CN116953805A - 一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，涉及一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，该方法包括一组阵列式地面核磁共振发射线圈，通过建模计算调整发射阵列中各线圈电流幅度，控制地下形成交流激发场幅度与方向，实现根据地磁场方向调整有效激发场矢量，达到提高探测信号幅度的效果。

Description

一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法

技术领域

本发明属与地面核磁共振探测方法(Surface nuclear magnetic resonance，SNMR)领域，具体来讲为一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法。

背景技术

核磁共振地下水探测方法,简称方法是一种直接地非破坏性的地球物理勘探方法。传统的磁共振探测方法采用单个发射线圈进行交流场激发，其发射磁矩垂直于地面，但由于地磁场与地面存在一定的角度，且这个角度在地球不同维度变化很大，所以传统单个发射线圈的探测方法的有效激发磁场比发射线圈实际的激发场小很多，地下氢原子的激发扳倒角较小，从而导致返回的信号也很微弱。

针对以上问题，本行业的相关从业人员发明了预极化地面核磁共振探测方法，该方法在传统的线圈结构中增加了一个预极化线圈，在每次进行交流激发之前，向预极化线圈中通入直流电流，产生预极化场，使地下氢原子的磁化强度提高，然后在进行交流激发，以此来增强接收信号强度。但是该方法受限于预极化线圈尺寸，无法有效极化较深部地下区域的氢原子，只针对浅层探测。

目前国内外尚无通过阵列发射线圈对地下水定向激发的方法，为此，设计了一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，该方法可以控制地下形成的交流激发场幅度与方向，实现根据地磁场方向调整有效激发场矢量，达到提高探测信号幅度的效果。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足,提供一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法。

一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，该方法包括：

采样一组阵列式发射线圈，所述一组阵列式发射线圈采用同样大小的方形线圈按照N行N列的排布方式等间隔铺设在地面，通过调整发射阵列中各线圈电流幅度，控制地下形成交流激发场幅度与方向。具体步骤如下：

A计算阵列式发射线圈中每个方形线圈在空间中产生的磁场；

B根据步骤A求解定向发射场所需阵列线圈电流分布；

C根据步骤B得到的阵列线圈电流分布，通过调节各个方形线圈的电流，控制整个阵列式发射线圈整体上的激发磁场的幅度和方向。

进一步地，步骤A包括以下步骤：

A1计算单个方形线圈变电流产生磁场：根据毕奥萨伐尔定律计算磁场分布，阵列式发射线圈中，第l个线圈边电流在空间内任意点r形成磁场表示为：

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算方形线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量；

A2计算单个方形线圈整体磁场：将方形线圈整体磁场三分量表示为：

B_xrl＝B_3xrl+B_4xrl＝e_xrl×I_l

B_yrl＝B_1yrl+B_2yrl＝e_yrl×I_l

B_zrl＝B_1zrl+B_2zrl+B_3zrl+B_4zrl＝e_zrl×I_l

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

进一步地，步骤B包括以下步骤：

B1根据单个方向线圈产生的磁场，计算阵列线圈中各线圈形成磁场与电流关系为：

B＝A·I

A_x，A_y，A_z为向量矩阵，B是满足垂直于地磁场的所需磁场，I为所需的电流向量矩阵，A为参数向量矩阵；

B2根据上述阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系，得到电流矩阵为

I＝A^T(AA^T)^-1B when n≥3

A^T是矩阵A的转置矩阵，求解上式，获得形成定向发射场所需阵列线圈电流分布。

在获取电流分布的基础上通过仪器上的设置调整实际个线圈的电流，从而控制整个阵列的整体的激发磁场的幅度和方向，在地面磁共振阵列式定向激励探测仪上设置好相应的发射电流和其他发射、接收参数，然后对测点进行地面磁共振探测。

有益效果：本发明的方法主要是应用在核磁共振地下水探测中，针对传统地面核磁共振探测方法中有效激发场小的问题，提出利用阵列式线圈做定向激励，通过调整发射阵列中各线圈电流幅度，控制地下形成交流激发场幅度与方向，实现根据地磁场方向调整有效激发场矢量，使发射磁场(即上述的通过控制阵列线圈电流而激发出的磁场)垂直于地磁场，从而达到提高地面磁共振接收信号强度的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的交流激发阵列探测示意图；

图2为本发明实施例提供的单线圈三维磁场计算示意图；

图3为本发明实施例提供的线圈边电流分解示意图；

图4为本发明实施例提供的传统激发和本发明所述的定向激发方法的探测曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明详细说明：

