匀速飞行，主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的磁共振信号，并存储至上位机2；
e、直升机1驶回测点，按照步骤b过程中设置相同工作参数，重复c-d过程5次，得到5组磁共振数据；
f、直升机1驶回测点，在保证同一发射波形情况下，改变磁共振发射电流大小，由1A到200A设置8组不同绝热脉冲的交变磁场，重复c-e过程8次，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下水产生的磁共振信号；
g、直升机1悬停至测线上下一测点，两测点间距为15m，重复b-f过程，获取下一测点不同深度地下水产生的磁共振信号；
h、重复g过程10次，完成测线6上所有测点的磁共振探测；
i、直升机1驶回测线6初始测点，在上位机2中设置瞬变电磁工作参数，通过主控单元7控制TEM发射机9、发射切换电路10及接收机11协调工作；
j、主控单元7控制发射切换电路10，通过TEM发射机9通入发射线圈4梯形波，基频25Hz，形成稳定磁场环境；
k、突然关断发射脉冲，发射线圈4周围产生一次磁场，同时，直升机吊载发射线圈4及接收线圈5沿测线6匀速飞行，主控单元7控制接收机11采集接收线圈5感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机2；
l、按照步骤i过程直升机1驶回测线初始测点并设置相同工作参数，重复j-k过程5次，得到5组瞬变电磁数据；
m、联合测线6上所有磁共振数据与瞬变电磁数据进行解释，得到地下三维含水结构的精确成像。
通过本发明方法和装置得到地下水的三维精确分布，为地下水开采提供了理论依据，相比于常规方法，本装置与方法兼具高效性与高精度优点。
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 (8)
1.一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法，其特征在于，该装置包括：
搭载在直升机上的机载控制箱和上位机，机载控制箱包括主控单元，MRS发射机，TEM发射机，接收机以及发射切换电路；
吊载在直升机上的磁共振与瞬变电磁发射线圈及接收线圈；
通过所述上位机设置工作参数；
其中，探测区域上方通过直升机携带发射线圈及接收线圈；主控单元控制MRS发射机在发射切换电路的切换下，向发射线圈中通入以当地拉莫尔频率为参考的变频变流电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的磁共振信号；主控单元控制接收机接收磁共振信号，并传至上位机储存；磁共振探测完成后，主控单元控制TEM发射机在发射切换电路的切换下，通过在发射线圈中通入周期脉冲序列，并快速关断该序列形成一次场；一次场在不同电性地电介质中传播并反射产生二次场，通过接收线圈感应二次场形成的瞬变电磁信号；主控单元控制接收机接收瞬变电磁信号，并传至上位机储存。
2.按照权利要求1所述的直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置，其特征在于，所述机载控制箱中主控单元分别连接MRS发射机，TEM发射机，及接收机；所述MRS发射机与TEM发射机分别连接发射切换电路，通过发射切换电路控制MRS发射机或TEM发射机工作，通入发射线圈MRS激发电流或TEM激发电流。
3.按照权利要求1所述的直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置，其特征在于，所述接收机与接收线圈连接，在发射线圈发射结束后，接收MRS信号或TEM信号。
4.按照权利要求1所述的直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置，其特征在于，所述发射线圈边长为10-20m，匝数为1-5匝，接收线圈边长为5-10m，匝数为1-10匝。
5.一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测方法，其特征在于，该方法包括：
探测区域上方通过直升机携带发射线圈及接收线圈；
通过在发射线圈中通入以当地拉莫尔频率为参考的变频变流电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈感应宏观磁矩进动产生的磁共振信号；
主控单元控制接收机接收磁共振信号，并传至上位机储存；
磁共振探测完成后，通过在发射线圈中通入周期脉冲序列，并快速关断该序列形成一次场；
一次场在不同电性地电介质中传播并反射产生二次场，通过接收线圈感应二次场形成的瞬变电磁信号；
主控单元控制接收机接收瞬变电磁信号，并传至上位机储存。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，具体步骤为：
a、根据工作要求选择探测测线，采用直升机搭载搭载上位机及机载控制箱悬停在测线上的初始测点，直升机下方吊载中心回线放置的发射线圈及接收线圈，发射线圈及接收线圈平面均平行于地面，控制飞行高度，使发射线圈及接收线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能接近地表，使采集信号幅度最大；
b、在上位机中设置磁共振工作参数，通过主控单元控制MRS发射机、发射切换电路及接收机协调工作；
c、保持直升机悬停在该测点，主控单元控制发射切换电路，通过MRS发射机通入发射线圈变频变幅电流，形成绝热脉冲，激发地下水中氢核产生磁共振现象；
d、磁共振激发结束后，直升机吊载发射线圈及接收线圈垂直测线匀速飞行，主控单元控制接收机采集接收线圈感应的磁共振信号，并存储至上位机；
e、直升机驶回测点，按照步骤b过程中设置相同工作参数，多次重复c-d过程，得到多组磁共振数据；
f、直升机驶回测点，在保证同一发射波形情况下，改变磁共振发射电流大小，由小到大设置不同绝热脉冲的交变磁场，多次重复c-e过程，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下水产生的磁共振信号；
g、直升机悬停至测线上下一测点，重复b-f过程，获取下一测点不同深度地下水产生的磁共振信号；
h、多次重复g过程，直至完成测线上所有测点的磁共振探测；
i、直升机驶回测线初始测点，在上位机中设置瞬变电磁工作参数，通过主控单元控制TEM发射机、发射切换及接收机协调工作；
j、主控单元控制发射切换电路，通过TEM发射机通入发射线圈周期脉冲序列，形成稳定磁场环境；
k、关断发射脉冲，发射线圈周围产生一次磁场，同时，直升机吊载发射线圈及接收线圈沿测线匀速飞行，主控单元控制接收机采集接收线圈感应的瞬变电磁二次场信号，并存储至上位机；
l、按照步骤i过程直升机驶回测线初始测点并设置相同工作参数，多次重复j-k过程，得到多组瞬变电磁数据；
m、联合测线上所有磁共振数据与瞬变电磁数据进行解释，得到地下三维含水结构的精确成像。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述形成磁共振绝热脉冲的发射电流为变频变幅电流，峰值大小在1A-400A之间，发射时间为80ms。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，相邻两个探测点距离15-20米。
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| CN201810459083.9A Pending CN108919366A (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种直升机磁共振与瞬变电磁联合探测装置及探测方法 |
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