CN205562832U - 一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，属于勘探地球物理学。煤矿井下电磁干扰多、空间有限、瓦斯爆炸时有发生，这导致了在地面使用的核磁共振(NMR)找水仪移植到井下时，观测不到NMR弱信号，或NMR信号被“淹没”在强干扰中，无法识别。本专利给出了解决该问题的装置。激发NMR信号的是由铜线组成的多匝线圈；接收NMR信号的是由二硼化镁超导线组成的多匝线圈。利用NMR信号趋肤效应，二硼化镁超导材料以薄膜形态附着在铜芯线上。该超导线圈内电阻率和消耗的电功都接近零。可选择“一前一后同轴、共面、中心偶极方式”，实现探测矿井中隐蔽水源、断层、陷落柱等构造的目的。采用小波变换方法，从强干扰中分离出NMR弱信号。

Description

一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置

一.技术领域 本发明涉及到一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，按中华人民共和国国家标准：“学科分类与代码”，本实用新型专利属于地球科学中的“勘探地球物理学(编码：1702065)”，即，应用地球物理(物探，地球物理勘探)。

二.背景技术

相对于其它地球物理勘探方法而言，核磁共振(NucLear Magnetic Resonance，NMR)找水方法是一种直接的找水方法，在生产中有很好的应用前途。核磁共振(NMR)技术是当今世界上的尖端技术(Abragam，1961)，用核磁共振的方法直接探测地下水是该技术应用的新领域，开创了应用地球物理方法直接探测地下水的先河。早在1962年，Varian(1962)就提出了用核磁共振技术探测地下水的构想，并申请了核磁共振技术探测地下水的方法专利，但以后其名下并没有商品化的仪器问世及有关报到。最早利用核磁共振技术进行地下水勘探并研制出可用于探测地下水的仪器的国家是前苏联，从1978年起，苏联科学院西伯利亚分院以Semenov为首的一批科学家在Varian专利的基础上，开始利用核磁共振技术进行探测地下水的研究工作。他们用3年时间研制出了可以探测地下水的原型仪器，并在其后十年的时间里对所研制的原型仪器进行不断的改进，申请了英国、苏联的专利。1994午法国地质调查局购买了俄罗斯核磁共振找水仪专利，法国IRIS公司于1996年生产了核磁共振找水仪。在中国，吉林大学和中国地质大学目前已研制了在地面使用的核磁共振找水仪样机，但是在有干扰的区域，很难取得探测目标的有效数据。目前还在改进之中。目前国内外，还没有在煤矿井下使用的核磁共振找水仪。

由于煤矿井下环境远比地面恶劣，是强磁干扰区，空间狭小，这导致了把目前在地面使用的核磁共振找水仪移植到井下使用时，观测不到核磁共振信号，或核磁共振信号被“淹没”在强干扰中，识别很困难，以至无法识别，所以把地面使用的核磁共振找水仪移植到井下使用时，还有很多工作要做，仪器的很多方面还需改进，以便适应煤矿井下的恶劣环境。煤矿井下相对于地面而言，有其特殊性，具体表现如下：

(1)煤矿井下的空间有限，煤矿井的横截面一般是4米×4米，有的稍为大些或小些，这样，有限的煤矿井空间限制了增大发射线框的面积。地面采用的发射和测量大线圈的直径一般是18～40米，甚至到100米，很显然，不能把地面采用的发射和测量大线圈简单的移植到煤矿井下，只能采用直径大约为3米的多匝小线框。在煤矿井中，采用直径大约为3米的多匝小线框作为激发和接收核磁共振信号的装置，将导致在煤矿井中接收(观测)不到核磁共振信号。其原因是：如附图5右边的信号所示，核磁共振信号是高频电磁波，按照法拉第电磁感应定律其中，Q是通过接收(测量)核磁共振(NMR)信号线圈的磁通量，e是在接收NMR信号线圈中感应出的电动势，是通过接收NMR信号线圈的磁通量的变化率，该值越大，感应出的电动势也越大，也即感应出的NMR信号也越大，也越容易观测到核磁共振信号。接收线圈的直径越大，则通过该接收线圈的NMR信号的变化量也越大，NMR信号强度也越大，也越容易观测到该核磁共振信号；相反，接收NMR信号的线圈直径越小，则感应出的核磁共振信号强度也越小，当小到仪器的接收灵敏度之下，就接收不到核磁共振信号了，这决定了煤矿井中的核磁共振信号是微弱信号，如何检测这种微弱的核磁共振信号，本实用新型专利给出了答案。

