核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置及探測方法

2023-05-15 07:23:01

核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置及探測方法
【專利摘要】本發明涉及一種核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置及探測方法，是由計算機經輸出電壓可調的大功率電源分別與瞬變電磁發射橋路和核磁共振發射橋路連接，核磁共振發射橋路經配諧電容與發射線圈連接，計算機經發射控制單元分別與核磁共振發射橋路和瞬變電磁發射橋路連接，發射控制單元分別與接收單元和信號採集單元連接構成。突出的優點是採用空心線圈，不受測試場地的限制，提高了核磁共振探測的橫向解析度。能夠在隧道、礦井採掘巷道等狹小空間的地下工程中應用更方便，大大減小了接收裝置的尺寸，受空間的約束更小，從而能夠對含水體進行更精確地探測；解決了鋪設大線圈耗時、耗費和耗力的問題，提高了工作效率，降低了工作成本。
【專利說明】核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置及探測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地球物理勘探設備及方法，尤其是一種基於空心線圈的核磁共振與瞬變電磁(MRS-TEM)聯用地下水探測裝置及探測方法。
【背景技術】
[0002]核磁共振和瞬變電磁聯用儀(MRS-TEM)是一種融合了核磁共振和瞬變電磁技術兩種方法的儀器。通過一套儀器實現兩種設備的功能，發揮了兩種儀器各自的優點，減少設備的投入，改善了儀器信噪比的優點。在地下施工中，尤其是隧道、礦井等狹小空心內開展地下掘進工程中，由於地質條件複雜，由地下水引起的突水、突泥地質災害時有發生，給施工安全帶來了巨大的災難和無法估計的經濟損失。如何在隧道、礦井等狹小空間內對地下周圍的含水體進行精確、有效的探測，成為了地球物理勘探方法中的一個重要研究方向。
[0003]CN1936621公開了一種「核磁共振與瞬變電磁聯用儀及其方法」，是將核磁共振與瞬變電磁組合成一體的核磁共振與瞬變電磁聯用儀及其方法。首先將聯用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，在測線上鋪設發射線圈和接收線圈，對測區內每一個測點進行測量，測量完畢後，對瞬變電磁數據進行初步的處理，找出低電阻率點，並對低電阻率異常測點標定；再將聯用儀切換到核磁共振工作模式下，並以已標定的異常測點為中心鋪設發射線圈進行核磁共振測量工作，以測得數據或圖形與瞬變電磁所測得的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測得的電阻率異常目的層的真偽。用一套設備實現兩種儀器的功能，減少了設備投資，發揮了兩種儀器各自優點，提高了探測效率和精度。
[0004]CN201051151公開了一種核磁共振找水儀，由發射系統、信號接收系統、微機控制與記錄系統三部分組成，DC/DC變換器一端連接電池，另一端連接超強儲能器；超強儲能器與大功率交流方波發生器連接，其中間設有開關Kl,大功率交流方波發生器還與共振頻率發生器、開關K2、K3連接；開關Κ2與Κ3之間串接發射線圈和配諧電容器組；Κ3、Κ4分別連接超低噪聲放大器，再連接相關檢測放大器，再連接檢波器和相位檢測器，檢波器連接A/D轉換器並連接微機控制與記錄系統，相位檢測器與共振頻率發生器和Α/D轉換器連接並連接微機控制與記錄系統。本發明有益效果為:儀器工作安全性高、能量利用率高、頻率穩定性好、具有較高的測量精度。
[0005]CN102096111A公開了一種收發天線分離式核磁共振找水裝置及找水方法，由計算機通過串口總線與大功率電源、發射及控制單元、電流採集單元、選頻放大單元、信號採集單元連接，發射及控制單元通過控制總線經H橋路與配諧電容、發射線圈和二極體連接構成。本發明將發射天線和接收天線分離，使發射系統和接收系統能夠相互獨立。該發明的優點是:實現了發射和接收的高低壓隔離，提高了系統的可靠性；發射線圈和接收線圈的匝數、尺寸、線徑、鋪設方式不再相互制約；通過遠端參考能夠抵消幹擾，提高信噪比。
[0006]上述發明的找水裝置均具有較高的測量精度、可靠性較高，但都存在一些不足，測量一個點時，只能得到很大一個範圍內是否有水(例如100m*100m大線圈面積I萬平米),導致測量的橫向解析度低，難以實現水體的精確定位；而且由於線圈尺寸大，在礦井、隧道等狹小空間現場無法鋪設大線圈，對工作環境的適應能力差。

