一種核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器及工作方法與流程

2023-08-05 01:45:36 2

本發明涉及一種核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器及工作方法。

背景技術：

隨著「一帶一路」戰略的提出與進一步的實施部署，我國將在鐵路與公路交通、水利水電、能源礦山、市政工程以及其他領域修建大量的隧道工程。隨著在地形與地質條件複雜的山區和巖溶地區中修建的深長隧道工程大量湧現，隧道中的突水突泥災害表現出了「大埋深，強巖溶，高水壓，大流量」的特點。在隧道突水突泥超前預報中如何直接、準確而且定量地識別隧道掌子面前方災害地質體的水量與賦存信息對於後續注漿封堵等治理工作有著重要的指導意義。其中，直接地定量預報掌子面前方災害水源的水量問題是隧道突水突泥超前預報中亟需解決的難題。

目前，結合超前鑽探、掌子面地質素描、地表踏勘並利用綜合地球物理的探測與解釋方法已成為隧道突水突泥超前預報的普遍思路。在眾多勘察地球物理方法中，核磁共振探測是唯一能夠直接確定含水體的空間分布、含水量與地層孔隙度等信息的地球物理方法。核磁共振探測利用不接地的回線向地下發射與水中氫質子共振相同頻率(拉莫爾頻率)的射頻電磁波激發並獲得地下水核磁共振響應信號。在隧道中應用核磁共振探測技術進行直接探水能夠直接得到掌子面前方一定範圍內圍巖的含水率和孔隙度信息，從而實現對掌子面前突水突泥災害源的定性識別與定量預報。除核磁共振探測外，與其同屬電磁感應類電磁法的瞬變電磁法亦可通過不接地的回線向掌子面前方發射電流脈衝；根據接收到的二次場衰減電壓確定地下介質的電性分布結構與地下良導體的空間形態。由於核磁共振的反演與資料解釋對於地下電性結構分布信息具有依賴性，近年來，利用瞬變電磁法獲得合理電性模型並指導核磁共振反演的聯合解釋技術得到了廣泛的關注。綜合兩者特點與優勢，在隧道中開展核磁共振與瞬變電磁聯合解釋技術的研究與應用為解決隧道突水突泥災害超前預報提供了有效辦法。

目前，應用綜合地球物理聯合解釋技術在隧道突水突泥超前預報中缺乏專門的聯用儀器裝置。核磁共振探測與瞬變電磁法的聯合解釋技術需要分別使用兩種不同的儀器進行數據的觀測與採集。具體來說，存在以下問題：

其一，發射波形種類不同。核磁共振探測所用的激發脈衝為單頻正弦脈衝，屬於頻域波形。瞬變電磁法所用的發射脈衝有雙極性矩形波、雙極性半正弦波以及雙極性梯形波等時域波形。完成兩種方法的激發脈衝的發射需要兩套發射模塊或裝置。

其二，信號接收方式不同。核磁共振探測屬於頻域感應電磁法，理論上的響應信號為單頻的電磁衰減信號。對於單頻衰減信號的接收與調理通常採用正交鎖定放大技術，核磁共振響應信號夾帶著空間中的寬頻帶電磁噪聲經過正交鎖定放大後為一窄帶信號。瞬變電磁法屬於時域感應電磁法，接收到的二次場的衰減電壓信號具有豐富的諧波分量。對這樣的寬頻帶電磁信號的接收與調理通常採用一定通帶的帶通濾波並進行多次疊加，而不能使用正交鎖定放大電路。

其三，基於傳統核磁共振探測與瞬變電磁法的波形發射與響應接收方式，聯用儀器裝置要採用分布式的實現方式。在實現過程中，一套儀器中內置兩個分立的模塊各自負責核磁共振與瞬變電磁的發射與接收，儀器系統複雜。

其四，由於傳統核磁共振使用單頻正弦脈衝激發地下含水體的核磁共振響應，儀器發射機需要體積龐大的諧振電容模塊；從而儀器體積與重量大大增加，不利於在施工環境複雜的隧道中突水突泥超前預報工作的開展。

綜上所述，為克服現有技術的不足，發明了一種應用於隧道突水突泥超前預報的核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器。通過一套裝置實現了核磁共振與瞬變電磁兩種方法的激發脈衝發射與響應信號的接收。從而能夠為核磁共振與瞬變電磁聯合解釋提供了新的硬體支持，更好地解決突水突泥災害水源的定量識別與預報問題。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器及工作方法，本發明用於施工隧道中開展突水突泥超前預報，能夠通過一套裝置實現核磁共振與瞬變電磁兩種方法的激發脈衝發射與響應信號的接收。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器，包括主機、發射線圈、接收探頭以及上位機系統，主機包括輸出核磁共振激發脈衝和瞬變電磁激發脈衝的發射模塊，採集核磁共振與瞬變電磁兩種響應信號的接收模塊，實現上位機系統與主機控制模塊之間的指令與數據交互的通信模塊，控制接收模塊、發射模塊和通信模塊的控制模塊，以及進行供電的電源模塊；