(2)在高瓦斯煤矿井中，相对地面而言，激发核磁共振信号的工作电流要小得多。我国煤矿自然灾害比较严重，“水害、火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、顶板塌方(冒顶)、冲击地压”等重大灾害俱全。我国的煤矿井深比较深，有的已达负700米，一半煤矿是高瓦斯矿井。在高瓦斯矿井工作的仪器要具有防爆性，即仪器在井下不能引起火花或不能引爆煤矿井下存在的瓦斯和煤尘，要达到这个目的，减少煤矿井下使用的仪器的工作电流是人们经常使用的方法，但是核磁共振找水仪的工作电流和被探测的水中氢核的集合体在宏观上所表现出的核磁共振信号强度在一定的范围内成正比。目前国内外都是采用降低工作电流来满足防爆性的要求，这(降低工作电流)就导致核磁共振信号强度变小，且成为难检测的弱信号，如何检测这种难检测的微弱核磁共振信号，本实用新型专利给出了答案。

(3)在煤矿井中工作时，各种强干扰无法避开，一般都是在强干扰的环境中观测的。在地面上观测时，可以避开强电磁干扰区，例如，可避开城镇居住区或高压输电线路，但是在煤矿巷道中，煤矿井的横截面一般只有4米×4米的空间，基本无法避开干扰源，只能在强干扰源附近探测。对上述三个问题，本实用新型专利都给出了解决的方案。

三.发明内容

1.发明目的

如背景技术中所讲，我国高瓦斯煤矿井较多，在煤矿井中，巷道狭小、强电磁干扰严重、仪器要具有防爆性，这些因素导致了把目前在地面使用的核磁共振找水仪移植到井下使用时，观测不到核磁共振信号，或核磁共振信号被“淹没”在强干扰中，识别很困难，以至无法识别。为了实现在煤矿井中探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造并提高核磁共振方法在煤矿井中勘探深度的目的，需要把地面使用的核磁共振找水仪移植到井下使用，但是，这种移植还有很多工作要做，仪器的很多方面还需改进，以便适应煤矿井下的恶劣环境，目前，国内外还没有较好的把地面使用的核磁共振找水仪移植到井下使用的技术方案或装置，这里移植的关键问题是：在煤矿狭小的矿井中，核磁共振信号是极其微弱的信号，如何激发与接收这种微弱的核磁共振信号是达到上述目的的关键所在，本实用新型专利给出了一种基于超导技术的在煤矿矿井中激发与接收核磁共振信号的装置，实际生产证明该装置可以达到上述目的。下面是本装置的工作原理(技术方案)和优点(有益效果)。

2.技术方案

2.1技术方案的基本思想

为了达到在煤矿井中探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造并提高核磁共振方法在煤矿井中的勘探深度的目的，本实用新型专利给出的实现上述目的技术方案的基本思想或工作原理如下：

如背景技术中所讲，我国高瓦斯煤矿井较多，在煤矿井中，巷道狭小、强电磁干扰严重、仪器要具有防爆性，这些因素导致了希望通过激发较强的核磁共振信号强度，从而提高核磁共振方法在狭小的煤矿井下的勘探深度的办法是行不通的。剩下的唯一方法是通过增强检测核磁共振微弱信号的能力，从而提高核磁共振方法的勘探深度，进一步达到在煤矿井中探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

在构造方面，基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置是由激发与接收线圈组成；激发核磁共振信号装置中的关键部件是由铜线组成的多匝螺旋管线圈，直径3.5米；接收核磁共振信号装置的关键部件是由二硼化镁超导线组成的多匝螺旋管线圈，直径3米；接收核磁共振信号装置中的关键部件---超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零，正因为接收核磁共振信号装置中的关键部件---超导螺旋管线圈内电阻率接近零，使得核磁共振微弱信号在该超导螺旋管线圈内损失得也很少，从而衰减得也很慢，这样就可探测到晚期的核磁共振微弱信号，从而增强了检测核磁共振微弱信号的能力，提高了勘探深度。当仪器的灵敏度提高到足以检测核磁共振微弱信号的时候，同等强度或更高强度的电磁干扰也被检出，本实用新型专利也给出了从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号的方法-----小波变换方法，做为该装置的配套方法。

在具体探测时，针对不同的探测目的，有三种探测方式可供选择：“一前一后同轴偶极方式”、“共面偶极方式”和“中心偶极方式”；采用“小波变换方法”中的Mallat算法，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号，从而实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。下面是具体的技术方案。

2.2具体的技术方案

(1)概述

目前，在地面核磁共振找水仪中发射(激发)线框和接收线框是同一个线框。在地面检测核磁共振微弱信号的装置是采用多匝的由铜线组成的大线圈，直径一般是18～40米，甚至到100米。由于煤矿井下的巷道空间狭窄，只有4米×4米的空间，在这样狭小的空间内不适合放置在地面上使用的大铜线线圈接收煤矿井下的核磁共振微弱信号。另外，由铜线组成的接收大线圈的重量比较大，在井下携带不方便。从核磁共振找水仪的经济性、实用性、功能性和可靠性考虑，地面核磁共振找水仪的发射(激发)线框和接收线框不能原封不动的、简单的移植到煤矿井下使用，本实用新型专利给出的煤矿井下核磁共振找水仪的发射(激发)线框和接收线框装置在构造方面是这样的：

