CN113155883B - 磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理环境勘探领域，涉及一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法。该装置通过使用拖曳车作为移动平台，搭载多个平行排列的条形磁体，有效提高浅地表测区内背景磁场的强度和均匀区域范围；利用条形磁体磁感应强度随距离逐渐降低引起的不同深度处的磁共振频率不同的特点，通过修改CPMG激发序列的频率和幅度，能够对地表以下不同深度位置进行探测，结合T₂弛豫分布可以对水和烃污染进行区分和测量；在浅地表探测深度范围内，通过调整激发脉冲的频率间隔，实现对浅地表不同厚度地层的测量，能够有效改善深度分辨率，实现水和烃污染物含量快速移动式测量。

Description

磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法

技术领域

本发明属于地球物理环境勘探领域，尤其是涉及一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法。

背景技术

地面磁共振技术因其具有非侵入性和非破坏性，已经广泛应用在水资源探测、水文地质调查和环境勘探领域。但是受到地面磁共振以地磁场为背景场的原理方法的限制，和广泛存在的人类活动及人类设施的影响，常规地面磁共振探测过程中面临着信噪比低的难题，即使经过各种算法进行数据处理后，仅能对信号幅度和平均弛豫时间T₂ ^*进行估测，这导致对地下水探测存在较大误差。根据磁共振原理，磁共振信号幅度与背景磁场磁感应强度和信号频率之积成正比，同时信号频率也与磁感应强度成正比，因此在地面使用人工磁体产生远大于地磁场强度的均匀背景磁场，可以提高磁共振信号频率，并有效提高磁共振信号幅度。由于人工磁体磁场在地下不同深度处的衰减会导致不同深度处磁共振频率不同，因此可利用可变频率和幅度的CPMG脉冲序列实现对不同深度处的水含量和烃类污染物的准确测量，并且可以避免因打井取样引起的二次污染。

CN103852794A公开的“烃类污染浅层地下水磁共振检测装置及检测方法”，该方法用一个永磁体提高磁场强度，但是受到磁体类型和尺寸的限制，磁体磁场作用区域小，由于发射线圈覆盖面积远大于磁体磁场均匀区，即使采用自旋回波脉冲序列，提高信号幅度的作用有限，难以有效区分水中污染物。

CN109765628B公开的“车载式预极化场磁共振水源探测装置及探测方法”，采用履带车作为移动平台，搭载全波信号接收机和阵列线圈。该装置可以实现大范围探测，但是需要铺设多个探测线圈，降低了装置可移动性；并且预极化方法需要使发射电流满足绝热关断条件，才能有效提高信号幅度，当实际条件难以满足时，预极化方法难以提高信号幅度。

CN111290037A公开的“磁共振无损原位探测地下有机污染物的装置及探测方法”，使用一个三分量线圈分别接收地下水中氢原子在弛豫过程中产生的x、y和z三个方向的信号，有效采集了探测过程中的磁共振信号。但是该装置为采用三个互相垂直且边长大于2米的线圈，为实际使用时安装和移动带来困难。且磁共振参数弛豫时间T₁和T₂受激发脉冲类型的控制，与线圈的摆放方向无关。因此该方法在有机污染物的快速探测方面存在缺陷。

CN111796331A公开的“面向浅层地下水和烃类物质的地面磁共振探测装置及方法”，用两个接收线圈等间距对称分布于发射线圈两侧，抵消了发射线圈对接收线圈的影响，可以消除因耦合产生的残余振荡发射电流。该装置有效缩短了探测过程中的死区时间，但是共轴的接收线圈会同时感应出接收信号与噪声，利用做差法抑制远端环境噪声的同时也会导致磁共振信号丢失，影响了T₂ ^*参数的测量精度。

以上内容都是利用不同的装置和测量方法对地下水和浅层污染物进行探测，但是面临着磁场均匀区域小、装置复杂和原始信号损失等问题。因此需要一种能够提高背景磁场均匀区强度和信号幅度的磁体设计方案，以及简单便捷的测量装置和测量方法，实现对浅层土壤水分和污染物的快速测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置，能够有效提高磁共振背景磁场均匀区域范围和信号强度，利用拖曳式平台实现在测区内移动探测，结合多频CPMG脉冲序列实现对浅地表不同深度位置处水含量和污染物进行测量。本发明适用于浅地表环境勘探。

