CN109490802A - 狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法 - Google Patents

狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法 Download PDF

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尚新磊
徐奡澍
刘婷婷
吕欣
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    • G01R33/3415—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels

Abstract

本发明涉及核磁共振探水领域，尤其是一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈及探测方法，包括：上位机、主控单元、磁共振发射机、磁共振接收机、多个线圈以及多个程控开关；所述上位机经主控单元与磁共振发射机连接，通过所述主控单元向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令；所述主控单元根据上位机的指令向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令，以及用于控制多个程控开关；所述多个线圈之间通过两个程控开关两两相连，通过控制程控开关的开合使得线圈形成串联或并联结构；本发明与原本的单个多匝发射/接收线圈相比，增大发射/接收线圈等效面积，且同样的发射功率下，发射电流相应地可提高倍，激发更远距离的氢质子。

Description

狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法
技术领域
本发明涉及核磁共振探水领域，尤其是一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈及探测方法。
背景技术
在地下工程中，尤其是矿井、隧道等大型地下挖掘工程中，由于地质条件的复杂性与未知性，由地下水引起的突水、空水、涌水等灾害常有发生，给施工安全带来了巨大的灾难以及难以估计的损失。因而在地下工程中，提前对施工前方水体进行准确、快速、有效的探测，具有重要意义。磁共振方法已被证明可以有效应用于狭小空间，包括矿井及隧道，对前方水体进行超前探测，通常使用的线圈系统为一组发射线圈，一组接收线圈，接收线圈位于发射线圈之内。然而，处于地下施工环境内，为了安全作业，以防发生打火、爆炸，应用磁共振方法时需控制发射电流，发射电流有限导致探测范围小，磁共振信号往往为nV级别，施工噪声过大会引起获取的磁共振信号信噪比极低。因此，为了增大探测范围、提高磁共振信号质量，在保证地下安全作业的前提下，本发明提出一种应用于狭小空间的远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法。 CN102262247A公开了一种“隧道突水超前预测装置及预测方法”，涉及一种基于核磁共振地下水探测方法的隧道突水超前预测装置及预测方法。收发一体多匝矩形或方形线圈，平行于掌子面布设，计算机控制高压电源，主控芯片通过驱动电路驱动发射桥路，产生激发磁场。放大电路将核磁共振信号放大后送到采集电路，采集电路通过A/D转换器将放大器输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机，对数据进行显示和存储和滤波处理，通过软件进行水文地质解释，获取探测深度、水体含水率及潜在水体赋存状态。该发明中采用的是收发一体的多匝矩形或方形线圈，隧道中为了安全，往往会降低发射功率，而较低的发射功率限制了发射电流，因而无法实现对远距离的超前探测。
CN102062877A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”，涉及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。由计算机通过串口总线与系统控制器、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。该发明可实现对前方是否存在含水体以及含水体的含水量大小等重要信息做出准确有效的检测。其采用垂直布设线圈模式，降低了线圈的占用面积。然而该发明采用发射/接收线圈为单个多匝、收发分离的发射/接收线圈，众所周知，探测深度与线圈截面积、匝数及发射电流呈正比关系。在矿井、隧道等施工现场中应用时，为了安全作业，防止发生爆炸，发射电流通常很小，经过一个多匝线圈的发射功率也被大大降低，从而无法激发远距离的氢质子而导致探测深度无法保障。
CN104656155A公开了一种“提高煤巷核磁共振仪勘探深度的超导装置及信号提取方法”，提出了一种在煤巷接收NMR信号的超导装置，由铌-钛或铌-锡合金导线绕成多匝空心螺线管线圈，直径3.5米，并将线圈置于低温的双层液氮杜瓦瓶中，使其成为超导体，其电阻率接近零，然后应用“最小二成小波变换”对具有干扰的实测信号进行5级分解，其中第4级分解中的相对较大的极大值为核磁共振信号。其发明内容涉及的是磁共振低温超导接收线圈，提高接收信号的信噪比，未涉及发射线圈，若发射线圈有效截面积及发射功率无法提高，远距离的氢质子无法被激发，无法产生磁共振响应，因而仅从接收线圈上改进并不能解决发射功率受限的问题。