发射(激发)线框和接收线框分别是不同材质的两个线框，激发线框如同地面的激发线框是由多匝铜线组成的螺旋管线圈，在铜线上适合流动大电流，满足仅可能有较大的激发电流流动的需求，以便激发出较大强度的核磁共振信号，制作简单，但是，相对地面而言，这样的发射(激发)线框激发的核磁共振信号将是很微弱的信号，这就要求接收核磁共振信号的装置在构造方面必须是一个全新的装置。本实用新型专利给出的这个全新的接收核磁共振信号的装置是采用超导技术，该装置的接收线框是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，该超导螺旋管线圈的内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零。正因为接收装置的超导螺旋管线圈内电阻率接近零且消耗的电功率也接近零，使得核磁共振微弱信号在该超导螺旋管线圈内损失得也很少，从而衰减得也很慢，这样可探测到晚期的核磁共振微弱信号，从而提高勘探深度。采用“小波变换方法”，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号。

概括的说，本实用新型专利是发明并公布一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：在构造方面，该装置由激发与接收线圈组成；激发核磁共振信号的装置是由铜线组成的多匝螺旋管线圈，直径3.5米；接收核磁共振信号的装置是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，直径3米，该超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零；在具体探测时，针对探测对象的不同，有三种探测方式可供选择：“一前一后同轴偶极方式”、“共面偶极方式”和“中心偶极方式”，从而实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。该超导接收线圈在检测到微弱的核磁共振信号的同时，也检测到同样级别的其它干扰信号。本实用新型专利也给出了从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号的方法，做为该装置的配套方法。下面是这些内容的详细描述和原理的解释。

(2)接收装置

接收核磁共振信号的装置是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，所以，其内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零，这使得核磁共振微弱信号在该超导螺旋管线圈内损失得也很少，衰减得也很慢，从而增强了检测核磁共振微弱信号的能力，提高了核磁共振方法在煤矿井中的勘探深度。

如背景技术中所讲，核磁共振信号是微弱的小信号，是微伏级的。核磁共振信号源的深度越大，传播到探测仪器处的核磁共振信号强度也越微弱。核磁共振方法的勘探深度与激发脉冲矩及天线的大小密切相关，在一定大小的天线情况下，合适的激发脉冲矩可以使得勘探深度达到理想的深度，但是，激发脉冲矩过大将使仪器设计出现困难。增大激发脉冲矩的可能方法有三种，第一种是增大发射线框；第二种是增大发射电流；第三种是增大发射线框的匝数。这三种增大激发脉冲矩的方法在煤矿井下都十分困难，几乎行不通。第一种增大发射线框的方法受到煤矿井尺寸的限制，煤矿井的横截面一般是4米×4米，有的稍为大些或小些，这样，在有限的煤矿井中增大发射线框的面积受到了限制；第二种增大发射电流可能会引爆煤矿井下存在的瓦斯和煤尘，使仪器不具有防爆性；第三种增大发射线框的匝数会增加测量系统的重量，使探测仪器的重量增大，这使仪器不便在井下携带。这样，通过激发较强的核磁共振信号强度，从而提高核磁共振方法在狭小的煤矿井下的勘探深度的办法是行不通的。剩下的唯一方法是通过增强检测核磁共振微弱信号的能力，从而提高核磁共振方法的勘探深度。

如何通过增强检测核磁共振微弱信号的能力，提高核磁共振方法的勘探深度，进一步把地面核磁共振方法移植到煤矿井下，使其能够适应煤矿井下的强磁干扰和空间狭小的探测环境呢？目前还没有较好的方法、装置或设备，为了解决这个问题，本实用新型专利给出了一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号的接收装置。

接收核磁共振微弱信号的接收装置在构造方面的特征是：接收装置的核心部件是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈；由于二硼化镁超导线比较昂贵，但其拉力不强，所以，二硼化镁超导线本身被制作为空心的，而非实心，但是该空心部分被铜芯线替代，即，二硼化镁超导材料以薄膜状的形态附着在铜芯线上，这是为了减小制造成本，同时使超导线有一定拉力，利用了核磁共振信号是高频电磁波并具有“趋肤效应”现象，这种“趋肤效应”使高频核磁共振信号大部分在二硼化镁超导材料组成的薄膜上流动，很少在铜芯上流动。接收核磁共振微弱信号的超导螺旋管线圈的外形直径是3米。这样，因为接收核磁共振信号的装置是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，所以，其内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零，使得核磁共振微弱信号在超导接收线圈内损失得也很少，从而衰减得也很慢，这样可探测到晚期的核磁共振微弱信号，从而增强了检测核磁共振微弱信号的能力，提高了核磁共振方法的勘探深度。