所述發射模塊向發射線圈提供脈衝輸出，所述接收模塊對接收探頭採集的信號進行前置濾波放大處理，並將處理後的信號傳輸給控制模塊，實現核磁共振與瞬變電磁激發脈衝的發射與響應信號的接收。

所述發射線圈包括線圈支架和發射導線，線圈支架上設置有發射線圈，發射模塊接收上位機的發射命令，控制發射線圈發射瞬變電磁激發脈衝和核磁共振激發脈衝。

所述線圈支架外部輪廓為正方形，支架內部為米字型結構，支架上設置有九個用於固定接收探頭的探頭固定孔，探頭固定孔均勻分布在米字型結構支架上，能夠進行多探頭陣列式接收。

所發射的核磁共振激發脈衝是拉莫爾頻率下的雙極性周期方波脈衝；所發射的瞬變電磁激發脈衝是佔空比可調的雙極性矩形波脈衝。

所述發射電路包括橋式IGBT發射電路，每個IGBT反接並聯有二級管。

所述發射導線上設置有分段接頭，通過改變發射導線的長度發射線圈的匝數進行靈活調整。

所述主機的控制模塊包括主機MCU、時鐘電路以及自檢電路，其中，所述時鐘電路為主機MCU提供工作所需的時鐘頻率，自檢電路實現系統的開機自檢，並將自檢的結果上傳到上位機。

一種基於上述儀器的工作方法，包括以下步驟：

(1)使用方波核磁共振激發脈衝激發水中的核磁共振響應：根據測量的地磁場磁感應強度計算發射脈衝的發射頻率，使用方波核磁共振激發脈衝激發水中的核磁共振響應，發射模塊中的觸發電路根據所接收到的發射序列控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷；

(2)隧道突水突泥核磁共振響應信號採集與提取：脈衝關斷後控制模塊中向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令，對所採集的核磁共振響應信號進行初步濾波，採集信號輸入到接收模塊的模數轉換電路完成信號的數位化；

(3)隧道突水突泥瞬變電磁響應信號採集與提取：瞬變電磁發採用佔空比可調的雙極性矩形波脈衝激發，正向或反向激發脈衝關斷後，控制模塊向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令，對所採集的核磁共振響應信號進行濾波，進行處理。

所述步驟(1)中，發射頻率為拉莫爾頻率的雙極性周期方波脈衝對隧道掌子面前方水體中的氫質子進行核磁共振激發。

所述步驟(1)中，控制模塊根據所計算的發射頻率生成一個發射序列並將其發送給發射模塊，發射模塊中的觸發電路根據所接收到的發射序列控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷。

所述步驟(1)中，方波脈衝頻率是測區內水中氫質子的拉莫爾頻率，脈衝形態是雙極性的周期方波脈衝，脈衝的頻譜僅存在基波分量與奇次諧波分量。

所述步驟(2)中，控制模塊對信號進行濾波處理提取出窄帶的核磁共振響應信號的包絡信號，響應信號通過通信模塊上傳至上位機系統儲存並記錄。

本發明的有益效果為：

(1)本發明在設計時放棄了傳統的單頻正弦波激發方式，從而省去了體積龐大的諧振電路，所發射的方波核磁共振激發脈衝與佔空比可調的雙極性矩形波脈衝通過一套發射迴路實現，提高了發射效率；

(2)本發明採用大功率雙極型晶閘管及相關觸發電路構成的發射迴路體積小、控制精度高且電氣絕緣容易實現。本發明所提出的發射模塊設計方案能夠有效的減輕發射模塊重量，減小發射模塊體積，有利於在施工條件複雜的隧道中開展工作；

(3)本發明採用了全數位化的信號採集與處理方式，核磁共振與瞬變電磁兩種響應信號經過探頭的前置濾波放大之後便通過模數轉換轉成數位訊號，響應信號數位化後被專門的信號處理晶片中的數字濾波程序處理，這種全數字的處理方式具有精度高、抗幹擾能力強以及可以通過程序控制的優點；