在地面核磁共振探测中，感应磁场B中只有垂直于地磁场B₀方向的发射磁场才能有效激发地下氢原子产生跃迁。感应磁场B在垂直于B₀平面的投影表示为：

其中为地磁场方向向量。

传统的磁共振探测方法采用单个发射线圈进行交流场激发，其发射磁矩垂直于地面。然而由于地磁倾角I的存在，线圈的发射磁场B并不是垂直于地磁场B₀的，导致有效的激发场小于线圈本身产生的激发场，考虑地磁倾角情况下，可以表示为：

由于在导电介质中，感应磁场B会发生椭圆极化，所以也会发生相应的椭圆极化，分解成两个幅度不同，方向相反的椭圆极化场/>和/>即：

在地面核磁共振中，接收信号的表达式为：

E₀(q,r)＝∫K(q,r)·w(r)d³

式中K(q,r)表示灵敏度核函数，又称核函数，w(r)为地下含水模型。灵敏度核函数包含了发射磁场、接收磁场以及发射、接收的相位等信息，其表达式为

公式的第一行主要包含了氢原子的特性、测点位置的磁场信息以及发射磁场的信息，可以看出，只有垂直于地磁场B₀方向的发射磁场的椭圆机极化场正向分量/>才可以有效激发地下氢原子，因此可以有效激发的磁场小于线圈实际激发的磁场大小。所以，在传统的磁共振探测方法中，发射线圈所激发出的磁场并没有完全应用于地下氢原子的激发,导致地面磁共振探测信号幅度较小。

本发明实施例采用了9个同样大小的发射线圈，按照3行3列等间距排布，替代传统的单个发射线圈。通过建模计算调整发射阵列中各线圈电流幅度，使阵列线圈的发射磁场方向垂直于地磁场方向，从而更有效地激发地下的氢原子。相比于传统方法，本发明所描述的一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，可以提高探测信号幅度，同时可以进行精细探测，具有很好的实用价值。

具体如下：

图1是交流激发阵列探测示意图，矩形代表铺设在地面的阵列式发射线圈，9个线圈以3行3列的形式等距离的排布在地面上，探测目标水体在阵列线圈区域下，在进行探测时，利用本发明提出的方法，控制阵列线圈中每个单独线圈中的电流来控制发射磁矩方向，从而控制发射磁矩垂直于地磁场，最终达到提高地面磁共振探测信号强度的目的。

图2是单线圈三维磁场计算示意图，当线圈中通入电流时，可以计算地下任意一点P_k的磁感应强度。在阵列式定向激励探测中，9个线圈产生的磁场矢量叠加计算，即可获得地下任意一点P_k的磁感应强度B_kl。

图3线圈边电流分解示意，为图2单线圈三维磁场计算示意的二维视图，将三维空间中线圈的一条边的电流在平面任意一点P_k产生的磁场强度在二维空间中计算，以简化计算，对于一个线圈，4条边的边分别产生的场强在三维空间进行叠加，即可计算单个线圈在地下任意一点P_k的磁感应强度，进而根据图2计算地下任意一点P_k的磁感应强度B_kl。

下面是地面磁共振阵列式定向激励探测方法的具体步骤：

A计算阵列式发射线圈中每个方形线圈在空间中产生的磁场；

B根据步骤A求解定向发射场所需阵列线圈电流分布；

C根据步骤B得到的阵列线圈电流分布，通过各个方形线圈的电流，控制整个阵列式发射线圈整体上的激发磁场的幅度和方向。

其中，步骤A包括以下步骤：

A1计算单个线圈变电流产生磁场：根据毕奥萨伐尔定律计算磁场分布，如图2及图3，交流发射阵列中，第l个线圈(边长为2a)边电流在空间内任意点r形成磁场表示为：

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

A2计算单个线圈整体磁场：根据上述计算出的结果，可以将该线圈整体磁场三分量表示为：

B_xrl＝B_3xrl+B_4xrl＝e_xrl×I_l

B_yrl＝B_1yrl+B_2yrl＝e_yrl×I_l

B_zrl＝B_1zrl+B_2zrl+B_3zrl+B_4zrl＝e_zrl×I_l

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

步骤B包括以下步骤：

B1计算阵列线圈中各线圈形成磁场与电流关系，根据上述单个线圈产生的磁场，推导整理阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系可表示为：

式中B是满足垂直于地磁场的所需磁场，I为所需的电流向量矩阵，A为参数向量矩阵。

B2求解电流分布矩阵。根据上述阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系，可以推导出电流矩阵为

I＝A^T(AA^T)^-1B whenn≥3

求解上式，即可获得形成定向发射场所需阵列线圈电流分布。

实施例：

在长春烧锅镇，使用本发明地面磁共振阵列式定向激励探测方法进行野外实际应用，经测量，长春市烧锅镇的地磁倾角约为60°。

具体实施步骤如下：

在测试区域内，按图1中所示布置9个按照3行3列等间距排布的发射线圈，并布置好相应的接收线圈，调试仪器。测点水文地质情况已知，根据已有的地质信息和烧锅镇地区的地磁倾角信息，按照以下步骤进行计算探测过程中每个发射线圈的电流分布，并预估信号接收情况。