接收核磁共振信号的装置是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，该接收装置在组成、产品形状和构造方面有以下5个特点：

(1)超导接收线圈是由二硼化镁超导线组成。二硼化镁(MgB₂)是迄今发现的临界温度最高的二元金属间化合物超导体，它具有合成工艺简单、原料成本低廉、常态下电阻率低，还具有各向异性小、相干长度大、无弱连接等特点，是廉价、实用的新型超导材料。目前，二硼化镁(MgB₂)成料制备技术主要有三种工艺方法：①粉末填管法；②B纤维Mg扩散法；③化学气相沉积法。相对其它超导材料而言，这种超导线的最主要的特点是价格低廉，在市场上有商品化的产品。

(2)二硼化镁超导线本身是空心的，而非实心，但是该空心部分被铜芯线替代，即，二硼化镁超导材料以薄膜状的形态附着在铜芯线上，这是为了减小制造成本(超导材料价格昂贵)，同时使超导线有一定拉力，利用了核磁共振信号是高频电磁波并具有“趋肤效应”现象，这种“趋肤效应”使得高频核磁共振信号的大部分在二硼化镁超导材料组成的薄膜上流动，很少在铜芯上流动。如附图4右边的核磁共振信号(10)所示，核磁共振信号是高频电磁波，具有“趋肤效应”现象。这种“趋肤效应”现象使高频电磁波在导线的表面传播，电磁波的频率越高，则电磁波更加趋向于导线表面，在导线的中心，则有很少的电磁波传播。这样去掉超导材料导线的中心部分，做成空心的超导材料导线，不会影响(或影响很小)电磁波在空心导线中的传播。但是该空心部分被铜芯线替代，即，二硼化镁超导材料以薄膜状的形态附着在铜芯线上，使该薄膜状的超导材料有一定的拉力，以便于在煤矿井下携带。

(3)该超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗的电功率也接近零。正因为超导螺旋管线圈内电阻率接近零且消耗的电功率也接近零，使得核磁共振微弱信号在该超导接收线圈内损失得也很少，从而衰减得也很慢，这样可探测到晚期的核磁共振微弱信号，从而提高勘探深度。一般情况下，在地面上，用普通的非超导多匝大回线线圈做为接收核磁共振微弱信号的传感器，这样的传感器频带窄，自身的过度过程也很大，丢失了很多早延时的信息。由超导体组成的接收线圈的频带很宽，它可获得较可靠的早、晚延时信号。根据核磁共振理论，在一次场激发下，地下良导体(例如，水)引起的二次场------核磁共振微弱信号衰减得比较慢，变化率较小，用感应线圈测量的电动势信号也比较弱，但晚延时仍存在较强的核磁共振信号响应，用超导体组成的接收线圈可获得较可靠的晚延时核磁共振信号响应，因此，用超导体组成的接收线圈能够提高核磁共振的早、晚期信号的信噪比，可增大勘探深度。

(4)用超导体组成的接收线圈频带宽、低频响应好，测量信号的信噪比高。感应线圈的灵敏度随频率的变化而变化。从直流到系统截止频率范围内，用超导体组成的接收线圈的灵敏度为固定值，低频信号的信噪比高是超导体接收线圈的突出特点，核磁共振探水仪接收二次场------核磁共振信号的时间窗口范围一般为10^-5～10²秒，所接收的核磁共振信号有丰富的低频信号，因此，使用超导体接收线圈做传感器能够提高测量信号的信噪比。

(5)该超导螺旋管线圈是圆形的，其直径是3米。线圈的直径太小，将导致核磁共振信号在该超导线圈中的感应电流过小，以致于接收不到距离较远的核磁共振信号，使信噪比降低。如果这种超导螺旋管线圈的直径过大，虽然对核磁共振信号的放大作用也较大，但不适合在空间狭小的煤巷道(4米×4米)使用，因为煤巷道的尺寸限制了超导螺旋管线圈的直径。经过在煤矿井下多方试验、数值摸拟计算(限于篇幅，具体的计算过程在此省略)、比较，最后，确认该超导螺旋管线圈是圆形的且其直径为3米是最佳选择。

(3)发射(激发)装置与接收装置的不同组合。

发射(激发)装置与接收装置的不同组合，可以达到不同的探测效果。下面是本专利给出的在煤矿井中发射(激发)装置与接收装置的3种不同组合系统，从而可以达到不同的探测效果。

①.如附图1所示，附图1提供了一种适合探测煤矿巷道掘进面(6)前面、底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的组合系统。以探测煤矿巷道掘进面(6)前面隐蔽的水源为例，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导装置(4)靠近掘进面(6)，在其后面7米处，布置由多匝铜线组成激发线框(3)，两线框的中心线在一条直线上，本专利暂时称为“一前一后同轴偶极方式”，从而实现超前探查煤矿巷道掘进面前面、底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

