CN117233849B - 一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，为一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法，设置脉冲序列；根据设置好的脉冲序列，采用稳态进动序列激发灾害水产生磁共振响应；根据获取的磁共振响应，求解包含脉冲时间、间隔时间、弛豫时间和的全参数Bloch方程，得到横向磁化矢量，其中所述弛豫时间和为根据已有的隧道地质资料简化为先验单值；根据横向磁化矢量建立稳态进动磁共振响应正演模型，并标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系；在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水，本发明方法提高获取隧道磁共振响应的测量效率，并在测量磁共振信号的过程中同步实现灾害水的快速定位。

Description

一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体来讲为一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法。

背景技术

在隧道开凿过程中，需要提前探明掌子面前方赋存的灾害水，以防止突水事故发生。核磁共振技术是一种对地下水非侵入性探测的地球物理方法，并可对孔隙大小分布进行评估，具有直接、定量、解释唯一等优点。因此，将核磁共振探测技术应用在隧道灾害水的空间定位是具有显著优势的；

CN102262247A公开了一种隧道突水超前预测装置及方法。该方法将收发一体多匝矩形或圆形线圈平行布设于掌子面上，控制发射桥路产生激发磁场，并采集核磁共振信号以解释不同深度含水量与孔隙大小分布。但该方法仅限于一维超前探测，只能呈现出掌子面前方含水构造的粗略位置，无法定位隧道灾害水的空间位置；

CN104765072A公开了一种用环形天线旋转进行磁共振超前探测的方法。该方法将环形天线固定在可旋转支架上，采用垂直旋转和水平旋转的测量方式，实现掌子面前方扇形区域内的含水体成像探测。但由于隧道测量数据的信噪比极低，需要重复采集磁共振响应，而该方法使用常规的FID激发序列，因此其测量效率难以提升；

CN111077581A公开了一种隧道灾害水源三维核磁共振超前探测及成像方法。该方法采用一个固定方向的发射线圈和三轴多角度接收天线，可以快速获取隧道全空间内含水构造的核磁共振响应，并反演得到含水体分布。但该方法需要在测量实验获取到磁共振信号后再进行全空间的水文信息解释，数据处理过程繁琐，不能在掌子面测量信号的过程中同步定位灾害水。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法，提高获取隧道磁共振响应的测量效率，并在测量磁共振信号的过程中同步实现灾害水的快速定位，避免复杂的反演解释。

本发明是这样实现的，

设置包含激发时间、间隔时间和发射电流的脉冲序列；

根据设置好的脉冲序列，采用稳态进动序列激发灾害水产生磁共振响应，所述稳态进动序列是在短时间内以相同间隔持续发射多个脉冲，在前一个磁共振响应未完全衰减时就激发新的响应；

根据获取的磁共振响应，求解包含脉冲时间、间隔时间、弛豫时间和/>的全参数Bloch方程，得到横向磁化矢量，其中所述弛豫时间/>和/>为根据已有的隧道地质资料简化为先验单值；

根据横向磁化矢量建立稳态进动磁共振响应正演模型，并标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系；

在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水。

其中，标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系的具体步骤包括：

假设一个发射线圈平行布设在掌子面上，一个灾害水位于隧道前方，接收探头正对水体中心；

根据磁共振响应正演模型仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，并对获取的磁共振响应分别进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值；

找到使该灾害水产生最大响应幅值的脉冲矩，建立该脉冲矩与该含水体所处深度的标定关系；

将灾害水的位置向深处移动，重复仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值，找到产生最大响应幅值的脉冲矩，再建立一组脉冲矩与深度的标定关系；

重复操作，从浅到深地逐层扫描，最终获得多组激发脉冲矩与灾害水深度的标定关系。

在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水，包括：

将圆形多匝线圈平行布设在掌子面上，持续向线圈中通入稳态进动序列的电流脉冲，激发隧道灾害水产生稳态进动磁共振响应；

在电流脉冲发射期间，沿着掌子面测线不断地移动接收探头，接收到不同位置的磁共振响应；

对测量得到的磁共振响应进行傅里叶变换，对比不同位置接收探头所接收的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，并找到可获得最大幅值的探头位置，作为隧道灾害水的横向位置。