上述发明的核磁共振探水装置针对特殊的需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果,但都存在一些问题，仅从接收角度考虑提高了矿井、隧道等狭小空间内磁共振超前探测的信噪比，而并未对磁共振发射部分进行改进，因而无法激发远距离的氢质子，无法达到远距离超前探测的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法，无法达到远距离超前探测的需求。
本发明是这样实现的，
一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统，所述系统包括：上位机、主控单元、磁共振发射机、磁共振接收机、多个线圈以及多个程控开关；
所述上位机经主控单元与磁共振发射机连接，通过所述主控单元向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令；
所述主控单元根据上位机的指令向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令，以及用于控制多个程控开关；
所述多个线圈之间通过两个程控开关两两相连，通过控制程控开关的开合使得线圈形成串联或并联结构；
所述磁共振发射机通过一第一程控开关与位于并联首端的线圈的一端连接；通过第2n程控开关与位于并联末端的线圈的一端连接，使得在发射阶段时，线圈形成并联结构，连接在磁共振发射机两端；
所述磁共振接收机通过与位于串联首端的线圈的一端连接，通过第2n+1 程控开关与位于串联末端的线圈的一端连接，使得在接收阶段时，线圈形成串联结构，连接在磁共振接收机两端。
进一步地，所述主控单元在发射阶段时，控制第一程控开关、第2n程控开关以及连接线圈之间的程控开关闭合，控制第2n+1程控开关断开。
进一步地，所述主控单元在接收阶段时，控制第一程控开关与第2n程控开关断开，第2n程控开关闭合，以及连接线圈之间的部分程控开关闭合，部分程控开关断开使得线圈形成串联结构。
进一步地，所述线圈数量为奇数和偶数时，磁共振接收机连接在末端的线圈的不同端。
进一步地，所述线圈为方形线圈。
一种狭小空间远距离超前探测的探测方法，所述方法包括以下步骤：
a、在待测区选取检测面，利用全站仪测量检测面长度x米及宽度y米，上位机遵循取整原则计算出横向铺设线圈个数m及纵向铺设线圈个数k，其中线圈个数n＝m*k；
b、按照步骤a计算的结果铺设第一线圈、第二线圈、第三线圈、…、至第 n线圈；
c、发射阶段：上位机经主控单元向磁共振发射机传送发射指令，主控单元控制程控开关使得线圈形成并联结构，连接在磁共振发射机两端；
d、接收阶段：上位机经主控单元向磁共振接收机发射接收指令，主控单元控制程控开关使得线圈形成串联结构，连接在磁共振接收机两端。
进一步地，，取整原则具体为：首先判断检测面的长度x米及宽度y米除以线圈边长t：x/t，y/t是否为整数；若为整数则m＝x/t，k＝y/t；若其为非整数、存在余数，则m＝[x/t]，k＝[y/t]，其中[]为取整符号。
进一步地，所述线圈数量为奇数和偶数时，磁共振接收机连接在末端的线圈的不同端。
进一步地，所述主控单元在发射阶段时，控制第一程控开关、第2n程控开关以及连接线圈之间的程控开关闭合，控制第2n+1程控开关断开。
进一步地，所述主控单元在接收阶段时，控制第一程控开关与第2n程控开关断开，第2n程控开关闭合，以及连接线圈之间的部分程控开关闭合，部分程控开关断开使得线圈形成串联结构。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明考虑到地下施工环境内，为了安全作业，以防发生打火、爆炸，利用磁共振方法测量时需控制发射功率，线圈阻值固定，有效面积固定，发射功率低限制了发射电流以及探测范围，而施工噪声大会引起获取的磁共振信号信噪比极低。因此，为了增大探测范围、同时提高磁共振信号质量，在保证地下安全作业的前提下，本发明提出了一种应用于狭小空间的远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法。通过本系统及检测方法，与原本的单个多匝发射/ 接收线圈相比，增大发射/接收线圈等效面积，且同样的发射功率下，发射电流相应地可提高倍，激发更远距离的氢质子，而接收到的磁共振响应增大为原来的n倍，从发射和接收两个角度进行了改善，使得狭小空间磁共振超前探测时性能极大的提升。
附图说明
图1是狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统框图；
图2是线圈个数n为偶数时线圈系统等效电路；
图3是线圈个数n为奇数时线圈系统等效电路；
图4是线圈个数为1时线圈系统等效电路；
图5是线圈个数为2时线圈系统等效电路。
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。
本发明一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统，所述系统包括：上位机、主控单元、磁共振发射机、磁共振接收机、多个线圈以及多个程控开关；
所述上位机经主控单元与磁共振发射机连接，通过所述主控单元向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令；