A.计算单个线圈在空间中产生的磁场；

B.求解定向发射场所需阵列线圈电流分布；

C根据步骤B得到的阵列线圈电流分布，通过各个方形线圈的电流，控制整个阵列式发射线圈整体上的激发磁场的幅度和方向。

其中，步骤A包括以下步骤：

A1计算单个线圈变电流产生磁场：根据毕奥萨伐尔定律计算磁场分布，如图2及图3，交流发射阵列中，第l个线圈(边长为2a)边电流在空间内任意点r形成磁场表示为：

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

A2计算单个线圈整体磁场：根据上述计算出的结果，可以将该线圈整体磁场三分量表示为：

B_xrl＝B_3xrl+B_4xrl＝e_xrl×I_l

B_yrl＝B_1yrl+B_2yrl＝e_yrl×I_l

B_zrl＝B_1zrl+B_2zrl+B_3zrl+B_4zrl＝e_zrl×I_l

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

步骤B包括以下步骤：

B1计算阵列线圈中各线圈形成磁场与电流关系，根据上述单个线圈产生的磁场，推导整理阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系可表示为：

B＝A·I

式中B是满足垂直于地磁场的所需磁场，I为所需的电流向量矩阵，A为参数向量矩阵。

B2求解电流分布矩阵。根据上述阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系，可以推导出电流矩阵为

I＝A^T(AA^T)^-1B whenn≥3

求解上式，即可获得形成定向发射场所需阵列线圈电流分布。

在计算完成探测过程中阵列式发射线圈中电流分布后，通过各个方形线圈的电流，控制整个阵列式发射线圈整体上的激发磁场的幅度和方向对测点下地下水进行探测。设置发射脉冲矩范围是0.11A.s到6A.s，共40个脉冲矩、叠加次数32、采集频率25kHz，设置完成后，启动地面磁共振阵列式定向激励探测仪，直至在该测点的测试完成，保存探测的数据。

测试结束后，对接收机采集的数据进行信号处理，获取每个脉冲矩下的初始振幅，并与传统方法所获取的信号对比，绘制探测的E₀-q曲线(图4),对比2条曲线所显示的信号初始振幅可以看出，定向激发的整体信号幅度比传统激发方法的大，证明本发明所述方法可以有效提高地下水探测信号幅度。

Claims (3)

1.一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，其特征在于，该方法包括：

采样一组阵列式发射线圈，所述一组阵列式发射线圈采用同样大小的方形线圈按照n行n列的排布方式等间隔铺设在地面，通过调整发射阵列中各线圈电流幅度，控制地下形成交流激发场幅度与方向。具体步骤如下：

A计算阵列式发射线圈中每个方形线圈在空间中产生的磁场；

B根据步骤A求解定向发射场所需阵列线圈电流分布；

C根据步骤B得到的阵列线圈电流分布，通过调节各个方形线圈的电流，控制整个阵列式发射线圈整体上的激发磁场的幅度和方向。

2.按照权利要求1所述的一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，其特征在于，步骤A包括以下步骤：

A1计算单个方形线圈变电流产生磁场：根据毕奥萨伐尔定律计算磁场分布，阵列式发射线圈中，第l个线圈边电流在空间内任意点r形成磁场表示为：

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算方形线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量；

A2计算单个方形线圈整体磁场：将方形线圈整体磁场三分量表示为：

B_xrl＝B_3xrl+B_4xrl＝e_xrl×I_l

B_yrl＝B_1yrl+B_2yrl＝e_yrl×I_l

B_zrl＝B_1zrl+B_2zrl+B_3zrl+B_4zrl＝e_zrl×I_l

式中B_1xrl、B_2xrl、B_3xrl、B_4xrl分别为所计算线圈的4个边电流产生的磁场，I_l是第l个线圈中的电流、e_xrl、e_yrl、e_zrl分别为三分量单位磁场向量。

3.按照权利要求2所述的一种地面磁共振阵列式定向激励探测方法，其特征在于，步骤B包括以下步骤：

B1根据单个方向线圈产生的磁场，计算阵列线圈中各线圈形成磁场与电流关系为：

B＝A·I

A_x，A_y，A_z为向量矩阵，B是满足垂直于地磁场的所需磁场，I为所需的电流向量矩阵，A为参数向量矩阵；

B2根据上述阵列线圈各线圈形成磁场与电流关系，得到电流矩阵为

I＝A^T(AA^T)^-1B when n≥3

A^T是矩阵A的转置矩阵，求解上式，获得形成定向发射场所需阵列线圈电流分布。