进一步地，为了确定灾害水的深度位置，将掌子面上的接收探头固定在灾害水的横向位置处；

改变发射电流大小，分别用从小到大的不同脉冲矩激发灾害水，并接收磁共振响应；

再次对测量得到的磁共振响应进行傅里叶变换，对比不同脉冲矩激发下的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，找到可获得最大响应幅值的脉冲矩；

根据激发脉冲矩与灾害水深度的标定关系，找到该脉冲矩对应的深度，作为隧道灾害水的深度位置。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明方法基于稳态进动序列提高了隧道磁共振响应的获取效率，并在测量磁共振信号过程中同步确定水体空间位置，避免了复杂的反演解释，即可实现灾害水的快速定位。

附图说明

图1是本发明方法提供的基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法流程图；

图2是本发明实施例中的稳态进动激发序列；

图3是采用本发明实施例中方法提供的隧道灾害水快速定位方法示意图，1为灾害水体、2为磁共振线圈、3为移动探头、4为掌子面测线；

图4是本发明实施例中提供的第一个探头位置处接收的磁共振信号；

图5是本发明实施例中提供的磁共振响应的傅里叶变换结果；

图6是本发明实施例中提供的隧道掌子面前方灾害水的定位结果，(a)为移动探头在不同位置处接收的响应幅值，(b)为固定探头位置后不同脉冲矩激发下的响应幅值。

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所示，一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法，该方法包括，

设定稳态进动序列激发灾害水产生磁共振响应；

设置稳态进动脉冲序列，激发时间为30 ms，间隔时间为150 ms，发射电流1 A，参见图2所示；

使探测区域的氢质子快速进入磁化矢量平衡状态，短时间内获取大量稳定的稳态进动磁共振响应，提高测量效率；

根据设置好的脉冲序列，采用稳态进动序列激发灾害水产生磁共振响应，稳态进动序列是在短时间内以相同间隔持续发射多个脉冲，在前一个磁共振响应未完全衰减时就激发新的响应；

根据获取的磁共振响应的数据，求解包含脉冲时间、间隔时间、弛豫时间和/>的全参数Bloch方程，获取横向磁化矢量；

其中，灾害水的弛豫时间和/>可参考已有的隧道地质资料简化为先验单值。本实施例中，参考已有的隧道地质资料，将隧道灾害水的弛豫时间/>设定为500 ms，弛豫时间/>设定为200 ms；

然后，根据横向磁化矢量建立稳态进动磁共振响应正演模型；并标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系；

在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水。

其中，标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系的具体步骤包括：

假设一个圆形线圈作为发射线圈平行布设在掌子面上，边长为10m，匝数为15匝；

一个灾害水位于隧道前方，距离掌子面0.5 m，接收探头正对着该水体的中心，当地的拉莫尔频率为2300Hz；

参见图3所示，是隧道灾害水探测方案示意图；

假设从小到大依次在发射线圈中通入24个不同脉冲矩，最大脉冲矩是0.8As，最小脉冲矩0.004As，脉冲矩大小呈对数分布；

根据磁共振响应正演模型仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，并对这些磁共振响应分别进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值；

仿真的稳态进动磁共振响应表示为 ，T为转置运算；其中， />，为第一个脉冲矩激发下线圈接收的磁共振信号，/>表示第N个采样点的时间，N=1,2,…,n；

找到可使该灾害水产生最大响应幅值的脉冲矩，建立该脉冲矩/>与灾害水深度0.5m的标定关系；

将灾害水的位置向深处移动至距掌子面1m处；

假设再次从小到大依次在发射线圈中通入24个不同脉冲矩，重复仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值，找到产生最大响应幅值的脉冲矩；

找到产生最大响应幅值的脉冲矩，再建立一组脉冲矩/>与深度1m的标定关系；

重复上述操作，从浅到深地逐层扫描，最终获得多组的激发脉冲矩与灾害水深度/>的标定关系；

在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水，包括：

将圆形多匝线圈作为发射线圈2平行布设在掌子面上，边长为10m，匝数为15匝，持续向发射线圈中通入稳态进动序列电流脉冲，脉冲矩大小为0.8 As，激发隧道灾害水1产生稳态进动磁共振响应；