本发明另一方面提供一种拖曳式磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量方法。

本发明是这样实现的，一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置，其特征在于，该装置包括：

车体，整体外壳为非铁磁性材料，作为整个装置的支撑、连接和固定结构；

条形磁体，包括多条条形磁体平行排列，用于提供稳定背景磁场；

收发一体线圈，为多匝方形线圈，置于车架与条形磁体之间，用于发射激发电流并接收磁共振信号；

支架，与整个车体相连，用于支撑收发一体线圈和条形磁体；

主控电路，包括主控制器和切换开关，接收上位机设置的探测参数，并控制发射和接收电路运行，由主控制器与切换开关相连，控制切换开关切换发射过程和接收过程；

发射控制电路，控制发射电流脉冲的频率和幅度，并稳定发射电流的相位；

接收控制电路，对接收信号进行调理，并对信号进行采集；

上位机，与主控电路相连，控制整个装置的发射和接收过程，对采集的数据进行存储和分析；

发电机，包括整流电路和电源变换电路，为整个装置提供电源。

进一步地，所述条形磁体进行径向充磁，N极和S极分别位于两个长方形相对应面上；相邻两磁体间距相等，依次平行排列于收发一体线圈上方，极性相同的长方形面朝向相同，且所在平面与地面平行，多个条形磁体构成的总磁场方向垂直于地面。

进一步地，相邻条形磁体间距在5-10cm之间，单个条形磁体的表面磁感应强度在10mT-50mT，在探测深度范围内，多个条形磁体的总磁感应强度为10-200倍的地磁场强度。

进一步地，所述发射控制电路包括：

频率变换电路，与主控制器相连，在主控制器控制下产生标准频率信号源，为多频发射电流提供准确频率；

锁相电路，与频率变换电路相连，锁定标准频率信号源的相位，稳定发射电流频率；

功率放大电路，与锁相电路相连，对锁相电路输出信号进行功率放大，产生大功率发射电流，并与电流反馈电路相连，稳定发射电流的幅度；

多频谐振电路，与功率放大电路相连，与收发一体线圈的寄生电感和电阻构成匹配电路，匹配电路具有多个谐振点，每个谐振点对发射电流幅度具有增益；

电流反馈电路，与多频谐振电路相连，采集发射电流数据，并反馈给功率放大电路，并与切换开关相连，使发射控制电路与收发一体线圈相连。

进一步地，所述接收控制电路包括：

能量泄放电路，与主控制器和切换开关相连，并与收发一体线圈连通，在主控制器控制下消耗线圈中残余的发射电流；

正交接收电路，与能量泄放电路相连，具有两个相敏检波接收通道，两个通道参考信号相位差90°，对接收的信号进行放大和滤波；

移相电路，与正交接收电路相连，将正交接收电路输出的信号初始相位调整为0°；

解调电路，与移相电路相连，对移相电路输出的两个信号进行解调，解调后的信号分别作为实部信号和虚部信号；

信号采集电路，与解调电路和主控制器相连，在主控制器控制下，采集接收到的模拟信号，并将采集结果发送给主控制器。

一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量方法，该方法包括：

由条形磁体的磁场作为背景磁场，在地面以下随深度增加磁感应强度逐渐降低，背景磁场引起的氢原子自旋进动频率也逐渐降低；由发电机为整个装置供电，在上位机控制下，发射电路发射多个频率和多个幅度的交流脉冲电流，电流频率范围为70kHz～400kHz，幅度范围为20A～100A，激发地面以下不同深度处氢原子产生磁共振效应，然后控制接收电路接收磁共振信号，对信号进行分析后完成对水和污染物含量的测量。

进一步地，该方法具体包括：

a、在野外环境中选择一个测区，将条形磁体和收发一体线圈分别固定在拖曳式装置上，收发一体线圈位于磁体正下方，收发一体线圈面积与条形磁体组成的面积相等；

b、使用磁力仪测量磁体表面磁感应强度，并分别测量与条形磁体磁体平面垂直距离分别为x₁，x₂，x₃和x₄处的磁感应强度，根据公式f_x＝γB_x/(2π)计算深度为x处的激发频率f_x，其中γ为氢原子的旋磁比，B_x为深度为x处的磁感应强度；

c、将收发一体线圈两端、发电机电源线和上位机数据传输线与发射控制电路和接收控制电路相连，并将屏蔽外壳密封；

d、装置铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；

e、在待机状态下，设置发射参数和接收参数，并将发射和接收参数发送给主控制器；

f、设置完成后，启动工作，装置依次在发射不同频率和不同幅度的CPMG序列激发电流，完成对地面以下不同深度位置处的含水量和污染物的测量；

g、在一个测点完成测量后，拖动装置在不同测点位置处进行测量，逐点测量完成后实现对整个测区的测量；

h、在测区内完成测量后，利用反演算法对采集的磁共振数据进行反演获得弛豫分布谱，根据弛豫谱的形态区分水和污染物；

i、利用关系式

计算第i个弛豫时间分量T_2,i的幅度A_i，计算水和污染物的含量。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