【發明內容】

[0007]本發明的目的就是針對上述現有技術存在的不足，提供一種能夠在礦井、隧道等狹小空間條件下應用的空心線圈接收核磁共振和瞬變電磁探測裝置，通過採用空心線圈作為接收裝置來提高核磁共振探測的應用範圍和橫向解析度，從而在隧道、礦井等狹小空間條件下實現精確測量的方法。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0009]一種核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置，是由計算機I經輸出電壓可調的大功率電源3分別與瞬變電磁發射橋路4和核磁共振發射橋路5連接，瞬變電磁發射橋路4與發射線圈7連接，核磁共振發射橋路5經配諧電容6與發射線圈7連接，計算機I經發射控制單元2分別與核磁共振發射橋路5和瞬變電磁發射橋路4連接，發射控制單元2分別與接收單元8和信號採集單元9連接，計算機I經信號採集單元9與接收單元8連接構成。
[0010]接收單元8是由空心線圈10經單刀雙擲開關一端連接寬頻放大電路11，另一端連接中心頻率可調的放大電路12，寬頻放大電路11通過單刀雙擲開關的一端連接信號採集單元9，中心頻率可調的放大電路12過單刀雙擲開關的另一端連接信號採集單元9構成。
[0011]中心頻率可調的放大電路12由空心線圈10經高壓繼電器13、二極體D1、二極體D2、可變電容器Cl、一級放大器14、寬頻濾波器15、二級放大器16、窄帶濾波器17和三級放大器18連接構成。
[0012]寬頻放大電路11是由頻率補償電路19與寬頻放大器20連接構成。
[0013]一種核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測方法，包括以下步驟:
[0014]a、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，採用中心回線的方式，鋪設發射線圈和空心線圈；
[0015]b、計算機I通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源3，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈7上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；
[0016]C、發射控制單元2對瞬變電磁發射橋路4進行驅動,發射橋路4被驅動後,利用大功率電源3的輸出電壓向發射線圈7施加發射電流,實現對含水體的激發；空心線圈10接收的信號經高頻率補償電路19進行頻率補償，然後送入寬頻放大器20 ；
[0017]d、放大器電路20對信號進行調理、放大，將處理後的信號送至信號採集單元9，發射控制單元2控制信號採集單元9的採集開始與結束時間，信號採集單元9將放大器電路20輸出的模擬信號轉換成數位訊號，並將轉換後的數據送至計算機1，進行數據的顯示與保存；
[0018]e、利用瞬變電磁法對測區內每一個點進行測量，測量完畢後，對瞬變電磁數據進行處理，找出測區內電阻率偏低點，並對電阻率偏低的異常測點標定；
[0019]f、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀切換到核磁共振模式下，並以已標定的異常測點為中心進行核磁共振測量工作，來測得數據或圖形與瞬變電磁所測得的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁測得的電阻率異常的真偽；[0020]g、計算機I通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源3，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈7上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；
[0021]h、發射控制單元2產生40ms頻率信號對核磁共振發射橋路5進行驅動，發射橋路5被驅動後，利用大功率電源3的輸出電壓向發射線圈7及配諧電容6施加40ms發射電流，實現對含水體的激發；