②.如附图2所示，附图1提供了一种适合探测煤矿巷道侧帮、顶板或底板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的装置，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导装置(3)和由多匝铜线组成激发线框(2)在同一平面(1)内，即，在煤矿巷道的侧帮平面(1)、顶板或底板内，两线框的中心不在一条直线上，本专利暂时称为“共面偶极方式”，从而实现超前探查煤矿巷道侧帮、顶板或底板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

③.如附图3所示，附图3提供了一种适合探测煤矿巷道掘进面(1)前面、底板、顶板、侧帮(1)中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的装置，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导装置(3)和由多匝铜线组成激发线框(2)在同一平面(1)内，即，在煤矿巷道的掘进面平面内、底板、顶板、侧帮平面(1)内，两线框的中心在一个点上，本专利暂时称为“中心偶极方式”，从而实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

(4)从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据(信号)中，分离提取出核磁共振微弱信号。

该超导接收装置在检测到微弱的核磁共振信号的同时，也检测到同样级别的其它干扰信号。本实用新型专利也给出了从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号的方法，做为该装置的配套方法。

通过在煤矿巷道中的实际观测，发现在煤矿巷道的干扰信号有自然电场干扰、大地电流场干扰、各种游散电流场干扰和电磁感应场干扰等。按其成因又可分为天然干扰场和人工干扰场。天然干扰场主要由大地电流场干扰、电离层波动干扰、雷电活动干扰等因素所引起。人工干扰场主要由工农业生产中各种电机、电磁感应等产生的游散电流所引起。其中，天然干扰场变化速度慢，有规律性，可以用补偿、选择工作时段等方法加以克服；真正影响较大且难以克服的是人工干扰场。人工干扰场具有多源性、随机性、位置不确定、多源叠加、变化速度快、强度大、规律难寻等特点，对本实用新型专利先期实测的干扰曲线信号(见附图5)，进行付里叶变换后，可以得到该曲线的功率谱图，从该功率谱图，可以分析得出结论：干扰场主要有三种类型：低频、中频和高频(见附图6)。另外，也要消除50Hz工业干扰信号。

在地面上为了消除干扰，经常采用“8”字形激发或接收线圈，如附图7所示。“8”字形激发接收线圈铺设方向与主要干扰源走向一致，特别是电力线的干扰，线圈铺设方向与电力线的走向一致。该法降噪(消除干扰)的原理是基于对消的原理。其消除干扰的原理如下：

当线状的干扰源(1)，例如电力线产生一个电磁场，假如接收线圈是一个大的同心圆状的线圈，由“8”字形线圈的左边的线圈(2)和右边的线圈(5)展开组成一个大圆，而不是“8”字形线圈，这时在大的同心圆状的线圈中感应出一个大的顺时针流动的电流，同时，把这个大的同心圆状的线圈“扭曲”一下，变成“8”字形状，其余的不变，在这个“8”字形状的左边线圈(2)中感应出一个顺时针流动的电流，同样，在这个“8”字形状的右边线圈(5)中也感应出一个顺时针流动的电流，但是，当这两个顺时针流动的电流在“8”字形线圈的“交汇”处，电流的流动方向是相反的，从而互相抵消。由此可见，该“8”字形线圈左右对称性越好，对于噪声的抑制也就越好。但是，一般情况下，8”字形激发线圈(天线)可使噪声(干扰)减少1/10倍，但是，同时也使勘探深度大幅下降，勘探深度减少一半(Trushkin etal，1994)。由于煤矿井空间狭小，这种在地面使用的“8”字形减少干扰(降噪)线圈在煤矿井中并不适用。

本实用新型专利也研制了从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号的方法。该方法就是采用“小波变换方法”中的Mallat算法。其原理如下：

如上所述，干扰场主要有三种类型：低频、中频和高频。当核磁共振信号受到随机干扰影响时，由于随机干扰是无序的、不相关的------在统计学中，它具有一定的规律，一般认为其均值是在零点附近。

小波变换(WT，Wavelet Transform)是上世纪80年代发展起来的应用数学分支，它是一种新型的信号分析工具，被誉为数学上的显微镜，它具有多分辨率、难检测的品质因数恒定，在时、频两域都能表征信号局部特征的能力。小波变换理论是继1822年法国人傅立叶提出傅立叶变换(Fourier)之后又一里程碑式的发展，解决了很多傅立叶变换不能解决的问题。小波变换可以看作是傅立叶变换的发展，即，它是空间(时间)和频率的局部变换。近年来，小波变换应用领域越来越广，可以用于边界的处理与滤波、时频分析、信噪分离与提取弱信号、信号的识别与诊断以及多尺度边缘检测等。