第一，本发明提供的磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法，通过使用拖曳车作为移动平台，搭载多个平行排列的条形磁体，能够提高浅地表探测区域内背景磁场的强度和均匀区域范围，有效提高了测量信噪比，且拖曳式装置可以对测区进行快速测量；

第二，本发明提供的磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法，利用条形磁体磁感应强度随距离逐渐降低的特点，地下不同深度位置处的磁共振频率不同，通过发射不同频率和幅度的激发序列，能够对地表以下不同深度位置进行探测，将信号反演后根据弛豫分布对水和烃污染物进行区分和测量；

第三，本发明提供的磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法，可以通过调整激发脉冲的频率间隔，实现对不同间隔厚度的地层进行测量，能够有效改善深度分辨率，在浅地表环境地质勘探方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置结构图；

图2为本发明实施例提供的大一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置系统框图；

图3为本发明实施例提供的地表以下测量深度范围和激发频率示意图；

图4为本发明实施例提供的多频激发脉冲序列示意图；

其中图中，1车体，2支架，3滚动轮，4条形磁体，5收发一体线圈，6主控电路，601主控制器，602切换开关，7发射控制电路，701频率变换电路，702锁相电路，703功率放大电路，704多频谐振电路，705电流反馈电路，8接收控制电路，801能量泄放电路，802正交接收电路，803移相电路，804解调电路，805信号采集电路，9上位机，10发电机，101整流电路，102电源变换电路，11屏蔽外壳。

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。

参见图1，一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置，包括车体1，支架2，滚动轮3，条形磁体4，收发一体线圈5，主控电路6，发射控制电路7，接收控制电路8，上位机9，发电机10，屏蔽外壳11。

所述车体1的整体外壳为非铁磁性材料，作为整个装置的支撑、连接和承载结构；支架2与整个车体相连，用于支撑线圈和条形磁体；滚动轮3与支架相连，用于带动整个装置移动；条形磁体4由多条条形磁体构成并平行排列固定于支架2上，用于提供稳定背景磁场，具体磁体的数量要根据实际探测需求确定；收发一体线圈5为多匝方形线圈，用于发射激发电流并接收磁共振信号，固定于支架2上；收发一体线圈5形成的面积与条形磁铁覆盖的面积相同，主控电路6接收上位机设置的探测参数，控制发射控制电路和接收控制电路运行；发射控制电路7用于控制发射电流脉冲的频率和幅度，并稳定发射电流的相位；接收控制电路8，对接收信号进行调理，并对信号进行采集；上位机9与主控电路相连，控制整个装置的发射和接收过程，对采集的数据进行存储和分析；发电机10包括整流电路901和电源变换电路902，与主控电路6、发射控制电路7和接收控制电路8相连，为整个装置提供电源。

参见附图2，该测量装置的主控电路6包括主控制器601和切换开关602；发射控制电路7包括频率变换电路701，锁相电路702，功率放大电路703，多频谐振电路704，电流反馈电路705；接收控制电路8包括能量泄放电路801，正交接收电路802，移相电路803，解调电路804，信号采集电路805。

所述主控制器601首先与上位机9相连，然后与频率变换电路701、能量泄放电路801和信号采集电路805相连，完成发射和接收参数设置，并用于控制发射控制电路7和接收控制电路8工作；频率变换电路701与锁相电路702相连，产生标准频率信号源，用于给锁相电路702提供准确频率信号源；锁相电路702与功率放大电路703相连，用于锁定标准频率信号源的相位，稳定发射电流频率；功率放大电路703与多频谐振电路704相连，对锁相电路输出信号进行功率放大，产生大功率发射电流；多频谐振电路704与电流反馈电路705相连，与收发一体线圈的寄生电感和电阻构成匹配电路，匹配电路具有多个谐振点，每个谐振点对发射电流幅度具有增益；电流反馈电路705与功率放大电路703相连，用于对发射电流频率和幅度进行反馈控制；切换开关602与电流反馈电路705、能量泄放电路801和收发一体线圈5相连，实现发射过程和接收过程的切换，发射电流时发射通道打开，接收通道关闭；接收信号时发射通道关闭，接收通道打开；能量泄放电路801用于当切换开关接收通道打开时，与收发一体线圈连通，消耗线圈中残余的发射电流；正交接收电路802具有两个相敏检波接收通道，两个通道参考信号相位差90°，实现对接收的信号放大和滤波；移相电路803与正交接收电路802相连，对正交接收电路输出信号进行移相，调整信号的初始相位；解调电路804与移相电路803相连，对移相电路803输出的两个通道信号进行解调；信号采集电路805与解调电路804相连，在主控制器控制下，采集接收到的模拟信号，将模拟信号转变为数字信号。