[0022]1、在激發時，發射控制單元2控制高壓繼電器13，使其處於斷開狀態，對信號接收端進行保護，當激髮結束後，經過90ms，發射控制單元2控制高壓繼電器13閉合，空心線圈10接收產生的信號經高壓繼電器13送入中心頻率可調的放大電路12，放大器電路12將接收信號進行一級放大14，在通過寬頻濾波器15濾波，經過二級器14放大處理，然後信號經過窄帶放大器17，最後進行三級放大18將微弱的核磁共振信號放大至符合信號採集單元9的輸入要求，輸入到信號採集電路9，信號採集電路9將放大器電路12輸出的模擬信號轉換為數位訊號，並送至計算機I中保存下來，完成對核磁共振信號的接收；
[0023]j、將步驟i測得的數據進行特徵參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅、頻率參數；對採集的數據進行反演解釋，得到所測區域內含水體的含水量、滲透率水文地質參數，為可能發生的突水、突泥地質災害提供預報依據。
[0024]有益效果:本發明採用空心線圈的MRS-TEM聯合地下水探測裝置，最大優點是不受測試場地的限制，提高了核磁共振探測的橫向解析度。能夠在隧道、礦井採掘巷道等狹小空間的地下工程中得到應用；大大減小了接收裝置的尺寸；小尺寸的空心線圈受到空間的約束更小，有更好的適應能力，從而能夠對含水體進行更精確地探測；採用空心線圈，解決了鋪設大線圈耗時、耗費和耗力的問題，提高了工作效率，降低了工作成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是MRS-TEM聯合地下水探測裝置總體結構框圖；
[0026]圖2是接收單元8的結構框圖
[0027]圖3是中心頻率可調的放大電路框圖
[0028]圖4是寬頻放大電路框圖
[0029]圖5中心頻率可調的放大電路電路圖
[0030]圖6TEM發射橋路電路圖[0031 ] 圖7MRS發射橋路電路圖
[0032]I計算機，2發射控制單元，3輸出電壓可調的大功率電源，4瞬變電磁發射橋路，5核磁共振發射橋路，6配諧電容，7發射線圈，8接收單元，9信號採集單元，10空心線圈，11寬頻放大電路，12中心頻率可調的放大電路，13高壓繼電器，14 一級放大器，15寬頻濾波器，16 二級放大器，17窄帶濾波器，18三級放大器，19頻率補償電路，20寬頻放大器。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明:
[0034]MRS-TEM聯合地下水探測裝置，是由計算機I通過串口總線分別與輸出電壓可調的大功率電源3、發射控制單元2和信號採集單元9相連,輸出電壓可調的大功率電源3經瞬變電磁發射橋路4與發射線圈7的相連，輸出電壓可調的大功率電源3經經核磁共振發射橋路5，經配諧電容6與發射線圈7的相連接，發射控制單元2通過控制總線經瞬變電磁發射橋路4與發射線圈7的相連，發射控制單元2通過控制總線經核磁共振發射橋路5，經配諧電容6與發射線圈7的相連接，發射控制單元2通過控制線與接收單元8相連接，發射控制單元2通過控制線與信號採集單元9相連接，計算機I通過串口總線經信號採集單元9和接收單元8相連接構成。
[0035]接收單元8是由空心線圈10經單刀雙擲開關一端連接寬頻放大電路11，另一端連接中心頻率可調的放大電路12，寬頻放大電路11通過單刀雙擲開關的一端連接信號採集單元9，中心頻率可調的放大電路12過單刀雙擲開關的另一端連接信號採集單元9構成。
[0036]中心頻率可調的放大電路12是由空心線圈10經高壓繼電器13、二極體D1' 二極體仏、可變電容器C1連接，通過二級放大14、寬頻濾波器15、二級放大器16、窄帶濾波器17、三級放大18連接構成。
[0037]寬頻放大電路11是頻率補償電路19與寬頻放大器20連接構成。
[0038]MRS信號頻率在IKHz到3KHz範圍，寬帶濾波中心頻率為2.5KHz，_3dB帶寬為3KHz。寬帶放大器是固定增益放大器，採用精密低噪聲運放構成。可窄帶放大器增益為O~36dB。可編程增益放大器的增益在xl到xl6可編程改變。窄帶濾波器採用了直接數字頻率合成技術和開關電容濾波技術，濾波器帶寬固定，中心頻率可編程改變，頻率調整範圍為IKHz 到 3KHz，步長為 IHz。
[0039]具體工作過程: [0040]瞬變電磁工作模式:H橋路輸出端直接與發射線圈兩端連接產生瞬變電磁信號，接收線圈將瞬變電磁信號送入寬帶放大單元進行信號調理後再送給信號採集單元和接收控制單元。
[0041]核磁共振工作模式:H橋路的兩個橋臂輸出端與配諧電容和發射線圈連接，選頻放大單元通過繼電器與發射線圈連接，並將信號送入信號採集單元和接收控制單元，兩個二極體自身反向連接，並與諧振電容連接。