小波变换的定义是把某一被称为基本小波(也叫母小波mother wavelet)的函数ψ(t)作位移τ，再在不同尺度α下与待分析信号系统f(x)作内积：

其中，符号<x，y>代表内积，它的含义(上标^*代表共轭)。即：

<f(t)，y(t)>＝∫f(t)y^*(t)dt

小波变换在频域的等效表示如下：

式中F(ω)，Ψ(ω)分别是f(x)，ψ(x)的Fourier变换。

二进小波变换。对于尺度及位移均离散变化的小波序列，若取离散栅格的α₀＝2，Δτ＝0，即相当于连续小波只在尺度上进行了二进制离散，而位移仍取连续变化，这类小波称为二进小波，其表示为：

二进小波介于连续小波和离散小波之间，它只是对尺度参量进行了离散化，而在时间域上的平移量仍保持连续变化，因此二进小波变换仍具有连续小波变换的时移共变性，这是它较之离散小波变换所具有连续的独特优点。

多分辨分析与Malat算法。多分辨率分析(Multi-resolution Analysis，MRA)，又称为多尺度分析是建立在函数空间概念上的理论，但其思想的形成来源于工程。其思想与多采样率滤波器不谋而合，使小波变换同数字滤波器的理论结合起来。1989年，Mallat提出了多分辨率分析的概念，将在那时之前的所有正交小波的构造统一起来，为此后的构造设定了框架。同时，在这一框架下，他给出了信号分解为不同频道的算法及重构算法，即Mallat算法。该算法是实现小波变换的快速算法。Mallat算法在小波分析中的地位相当于FFT在经典Fourier分析中的地位。

对于数字信号f(x)进行二进小波变换，其数字滤波器表示形式(Mallat算法)为：

只要知道滤波器的系数h_k和g_k的值，就可以计算出小波变换的结果。

利用Mallat算法，就能从核磁共振仪的实测数据中，即，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号。利用Mallat算法，把核磁共振仪的实测数据(曲线，信号)分解成不同频段的信号，高频部分(噪声部分)主要集中在了S＝2¹和S＝2²尺度上，低频部分主要集中在了S＝2⁵或S＝2⁶尺度上。

本专利应用小波变换中的Mallat算法，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取核磁共振微弱信号的效果如附图8所示。在附图8中，(1)曲线是本专利研发的装置实际观测到的实测信号，即，干扰信号和核磁共振微弱信号的叠加混合信号，也称为原始实测信号；图中(1)曲线中的(8)信号就是用本专利装置接收到的核磁共振(NMR)信号。如附图8所示，采用“Malla算法”，对本专利装置实际观测到的实测信号，即，干扰信号和核磁共振微弱信号的叠加混合信号(原始实测信号)(1)曲线进行6级分解，得到6级分解曲线(信号)(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，其中第4级分解曲线(5)中的具有较大极值的(8)信号就是用小波变换方法提取出的核磁共振信号。

3.有益效果

本实用新型专利的有益效果是能够通过增强检测核磁共振微弱信号的能力，提高核磁共振找水仪的勘探深度，使地面核磁共振方法能够适应煤矿井下的强磁干扰和空间狭小的探测环境，进一步达到在煤矿井中探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。该装置能够测量煤矿井下微弱的核磁共振信号，频带宽、低频响应好、测量信号的信噪比高，也能够从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取核磁共振微弱信号。

在矿井下，本实用新型专利装置可以将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探测工作面、侧帮内一定范围内含水低阻异常体的发育规律；当线圈面平行于巷道顶板或底板，可探测顶板、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律、小断层、陷落柱等其它地质构造体的分布规律。

四.附图说明

附图1，一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置的一种组合系统------“一前一后同轴偶极方式”示意图。

以探测煤矿巷道掘进面(6)前面隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造为例，在附图1中，(1)是巷道左侧帮；(2)是巷道右侧帮；(3)是激发装置，或称为发射线圈(由多匝铜线组成)，直径3.5米；(4)是接收装置，或称为接收线圈(由超导材料二硼化镁MgB₂组成超导线)，直径3米；(5)是探测方向；(6)是巷道掘进头(即，掘进面，或称为迎头)。

附图1是一种适合探测煤矿巷道掘进面(6)前面、底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的装置，以探测煤矿巷道掘进面(6)前面隐蔽的水源为例，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈靠近掘进面(6)，在其后面7米处，布置由多匝铜线组成的激发线框(3)，两线框的中心线在一条直线上，本专利暂时称为“一前一后同轴偶极方式”。

实现超前探查煤矿巷道底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的方法与此类似，不再赘述。

附图2，一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置的一种组合系统------“共面偶极方式”示意图。

以实现探测煤矿巷道侧帮内隐蔽的水源为例，在附图2中，(1)是巷道侧帮(左侧帮或右侧帮)；(2)是激发装置，或称为发射(激发)线圈(由多匝铜线组成)，直径3.5米；(3)是接收装置，或称为接收线圈(由超导材料二硼化镁MgB₂组成超导线)，直径3米；(4)发射线圈中心与接收线圈中心之间的距离，一般是10米。