参见图3，该图用于说明地表以下测量深度范围和激发频率。当测量装置置于地面时，由条形磁体产生的磁场会垂直于地面，此处假设垂直地面向下并以四个深度范围为例。在地面以下不同深度位置Δh₁、Δh₂、Δh₃和Δh₄处，磁感应强度B₁＞B₂＞B₃＞B₄，根据拉莫尔频率计算公式f＝γB，会有f₁＞f₂＞f₃＞f₄，因此通过在地面多次发射不同频率的激发脉冲，就可以实现对地面以下不同深度位置处进行探测。当每个频率点相差较小时，每个深度处层厚度越小，探测分辨率越高；每个频率点之间相差越大，每个深度处层厚度越大，探测分辨率越低。

参见图4，将激发脉冲调整为变频变幅的CPMG序列，由第一个90°脉冲和连续的多个180°激发脉冲构成。改变激发脉冲的发射频率，对地下不同深度进行探测；同时改变激发脉冲的幅度，使激发磁场在探测区域内尽量均匀。每个脉冲之间的时间间隔为2τ，每个脉冲中间时刻出现回波信号的峰点，相邻的回波信号峰点之间时间间隔为2τ，每个回波信号峰点相连构成回波峰点曲线。峰点曲线满足关系式

其中A_i为第i个弛豫时间分量T_2,i的幅度，利用反演算法得到弛豫时间T₂的分布，然后根据谱峰的形态区别水与污染物，并计算水和污染物的含量。

本发明还提供了一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量，包括以下步骤：

a、在野外环境中选择一个测区，将条形磁体和收发一体线圈分别固定在拖曳式装置上，收发一体线圈位于磁体正下方，线圈面积与磁体组成的面积相等，相邻条形磁体间距在5-10cm之间；单个条形磁体的表面磁感应强度在10mT-50mT，在探测深度范围内，多个条形磁体的总磁感应强度为10-200倍的地磁场强度。

b、使用磁力仪测量磁体表面磁感应强度，并分别测量与磁体平面垂直距离分别为x₁，x₂，x₃和x₄处的磁感应强度，根据公式f_x＝γB_x/(2π)计算深度为x处的激发频率f_x，其中γ为氢原子的旋磁比，B_x为深度为x处的磁感应强度；

c、将收发一体线圈两端、发电机电源线和上位机数据传输线与发射/接收控制电路相连，并将屏蔽外壳密封；

d、装置铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；

e、在待机状态下，设置发射参数和接收参数，并将发射和接收参数发送给主控制器；

f、设置完成后，启动工作，装置依次在发射不同频率和不同幅度的CPMG序列激发电流，完成对地面以下不同深度位置处的含水量和污染物的测量；

g、在一个测点完成测量后，拖动装置在不同测点位置处进行测量，逐点测量完成后实现对整个测区的测量；

h、在测区内完成测量后，利用反演算法对采集的磁共振数据进行反演获得弛豫分布谱，根据弛豫谱的形态区分水和污染物；

i、利用关系式

计算第i个弛豫时间分量T_2,i的幅度A_i，计算水和污染物的含量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置，其特征在于，该装置包括：