所述主控单元根据上位机的指令向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令，以及用于控制多个程控开关；
所述多个线圈之间通过两个程控开关两两相连，通过控制程控开关的开合使得线圈形成串联或并联结构；
所述磁共振发射机通过一第一程控开关与位于并联首端的线圈的一端连接；通过第2n程控开关与位于并联末端的线圈的一端连接，使得在发射阶段时，线圈形成并联结构，连接在磁共振发射机两端；
所述磁共振接收机通过与位于串联首端的线圈的一端连接，通过第2n+1 程控开关与位于串联末端的线圈的一端连接，使得在接收阶段时，线圈形成串联结构，连接在磁共振接收机两端。
参见图1，在一实施例中，共包括n个线圈，由上位机1经主控单元2与磁共振发射机3连接；磁共振发射机3经第一程控开关与第一线圈连接，磁共振发射机3经第2n程控开关、第2n+1程控开关与第n线圈连接；第一线圈的两端通过第二程控开关以及第三程控开关与第二线圈连接，依次类推。参见图 1所示，本实施例中共包括：第一程控开关、第二程控开关、第三程控开关、第四程控开关、第五程控开关、第六程控开关、第七程控开关、…、第2n-2程控开关、第2n-1程控开关、第2n程控开关、第2n+1程控开关，主控单元2与程控开关连接；上位机1经主控单元2与磁共振接收机4连接，磁共振接收机 4与第一线圈连接，磁共振接收机4经第2n+1程控开关与第n线圈连接；第一线圈经第二程控开关与第三程控开关与第二线圈连接，第二线圈经第四程控开关及第五程控开关与第三线圈连接，…，第n-1线圈经第2n-2程控开关机第2n-1 程控开关与第n线圈连接，其中线圈为尺寸相同的方形线圈。
主控单元在发射阶段时，控制第一程控开关、第2n程控开关以及连接线圈之间的程控开关闭合，控制第2n+1程控开关断开，使得线圈形成并联结构。
主控单元在接收阶段时，控制第一程控开关与第2n程控开关断开，第2n 程控开关闭合，以及连接线圈之间的部分程控开关闭合，部分程控开关断开使得线圈形成串联结构。
一种狭小空间远距离超前探测的磁共振探测方法，包括以下步骤：
a、在待测区选取检测面(线圈铺设面)，利用全站仪测量检测面长度x米及宽度y米，上位机遵循取整原则计算出横向铺设线圈个数m及纵向铺设线圈个数k，其中线圈个数n＝m*k；
其中取整原则是这样实现的：首先判断检测面的长度x米及宽度y米除以线圈边长t是否为整数，即x/t，y/t是否为整数；以x/t为例，若其为整数则m＝x/t；若其为非整数、即存在余数，则m＝[x/t]，其中[]为取整符号；
b、按照步骤a计算的结果铺设第一线圈、第二线圈、第三线圈、…、至第 n线圈；
c、发射阶段：上位机1经主控单元2向磁共振发射机3传送发射指令，主控单元2控制第一程控开关、第二程控开关、第三程控开关、…、第2n-2程控开关、第2n-1程控开关、第2n程控开关闭合，磁共振发射机3一端经第一程控开关与第一线圈相连，磁共振发射机3另一端经第2n程控开关与第n线圈相连；其效果等效于第一线圈、第二线圈、第三线圈、…、第n线圈相互并联，由并联电路电阻值公式可得并联后阻值其中Rt为n个线圈并联后的电阻值，R0为单个方形线圈的电阻值。
根据功率与电流及电阻的计算公式P＝I2R，若采用单个多匝发射线圈的发射电流为I时，同一发射功率条件下，本系统的发射电流提高到从而激发更远距离氢质子的磁共振响应。
需要说明的是，上述的描述适合n大于2的情况的描述，参见图4当n＝1 时，发射阶段：仅仅有第一程控开关与第二程控开关闭合，其余开关断开；当 n＝2时，参见图5，发射阶段：第一程控开关、第二程控开关、第三程控开关与第四程控开关闭合，其余开关断开，使两个线圈相互并联。由于是通过2n-1、 2n以及2n+1的方式来命名程控开关，同一个程控开关在n不同时，表示的序号有所不同，但是在n一定时，每个程控开关具有一个表示的序号。
d、接收阶段：上位机1经主控单元2向磁共振接收机4发射接收指令，由于线圈个数n的奇偶性影响线圈系统的等效电路图，所以分别以n为奇数及n 为偶数介绍。当n为偶数时，主控单元2控制第三程控开关、第四程控开关、第七程控开关、第八程控开关、依次类推至第2n-4程控开关、第2n-1程控开关(n大于2)，以及第2n+1程控开关闭合，其余程控开关断开，磁共振接收机 4一端与第一线圈相连，磁共振接收机4另一端经第2n+1程控开关与第n线圈相连，其等效电路如图2所示；
当n为奇数时，主控单元2控制第三程控开关、第四程控开关、第七程控开关、第八程控开关、依次类推至第2n-3程控开关、第2n-2(n大于2)程控开关及第2n+1程控开关闭合，其余程控开关断开，磁共振接收机4一端与第一线圈相连，磁共振接收机4另一端经第2n+1程控开关与第n线圈相连，其等效电路如图3所示。其等效于n个线圈相互串联，与接收机连接，若单个多匝线圈等效面积为S，本系统等效接收面积为n*S，故所得磁共振响应的也相应的增加为n倍，提高了接收信号的质量。
需要说明的是，上述的描述适合n大于2的情况的描述，参见图4当n＝1 时，接收阶段：第一程控开关、第二程控开关断开，第三程控开关闭合；当n＝2 时，参见图5，接收阶段：第一程控开关、第二程控开关断开，第三程控开关、第五程控开关闭合，使两个线圈相关串联。由于是通过2n-1、2n以及2n+1的方式来命名程控开关，同一个程控开关在n不同时，表示的序号有所不同，但是在n一定时，每个程控开关具有一个表示的序号。
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 (10)