[0042]基於空心線圈的MRS-TEM聯合地下水探測裝置，包括以下順序和步驟:
[0043]a、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，採用中心回線的方式，鋪設發射線圈和空心線圈。
[0044]b、計算機I通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源3，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈7上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；
[0045]c、發射控制單元2對瞬變電磁發射橋路4進行驅動,發射橋路4被驅動後,利用大功率電源3的輸出電壓向發射線圈7施加發射電流,實現對含水體的激發；空心線圈10接收的信號經高頻率補償電路19進行頻率補償，然後送入寬頻放大器20 ；
[0046]d、放大器電路20對信號進行調理、放大，將處理後的信號送至信號採集單元9，發射控制單元2控制信號採集單元9的採集開始與結束時間，信號採集單元9將放大器電路20輸出的模擬信號轉換成數位訊號，並將轉換後的數據送至計算機1，進行數據的顯示與保存；
[0047]e、利用瞬變電磁法對測區內每一個點進行測量，測量完畢後，對瞬變電磁數據進行處理，找出測區內電阻率偏低點，並對電阻率偏低的異常測點標定。
[0048]f、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀切換到核磁共振模式下，並以已標定的異常測點為中心進行核磁共振測量工作，來測得數據或圖形與瞬變電磁所測得的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁測得的電阻率異常的真偽；
[0049]g、計算機I通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源3，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈7上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；
[0050]h、發射控制單元2產生40ms頻率信號對核磁共振發射橋路5進行驅動，發射橋路5被驅動後，利用大功率電源3的輸出電壓向發射線圈7及配諧電容6施加40ms發射電流，實現對含水體的激發；
[0051]1、在激發時，發射控制單元2控制高壓繼電器13，使其處於斷開狀態，對信號接收端進行保護，當激髮結束後，經過90ms，發射控制單元2控制高壓繼電器13閉合，空心線圈10接收產生的信號經高壓繼電器13送入中心頻率可調的放大電路12，放大器電路12將接收信號進行一級放大14，在通過寬頻濾波器15濾波，經過二級器14放大處理，然後信號經過窄帶放大器17，最後進行三級放大18將微弱的核磁共振信號放大至符合信號採集單元9的輸入要求，輸入到信號採集電路9，信號採集電路9將放大器電路12輸出的模擬信號轉換為數位訊號，並送至計算機I中保存下來，完成對核磁共振信號的接收。
[0052]j、將步驟i測得的數據進行特徵參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅、頻率參數；對採集的數據進行反演解釋，得到所測區域內含水體的含水量、滲透率水文地質參數，為可能發生的突水、突泥地質災害提供預報依據。
【權利要求】
1.一種核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置，是由計算機(1)經輸出電壓可調的大功率電源(3)分別與瞬變電磁發射橋路(4)和核磁共振發射橋路(5)連接，瞬變電磁發射橋路⑷與發射線圈(7)連接，核磁共振發射橋路(5)經配諧電容(6)與發射線圈(7)連接，計算機(1)經發射控制單元(2)分別與核磁共振發射橋路(5)和瞬變電磁發射橋路(4)連接，發射控制單元(2)分別與接收單元⑶和信號採集單元(9)連接，計算機⑴經信號採集單元(9)與接收單元(8)連接構成。
2.按照權利要求1所述的核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置，其特徵在於，接收單元(8)是由空心線圈(10)經單刀雙擲開關一端連接寬頻放大電路(11)，另一端連接中心頻率可調的放大電路(12)，寬頻放大電路(11)通過單刀雙擲開關的一端連接信號採集單元(9)，中心頻率可調的放大電路(12)過單刀雙擲開關的另一端連接信號採集單元(9)構成。