车体，整体外壳为非铁磁性材料，作为整个装置的支撑、连接和固定结构；

条形磁体，包括多条条形磁体平行排列，用于提供稳定背景磁场；

收发一体线圈，为多匝方形线圈，置于车架与条形磁体之间，用于发射激发电流并接收磁共振信号；

支架，与整个车体相连，用于支撑收发一体线圈和条形磁体；

主控电路，包括主控制器和切换开关，接收上位机设置的探测参数，并控制发射和接收电路运行，由主控制器与切换开关相连，控制切换开关切换发射过程和接收过程；

发射控制电路，控制发射电流脉冲的频率和幅度，并稳定发射电流的相位；

接收控制电路，对接收信号进行调理，并对信号进行采集；

上位机，与主控电路相连，控制整个装置的发射和接收过程，对采集的数据进行存储和分析；

发电机，包括整流电路和电源变换电路，为整个装置提供电源；

所述条形磁体进行径向充磁，N极和S极分别位于两个长方形相对应面上；相邻两磁体间距相等，依次平行排列于收发一体线圈上方，极性相同的长方形面朝向相同，且所在平面与地面平行，多个条形磁体构成的总磁场方向垂直于地面；

所述发射控制电路包括：

频率变换电路，与主控制器相连，在主控制器控制下产生标准频率信号源，为多频发射电流提供准确频率；

锁相电路，与频率变换电路相连，锁定标准频率信号源的相位，稳定发射电流频率；

功率放大电路，与锁相电路相连，对锁相电路输出信号进行功率放大，产生大功率发射电流，并与电流反馈电路相连，稳定发射电流的幅度；

多频谐振电路，与功率放大电路相连，与收发一体线圈的寄生电感和电阻构成匹配电路，匹配电路具有多个谐振点，每个谐振点对发射电流幅度具有增益；

电流反馈电路，与多频谐振电路相连，采集发射电流数据，并反馈给功率放大电路，并与切换开关相连，使发射控制电路与收发一体线圈相连；

所述接收控制电路包括：

能量泄放电路，与主控制器和切换开关相连，并与收发一体线圈连通，在主控制器控制下消耗线圈中残余的发射电流；

正交接收电路，与能量泄放电路相连，具有两个相敏检波接收通道，两个通道参考信号相位差90°，对接收的信号进行放大和滤波；

移相电路，与正交接收电路相连，将正交接收电路输出的信号初始相位调整为0°；

解调电路，与移相电路相连，对移相电路输出的两个信号进行解调，解调后的信号分别作为实部信号和虚部信号；

信号采集电路，与解调电路和主控制器相连，在主控制器控制下，采集接收到的模拟信号，并将采集结果发送给主控制器。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻条形磁体间距在5-10cm之间，单个条形磁体的表面磁感应强度在10mT-50mT，在探测深度范围内，多个条形磁体的总磁感应强度为10-200倍的地磁场强度。

3.一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量方法，采用权利要求1-2任意一项的装置，其特征在于，该方法包括：

由条形磁体的磁场作为背景磁场，在地面以下随深度增加磁感应强度逐渐降低，背景磁场引起的氢原子自旋进动频率也逐渐降低；由发电机为整个装置供电，在上位机控制下，发射电路发射多个频率和多个幅度的交流脉冲电流，电流频率范围为70kHz～400kHz，幅度范围为20A～100A，激发地面以下不同深度处氢原子产生磁共振效应，然后控制接收电路接收磁共振信号，对信号进行分析后完成对水和污染物含量的测量。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法具体包括：

a、在野外环境中选择一个测区，将条形磁体和收发一体线圈分别固定在拖曳式装置上，收发一体线圈位于磁体正下方，收发一体线圈面积与条形磁体组成的面积相等；

b、使用磁力仪测量磁体表面磁感应强度，并分别测量与条形磁体磁体平面垂直距离分别为x₁，x₂，x₃和x₄处的磁感应强度，根据公式f_x＝γB_x/(2π)计算深度为x处的激发频率f_x，其中γ为氢原子的旋磁比，B_x为深度为x处的磁感应强度；

c、将收发一体线圈两端、发电机电源线和上位机数据传输线与发射控制电路和接收控制电路相连，并将屏蔽外壳密封；

d、装置铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；

e、在待机状态下，设置发射参数和接收参数，并将发射和接收参数发送给主控制器；

f、设置完成后，启动工作，装置依次在发射不同频率和不同幅度的CPMG序列激发电流，完成对地面以下不同深度位置处的含水量和污染物的测量；

g、在一个测点完成测量后，拖动装置在不同测点位置处进行测量，逐点测量完成后实现对整个测区的测量；

h、在测区内完成测量后，利用反演算法对采集的磁共振数据进行反演获得弛豫分布谱，根据弛豫谱的形态区分水和污染物；

i、利用关系式

计算第i个弛豫时间分量T_2,i的幅度A_i，计算水和污染物的含量。

Images