1.一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统，其特征在于，所述系统包括：上位机、主控单元、磁共振发射机、磁共振接收机、多个线圈以及多个程控开关；
所述上位机经主控单元与磁共振发射机连接，通过所述主控单元向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令；
所述主控单元根据上位机的指令向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令，以及用于控制多个程控开关；
所述多个线圈之间通过两个程控开关两两相连，通过控制程控开关的开合使得线圈形成串联或并联结构；
所述磁共振发射机通过一第一程控开关与位于并联首端的线圈的一端连接；通过第2n程控开关与位于并联末端的线圈的一端连接，使得在发射阶段时，线圈形成并联结构，连接在磁共振发射机两端；
所述磁共振接收机通过与位于串联首端的线圈的一端连接，通过第2n+1程控开关与位于串联末端的线圈的一端连接，使得在接收阶段时，线圈形成串联结构，连接在磁共振接收机两端。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控单元在发射阶段时，控制第一程控开关、第2n程控开关以及连接线圈之间的程控开关闭合，控制第2n+1程控开关断开。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控单元在接收阶段时，控制第一程控开关与第2n程控开关断开，第2n程控开关闭合，以及连接线圈之间的部分程控开关闭合，部分程控开关断开使得线圈形成串联结构。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线圈数量为奇数和偶数时，磁共振接收机连接在末端的线圈的不同端。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线圈为方形线圈。
6.一种狭小空间远距离超前探测的探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a、在待测区选取检测面，利用全站仪测量检测面长度x米及宽度y米，上位机遵循取整原则计算出横向铺设线圈个数m及纵向铺设线圈个数k，其中线圈个数n＝m*k；
b、按照步骤a计算的结果铺设第一线圈、第二线圈、第三线圈、…、至第n线圈；
c、发射阶段：上位机经主控单元向磁共振发射机传送发射指令，主控单元控制程控开关使得线圈形成并联结构，连接在磁共振发射机两端；
d、接收阶段：上位机经主控单元向磁共振接收机发射接收指令，主控单元控制程控开关使得线圈形成串联结构，连接在磁共振接收机两端。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，取整原则具体为：首先判断检测面的长度x米及宽度y米除以线圈边长t：x/t，y/t是否为整数；若为整数则m＝x/t，k＝y/t；若其为非整数、存在余数，则m＝[x/t]，k＝[y/t]，其中[]为取整符号。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线圈数量为奇数和偶数时，磁共振接收机连接在末端的线圈的不同端。
9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述主控单元在发射阶段时，控制第一程控开关、第2n程控开关以及连接线圈之间的程控开关闭合，控制第2n+1程控开关断开。
10.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述主控单元在接收阶段时，控制第一程控开关与第2n程控开关断开，第2n程控开关闭合，以及连接线圈之间的部分程控开关闭合，部分程控开关断开使得线圈形成串联结构。
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