3.按照權利要求1所述的核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置，其特徵在於，中心頻率可調的放大電路(12)由空心線圈(10)經高壓繼電器(13)、二極體01、二極體02、可變電容器Cl、一級放大器(14)、寬頻濾波器(15)、二級放大器(16)、窄帶濾波器(17)和三級放大器(18)連接構成。
4.按照權利要求1所述的核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測裝置，其特徵在於，寬頻放大電路(11)是由頻率補償電路(19)與寬頻放大器(20)連接構成。
5.核磁共振與瞬變電磁聯用地下水探測方法，包括以下步驟: a、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，採用中心回線的方式，鋪設發射線圈和空心線圈； b、計算機I通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源(3)，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈(7)上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測； C、發射控制單元(2)對瞬變電磁發射橋路(4)進行驅動,發射橋路(4)被驅動後,利用大功率電源⑶的輸出電壓向發射線圈⑵施加發射電流，實現對含水體的激發；空心線圈(10)接收的信號經高頻率補償電路(19)進行頻率補償，然後送入寬頻放大器(20)； d、放大器電路(20)對信號進行調理、放大，將處理後的信號送至信號採集單元(9)，發射控制單元(2)控制信號採集單元(9)的採集開始與結束時間，信號採集單元(9)將放大器電路(20)輸出的模擬信號轉換成數位訊號，並將轉換後的數據送至計算機(1)，進行數據的顯示與保存； e、利用瞬變電磁法對測區內每一個點進行測量，測量完畢後，對瞬變電磁數據進行處理，找出測區內電阻率偏低點，並對電阻率偏低的異常測點標定； f、將核磁共振和瞬變電磁聯用儀切換到核磁共振模式下，並以已標定的異常測點為中心進行核磁共振測量工作，來測得數據或圖形與瞬變電磁所測得的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁測得的電阻率異常的真偽； g、計算機(I)通過串口線控制輸出電壓可調的大功率電源(3)，改變其輸出電壓的大小來改變在發射線圈(7)上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測； h、發射控制單元(2)產生40ms頻率信號對核磁共振發射橋路(5)進行驅動，發射橋路(5)被驅動後，利用大功率電源(3)的輸出電壓向發射線圈(7)及配諧電容(6)施加40ms發射電流，實現對含水體的激發； . 1、在激發時，發射控制單元(2)控制高壓繼電器(13)，使其處於斷開狀態，對信號接收端進行保護，當激髮結束後，經過90ms，發射控制單元(2)控制高壓繼電器(13)閉合，空心線圈(10)接收產生的信號經高壓繼電器(13)送入中心頻率可調的放大電路(12)，放大器電路(12)將接收信號進行一級放大(14)，在通過寬頻濾波器(15)濾波，經過二級器(14)放大處理，然後信號經過窄帶放大器(17)，最後進行三級放大(18)將微弱的核磁共振信號放大至符合信號採集單元(9)的輸入要求，輸入到信號採集電路(9)，信號採集電路(9)將放大器電路(12)輸出的模擬信號轉換為數位訊號，並送至計算機(I)中保存下來，完成對核磁共振信號的接收； j、將步驟i測得的數據進行特徵參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅、頻率參數；對採集的數據進行反演解釋，得到所測區域內含水體的含水量、滲透率水文地質參數，為可能發生的突水、突 泥地質災害提供預報依據。
【文檔編號】G01V3/32GK103809206SQ201410088789
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】尚新磊, 王琳, 符磊, 彭良玉 申請人:吉林大學