(4)本發明通過數字濾波器代替傳統硬體濾波電路也減小了硬體採購成本以及信號接收模塊的體積；

(5)本發明設計了一種能夠同時搭載多個探頭的線圈支架，可以滿足多探頭陣列同時接收的觀測需求，提高了觀測效率；此外，多探頭陣列同時接收的工作方式避免了多次發射條件下在不同點接收時發射波形之間的誤差，更複合理論模擬時的情況，線圈支架使用聚甲醛塑料熱塑而成，堅固耐用並且可以被拆解和組裝方便施工。

附圖說明

圖1是本發明的系統框圖；

圖2是本發明的發射線圈支架結構圖；

圖3是本發明的工作原理示意圖。

其中，1、A型支架連接頭，2、B型支架連接頭，3、C型支架連接頭，4、探頭固定孔，5、固定螺栓，6、米字型支架杆，7、外部支架杆。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，一種隧道突水突泥超前預報的核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器由主機、發射線圈、發射電源、一套接收探頭以及上位機系統組成。主機包含發射模塊、接收模塊、電源模塊、控制模塊以及通信模塊。主機的控制模塊由主機MCU、時鐘電路以及自檢電路組成。主機MCU選用高性能嵌入式控制晶片，負責控制主機各個模塊實現相應的功能。時鐘電路為主機MCU提供工作所需的時鐘頻率。整個主機系統的工作頻率最終都是由時鐘電路決定。自檢電路實現儀器的開機自檢，並將自檢的結果上傳到上位機系統。主機與上位機系統以及主機各個模塊之間的數據與指令通信通過通信總線完成。主機的各模塊分有如下功能：

(1)發射模塊，實現隧道內核磁共振與瞬變電磁兩種激發脈衝的發射。作為核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器的核心模塊，發射模塊使用一套發射迴路實現核磁共振與瞬變電磁兩種方法激發脈衝的發射。所發射的核磁共振激發脈衝是拉莫爾頻率下的雙極性周期方波脈衝。所發射的瞬變電磁激發脈衝是佔空比可調的雙極性矩形波脈衝。所述發射迴路的核心是大功率絕緣柵雙極型晶閘管(IGBT)構成的橋式電路以及相關觸發控制電路。發射模塊接收來自上位機的發射命令控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷，實現激發脈衝的發射。

(2)接收模塊，內置信號處理晶片實現隧道內核磁共振與瞬變電磁兩種響應信號的接收。作為核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器的核心模塊，接收模塊通過全數位化的信號接收與處理方式實現核磁共振與瞬變電磁兩種方法響應信號的接收。響應信號通過接收探頭輸入主機的接收模塊，接收探頭的前置濾波放大對響應信號進行初步處理。信號輸入接收模塊後經過模數轉換輸入信號處理晶片進行進一步處理。信號處理晶片通過程控數字濾波器對核磁共振和瞬變電磁的響應信號進行分別處理最終將處理後的信號數據上傳至上位機系統。

(3)電源模塊，為主機提供可靠的工作電源。

(4)控制模塊，控制主機各模塊實現響應功能。

(5)通信模塊，實現主機與上位機系統的指令與數據交互。

在工作時，核磁共振與瞬變電磁兩種方法共用一套發射與接收裝置。具體包括以下功能：

(1)使用方波核磁共振激發脈衝激發水中的核磁共振響應。隧道突水突泥超前預報的核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器發射頻率為拉莫爾頻率的雙極性周期方波脈衝對隧道掌子面前方水體中的氫質子進行核磁共振激發。主機MCU根據測量的地磁場磁感應強度計算發射脈衝的發射頻率ft，2π×ft＝ωt＝γpB0。根據所計算的發射頻率主機MCU生成一個發射序列並將其發送給主機的發射模塊。發射模塊中的觸發電路根據所接收到的發射序列控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷。主機發射模塊所發射的脈衝為方波核磁共振激發脈衝。方波脈衝頻率(基頻)ft是測區內水中氫質子的拉莫爾頻率，脈衝形態是雙極性的周期方波脈衝。脈衝的頻譜僅存在基波分量與奇次諧波分量。基波分量能夠對隧道前方突水突泥災害體重的氫質子進行核磁共振激發並在方波脈衝關斷後接收到核磁共振響應信號。

(2)全數字式隧道突水突泥核磁共振響應信號採集與提取。脈衝關斷後主機MCU向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令。接收探頭中設置有前置帶通有源濾波放大器，能夠對所採集的核磁共振響應信號進行初步濾波。採集信號輸入到接收模塊的模數轉換電路完成信號的數位化。之後模數轉換電路將信號上傳到接收模塊中的DSP晶片中。數位化的響應信號輸入DSP後，DSP內編制好的數字正交鎖定放大程序作為數字濾波器對信號進行濾波處理提取出窄帶的核磁共振響應信號的包絡信號。之後響應信號通過通信模塊上傳至上位機系統儲存並記錄。整個響應信號的接收過程中，信號經過前置放大與模數轉換後的所有信號處理都是在DSP晶片中通過數字濾波器算法實現。