附图2是一种适合探测煤矿巷道侧帮、顶板或底板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的装置，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈(3)和由多匝铜线组成的激发线框(2)在同一平面(1)内，即，在煤矿巷道的侧帮、顶板或底板平面(1)内，两线框的中心不在一条直线上，本专利暂时称为“共面偶极方式”。

实现探测煤矿巷道顶板或底板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的方法与此类似，不再赘述。

附图3，一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置的一种组合系统------“中心偶极方式”示意图。

在附图3中，(1)是巷道侧帮(左侧帮或右侧帮)、或底板、或顶板、或是巷道掘进头；(2)是激发装置，或称为发射(激发)线圈(由多匝铜线组成)，直径3.5米；(3)是接收装置，或称为接收线圈(由超导材料二硼化镁MgB₂组成超导线)，直径3米。

附图3是一种适合探测煤矿巷道掘进面(1)前面、底板、顶板、或侧帮(1)中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的装置，在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈(3)和由多匝铜线组成激发线框(2)在同一平面(1)内，即，在煤矿巷道的掘进面(1)前面、或底板、或顶板、或侧帮(1)内，两线框的中心在一个点上，本专利暂时称为“中心偶极方式”。

附图4，核磁共振(NM)信号示意图。

在附图4中，左边的信号(9)为激发核磁共振信号的交变电流脉冲信号；右边的信号(10)为核磁共振信号的自由感应衰减信号；(11)是脉冲间歇时间/毫秒(ms)。

附图5，本实用新型专利在煤矿井中的先期实测的干扰曲线图。

附图6，附图5的功率谱图。

对附图5进行付里叶变换后，可以得到该曲线的功率谱图，从该功率谱图中，可以看出干扰场主要有三种类型：低频、中频和高频。

附图7，“8”字形线圈消除干扰示意图。

在附图7中，(1)是线状的干扰源，例如电力线；(2)是“8”字形线圈的左边线圈；(5)是“8”字形线圈的右边线圈；(3)是左边线圈与右边线圈的“交汇”处，在该“交汇”处并不是4个接头都是连通的，只有左、右的2个接头是分别连通的，形成2条通路。(4) 是感应出来的电流方向。

“8”字形线圈降噪(消除干扰)的原理是基于对消的原理。其消除干扰的原理如下；

当线状的干扰源(1)，例如电力线产生一个电磁场，假如接收(或激发)线圈是一个大的同心圆状的线圈，由“8”字形线圈的左边的线圈(2)和右边的线圈(5)展开组成一个大圆，而不是“8”字形线圈，这时在大的同心圆状的线圈中感应出一个大的顺时针流动的电流，同时，把这个大的同心圆状的线圈“扭曲”一下，变成“8”字形状，其余的不变，在这个“8”字形状的左边线圈(2)中感应出一个顺时针流动的电流，同样，在这个“8”字形状的右边线圈(5)中也感应出一个顺时针流动的电流，但是，当这两个顺时针流动的电流在“8”字形线圈的“交汇”处，电流的流动方向是相反的，从而互相抵消。由此可见，该“8”字形线圈左右对称性越好，对于噪声的抑制也就越好。但是，一般情况下，8”字形激发线圈(天线)可使噪声(干扰)减少1/10倍，但是，同时也使勘探深度大幅下降，勘探深度减少一半(Trushkinetal，1994)。由于煤矿井空间狭小，这种在地面使用的“8”字形减少干扰(降噪)线圈在煤矿井中并不适用。

附图8，利用小波变换方法中的Mallat算法，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号的效果图。

在附图8中，(1)曲线是本专利装置实际观测到的实测信号，即，干扰信号和核磁共振微弱信号的叠加混合信号，原始实测信号；图8中(1)曲线中的(8)信号就是用本专利装置接收到的核磁共振信号。(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)曲线依次是第1、2、3、4、5、6级分解曲线，其中第4级分解曲线(5)中的具有较大极值的(8)信号就是用小波变换方法提取出的核磁共振信号。

如附图8所示，采用“Mallat算法”，对本专利装置实际观测到的实测信号，即，干扰信号和核磁共振微弱信号的叠加混合信号(原始实测信号)(1)曲线进行6级分解，得到6级分解曲线(信号)(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，其中第4级分解曲线(5)中的具有较大极值的(8)信号就是用小波变换方法提取出的核磁共振信号。

五.具体实施方式

为了达到通过增强检测核磁共振微弱信号的能力，提高核磁共振方法的勘探深度，使地面核磁共振方法能够适应煤矿井下的强磁干扰和空间狭小的探测环境，进一步达到在煤矿井中探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的，本实用新型专利给出的基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置的具体实施方式如下：