在发射线圈上选取一个水平测线4，设定其中心位置为原点0m处；

为了确定灾害水的横向位置，在电流脉冲发射期间，沿着掌子面测线不断地移动接收探头3，接收到不同位置的稳态进动磁共振响应；

接收到的稳态进动磁共振响应表示为，T为转置运算。其中，/>，为第一个探头位置处接收的磁共振信号，参见图4所示，/>表示第N个采样点的时间，N=1,2,…,n；本实施例中，仪器采样时间为2s，采样率为50000Hz，所以n=100000；

对测量数据进行傅里叶变换，磁共振响应的傅里叶变换结果参见图5所示；

对比不同位置接收探头所接收的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，并找到可获得最大幅值的接收探头位置为测线-2.5m处，则确定隧道灾害水的横向位置为测线-2.5 m处，参见图6(a)所示；

进一步地，为了确定灾害水的深度位置，将掌子面上的接收探头固定在灾害水的横向位置，即测线-2.5 m处；

改变发射电流大小，分别用从小到大的的不同脉冲矩激发灾害水，并接收稳态进动磁共振响应；

再次对得到的测量数据即磁共振响应进行傅里叶变换，对比不同脉冲矩激发下的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，找到可获得最大响应幅值的脉冲矩为编号8，脉冲矩大小=0.2 As；

根据得到的激发脉冲矩与灾害水深度的标定关系，找到该脉冲矩对应的深度为4m，则确定隧道灾害水的深度位置为距离掌子面4 m。

根据上述操作，确定了该隧道灾害水的位置：横向位置为测线-2.5 m处，深度位置为距离掌子面4 m处，参见图6(b)所示

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 (2)

1.一种基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法，其特征在于，该方法包括：

设置包含激发时间、间隔时间和发射电流的脉冲序列；

根据设置好的脉冲序列，采用稳态进动序列激发灾害水产生磁共振响应，所述稳态进动序列是在短时间内以相同间隔持续发射多个脉冲，在前一个磁共振响应未完全衰减时就激发新的响应；

根据获取的磁共振响应，求解包含脉冲时间、间隔时间、弛豫时间 和/>的全参数Bloch方程，得到横向磁化矢量，其中所述弛豫时间/>和/>为根据已有的隧道地质资料简化为先验单值；

根据横向磁化矢量建立稳态进动磁共振响应正演模型，并标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系；

在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水；

所述标定激发脉冲矩与灾害水深度的对应关系，包括：

假设一个发射线圈平行布设在掌子面上，一个灾害水位于隧道前方，接收探头正对水体中心；

根据磁共振响应正演模型仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，并对获取的磁共振响应分别进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值；

找到使该灾害水产生最大响应幅值的脉冲矩，建立该脉冲矩与该灾害水所处深度的标定关系；

将灾害水的位置向深处移动，重复仿真不同大小脉冲矩激发下的稳态进动磁共振响应，进行傅里叶变换得到拉莫尔频率处的幅值，找到产生最大响应幅值的脉冲矩，再建立一组脉冲矩与深度的标定关系；

重复操作，从浅到深地逐层扫描，最终获得多组激发脉冲矩与灾害水深度的标定关系；

所述在隧道中进行磁共振超前探测，依据标定关系快速定位灾害水，包括：

将圆形多匝线圈平行布设在掌子面上，持续向线圈中通入稳态进动序列的电流脉冲，激发隧道灾害水产生稳态进动磁共振响应；

在电流脉冲发射期间，沿着掌子面测线不断地移动接收探头，接收到不同位置的磁共振响应；

对测量得到的磁共振响应进行傅里叶变换，对比不同位置接收探头所接收的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，并找到可获得最大幅值的探头位置，作为隧道灾害水的横向位置。

2.按照权利要求1所述的基于稳态进动序列的磁共振隧道灾害水快速定位方法，其特征在于，

将掌子面上的接收探头固定在灾害水的横向位置处；

改变发射电流大小，分别用从小到大的不同脉冲矩激发灾害水，并接收磁共振响应；

再次对测量得到的磁共振响应进行傅里叶变换，对比不同脉冲矩激发下的磁共振响应在拉莫尔频率处的幅值差异，找到可获得最大响应幅值的脉冲矩；

根据激发脉冲矩与灾害水深度的标定关系，找到该脉冲矩对应的深度，作为隧道灾害水的深度位置。