(3)全數字式隧道突水突泥瞬變電磁響應信號採集與提取。瞬變電磁發採用佔空比可調的雙極性矩形波脈衝激發。正向或反向激發脈衝關斷後，主機MCU向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令。接收探頭中設置有前置帶通有源濾波放大器，能夠對所採集的核磁共振響應信號進行初步濾波。採集信號輸入到接收模塊的模數轉換電路完成信號的數位化。之後模數轉換電路將信號上傳到接收模塊中的DSP晶片中。DSP晶片中的數字帶通濾波電路對數位化的信號做帶通濾波處理，之後將處理過後的響應信號通過通信模塊上傳至上位機系統儲存並記錄。整個響應信號的接收過程中，信號經過前置放大與模數轉換後的所有信號處理都是在DSP晶片中通過數字濾波器算法實現。

結合附圖3對一種隧道突水突泥超前預報的核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器的工作原理做如下闡述。

一體化探測儀器開機後主機開啟自檢功能並將自檢結果上傳到上位機系統顯示。如自檢不通過，上位機系統則會產生報警並中斷所有儀器操作，操作員排除故障且自檢通過後一體化探測儀器便進入正常工作狀態。開始工作時首先通過上位機軟體選擇核磁共振或瞬變電磁測量方法。下面分別對核磁共振與瞬變電磁兩種測量方法的工作原理進行分別闡述：

(1)選擇核磁共振測量方法，一體化探測儀器進入高頻工作模式。首先通過儀器測量當前地球磁場參數並標定發射線圈軸向與正北方向。所測量的地球磁場參數包括：地磁場磁感應強度、地磁地磁傾角與地磁偏角。主機MCU根據測量的地磁場磁感應強度計算發射脈衝的發射頻率ft，2π×ft＝ωt＝γpB0。根據所計算的發射頻率主機MCU生成一個發射序列並將其發送給主機的發射模塊。發射模塊中的觸發電路根據所接收到的發射序列控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷。IGBT導通與關斷的頻率是所計算出的發射頻率ft。發射模塊的電源來自接有外接電源的發射電源。

發射模塊所發射的脈衝式奇函數的雙極性的周期方波脈衝。根據諧波分析的理論，雙極性周期方波脈衝含有直流分量、基波以及高次諧波分量，當方波脈衝函數為奇函數時，脈衝的頻譜僅存在基波分量與奇次諧波分量且基波頻率為發射頻率ft。由於基波頻率與水中氫質子的拉莫爾頻率相等，因此能夠對其進行核磁共振激發並在方波脈衝關斷後接收到核磁共振響應信號。圖3中Q1～Q4四個IGBT管分別位於橋式電路的四個橋臂上，D1～D4是續流二極體，ZL表示激發線圈的阻抗。

脈衝發射過程中，當方波脈衝為正向時，Q1與Q4兩個管子導通；當方波脈衝為負向時，Q2與Q3兩個IGBT導通。為防止電源短路，發射模塊內的反向電路確保同一側兩個橋臂上的兩個管子不會同時導通。在方波脈衝換向的過程中，續流二極體D1～D4保證負載上的電流連續方式因感性負載電流突變造成的過電壓將器件擊穿。D5和D6兩個反並聯二極體組成的鉗位電路在負載端電壓低於其導通壓降時自動關斷，將輸出端電壓鉗位至零；保證發射電流脈衝的快速關斷。根據所需要的探測深度控制激發脈衝持續時間。

脈衝關斷後主機MCU向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令。接收探頭中設置有前置帶通有源濾波放大器，能夠對所採集的核磁共振響應信號進行初步濾波。採集信號輸入到接收模塊的模數轉換電路完成信號的數位化。之後模數轉換電路將信號上傳到接收模塊中的DSP晶片中。DSP晶片是接收模塊中的專用信號處理晶片，他的長處是大量處理浮點數的運算，非常適於信號處理。數位化的響應信號輸入DSP後，DSP內編制好的數字正交鎖定放大程序作為數字濾波器對信號進行濾波處理提取出窄帶的核磁共振響應信號的包絡信號。之後響應信號通過通信模塊上傳至上位機系統儲存並記錄。根據發射指令中所設定的疊加次數進行多次採集併疊加最終完成核磁共振的激發與響應信號的採集。