一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，在构造方面的特征是该装置由激发与接收线圈组成；激发核磁共振信号装置中的关键部件是由铜线组成的多匝螺旋管线圈，直径3.5米；接收核磁共振信号装置的关键部件是由二硼化镁超导线组成的多匝螺旋管线圈，直径3米；接收核磁共振信号装置中的关键部件---超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗的电功也接近零；在具体探测时，有三种探测方式可供选择：“一前一后同轴偶极方式”、“共面偶极方式”和“中心偶极方式”。

接收核磁共振信号的装置是由二硼化镁超导线组成的超导螺旋管线圈，二硼化镁超导线本身是空心的，而非实心，但是该空心部分被铜芯线替代，即，二硼化镁超导材料以薄膜状的形态附着在铜芯线上。利用了核磁共振信号是高频电磁波并具有“趋肤效应”现象，高频核磁共振信号的大部分在二硼化镁超导材料组成的薄膜上流动，很少在铜芯上流动。

在具体探测时，针对不同的探测目的，有三种探测方式可供选择：“一前一后同轴偶极方式”、“共面偶极方式”和“中心偶极方式”，从而实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

在矿井下，利用本实用新型专利装置可以将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内(侧帮)一定范围内含水低阻异常体的发育规律；当线圈面平行于顶板、底板，可探测顶板、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。

(1)“一前一后同轴偶极方式”在构造方面的特点是：接收装置，即，接收核磁共振信号的超导线圈靠近掘进面，在其后面7米处，布置激发装置，即，由多匝铜线组成的激发线框，两线框的中心线在一条直线上，实现超前探查煤矿巷道掘进面前面、底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

(2)“共面偶极方式”在构造方面的特点是：接收装置，即，接收核磁共振信号的超导线圈和激发装置，即，由多匝铜线组成的激发线框在同一平面内，即，在煤矿巷道的侧帮平面内，两线框的中心不在一条直线上，实现探测煤矿巷道侧帮、工作面、底板或顶板内隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

(3)“中心偶极方式”在构造方面的特点是：接收装置，即，接收核磁共振信号的超导线圈和激发装置，即，由多匝铜线组成的激发线框在同一平面内，即，在煤矿巷道的掘进面平面内或侧帮平面内，两线框的中心在一个点上，实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源、小断层、陷落柱等地质构造的目的。

(4)采用“小波变换方法”中的Mallat算法，从含有众多煤矿巷道干扰信号的真实的实时实测数据中，分离提取出核磁共振微弱信号。如附图8所述，采用“Mallat算法”，对本专利装置实际观测到的实测信号，即，干扰信号和核磁共振微弱信号的叠加混合信号(原始实测信号)(1)曲线进行6级分解，得到6级分解曲线(信号)(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，其中第4级分解曲线(5)中的具有较大极值的(8)信号就是用小波变换方法中的“Mallat算法”提取出的核磁共振信号。

Claims (5)

1.一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：在构造方面，该装置由激发与接收线圈组成；激发核磁共振信号装置中的关键部件是由铜线组成的多匝螺旋管线圈，直径3.5米；接收核磁共振信号装置的关键部件是由二硼化镁超导线组成的多匝螺旋管线圈，直径3米；接收核磁共振信号装置中的关键部件---超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗的电功也接近零；在具体探测时，有三种探测方式可供选择：“一前一后同轴偶极方式”、“共面偶极方式”和“中心偶极方式”。

2.根据权利要求1所述的一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：接收核磁共振信号装置的关键部件是由二硼化镁超导线组成的多匝螺旋管线圈，二硼化镁超导线本身是空心的，而非实心，但是该空心部分被铜芯线替代，即，二硼化镁超导材料以薄膜状的形态附着在铜芯线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：“一前一后同轴偶极方式”在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈靠近掘进面，在其后面7米处，布置由多匝铜线组成的激发线框，两线框的中心线在一条直线上，实现超前探查煤矿巷道掘进面前面、底板或顶板内隐蔽的水源或地质构造的目的。

4.根据权利要求1所述的一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：“共面偶极方式”在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈和由多匝铜线组成激发线框在同一平面内，即，在煤矿巷道的侧帮平面内，两线框的中心不在一条直线上，实现探测煤矿巷道侧帮、工作面、底板或顶板内隐蔽的水源或地质构造的目的。

5.根据权利要求1所述的一种基于超导技术的矿井中核磁共振信号激发与接收装置，其特征是：“中心偶极方式”在构造方面的特点是：接收核磁共振信号的超导线圈和由多匝铜线组成激发线框在同一平面内，即，在煤矿巷道的掘进面平面内或侧帮平面内，两线框的中心在一个点上，实现探测煤矿巷道掘进面前面、底板、顶板内、侧帮、工作面中隐蔽的水源或地质构造的目的。