(2)選擇瞬變電磁測量方法，一體化探測儀器進入低頻工作模式。通過上位機軟體設定所要發射的矩形波脈衝的頻率、佔空比、疊加次數、發射電流等發射參數。發射參數設定好後通過串口通信發送給主機。

主機的通信模塊接收發射參數並將其發送給主機MCU。主機MCU生成發射序列並將其發送給主機的發射模塊。發射模塊中的觸發電路根據所接收到的發射序列控制發射橋路中的IGBT的導通與關斷。

當雙極性矩形波脈衝為正向時，Q1與Q4兩個管子導通；當雙極性矩形波脈衝為負向時，Q2與Q3兩個IGBT導通。與核磁共振工作方式不同，在正向或方向激發脈衝關斷後，主機MCU向接收模塊和接收探頭髮送信號採集命令。接收探頭中設置有前置帶通有源濾波放大器，能夠對所採集的核磁共振響應信號進行初步濾波。採集信號輸入到接收模塊的模數轉換電路完成信號的數位化。

之後模數轉換電路將信號上傳到接收模塊中的DSP晶片中。DSP晶片中的數字帶通濾波電路對數位化的信號做帶通濾波處理，之後將處理過後的響應信號通過通信模塊上傳至上位機系統儲存並記錄。根據發射指令中所設定的疊加次數進行多次採集併疊加最終完成核磁共振的激發與響應信號的採集。

一種隧道突水突泥超前預報的核磁共振與瞬變電磁一體化探測儀器的發射線圈支架如圖2所示。整個發射線圈支架外部輪廓為正方形，支架中部成米字型結構，九個探頭固定孔4均勻分布在米字型支架上。線圈支架由聚甲醛塑料熱塑而成的支架杆和連接頭組裝而成。

線圈支架杆有小型和大型兩種規格。

小型線圈支架組裝後的外邊長為600cm，各探頭固定孔4的中心間距為150cm，探頭固定孔4直徑調節範圍為10～20cm。支架外部輪廓由8根邊長為290cm、直徑為5cm的支架杆組裝而成。支架杆兩側有用於連接固定的螺紋，螺紋所佔長度為5cm。米字型內部支架杆8由八根長為420cm，直徑為5cm的支架杆組裝而成。每根米字型支架的的中部設計有一個探頭固定孔4，固定孔的左右兩側各有一個固定螺栓5。通過旋動固定螺栓5能夠調節固定孔的直徑從而將接受探頭固定在探頭固定孔4中。探頭固定孔4的內側設置有橡膠皮包被的海綿墊以增摩擦和調節的靈活性。支架杆兩側有用於連接固定的螺紋，螺紋所佔長度為4cm。

大型線圈支架組裝後的外邊長為1200cm，探頭固定孔4的中心間距為300cm，探頭固定孔4直徑調節範圍為10～20cm。支架外部輪廓由8根邊長為590cm、直徑為5cm的支架杆組裝而成。支架杆兩側有用於連接固定的螺紋，螺紋所佔長度為5cm。米字型內部支架8根長為840cm，直徑為5cm的支架杆組裝而成。每根米字型支架的的中部設計有一個探頭固定孔4，固定孔的左右兩側各有一個固定螺栓5。通過旋動固定螺栓5能夠調節固定孔的直徑從而將接受探頭固定在探頭固定孔4中。探頭固定孔4的內側設置有橡膠皮包被的海綿墊以增摩擦和調節的靈活性。支架杆兩側有用於連接固定的螺紋，螺紋所佔長度為5cm。

線圈支架杆的連接頭有A、B、C三種結構。A型支架連接頭1用於連接正方形線圈支架的四個頂點，B型與C型支架連接頭3用於連接米字型支架。連接頭內刻有螺紋方便支架杆的組裝。A型支架連接頭1的三個連接頭成「爪」形分布，連接橫截面為正方形，邊長為8cm。B型支架連接頭2的三個連接頭成「T」形分布，連接頭橫截面為正方形，邊長為8cm。C型支架連接頭3既作為支架杆的連接又作為中心探頭的固定孔。連接頭上兩側有兩個用於固定接收探頭的固定螺栓5，用於調節中心探頭固定孔4的直徑。探頭固定孔4的內側設置有橡膠皮包被的海綿墊以增摩擦和調節的靈活性。

在利用核磁共振探測或瞬變電磁法進行超前預報時，有中心點接收和陣列式接收兩種方式可供選擇。進行探測之前，依照圖2將發射線圈支架組裝好。採用中心點接收的工作方式時，將探頭固定在中心探頭固定孔4上開始探測。採用陣列式接收的工作方式時，將接收探頭陣列固定在相應的探頭固定孔4上開始探測。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。