基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法

專利名稱：基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法
技術領域：
本發明涉及一種地球物理勘探設備，尤其是基于陣列線圈的核磁共振地下水二維 或三維探測的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法。
背景技術：
核磁共振地下水探測方法(Magnetic Resonance Sounding，簡稱MRS方法)是一 種直接地非破壞性的地球物理勘探方法，已經在1維地下水探測方面得到廣泛的應用。CN101285895A公開了一種線電源激發多道接收地面核磁共振方法和系統，所述方 法包括以下步驟1)利用發射機通過兩個打入地下的發射電極向地下供入拉摩爾頻率的 交變電流，通過改變電極的距離和電流的大小產生不同的激發磁場；2)斷開激發場，在被 激發的氫質子旋進到正常平衡態過程中，用高靈敏探頭組接收呈指數衰減規律的信號；3) 將所述的信號通過信號傳輸線傳送給接收機，再將所述接收機接收的信號發送給信號處理 與成像系統，進行信號的預處理、去噪、反演和成像等處理。US7466U8B2公開了一種多通道 核磁共振數據采集器和處理方法，應用多個線圈，每個線圈既可用于發射也可用于接收，用 一個采集器的多個通道進行采集，通過自適應算法實現噪聲壓制，并用多個通道的數據實 現3維地下水密度的估計。以上發明都將核磁共振探測方法拓展到2維和3維，設計了多 個采集通道的核磁共振地下水探測儀，但都存在不足，如用探頭很難接收到納伏級幅度的 核磁共振響應信號；用一個采集器的多個通道接收，每個線圈距離采集器不能太遠，否則信 號衰減嚴重；受復雜地形地貌限制，在一條直線上鋪設多個大線圈或者在一個平面上鋪設 多個大線圈很難實現。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種基于陣列線圈的核磁共振 地下水探測儀；本發明的目的另一目的提供一種基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀野外探 測方法。本發明的目的是通過以下方式實現的計算機1通過串口線或網口線經控制單元2、發射線圈3與接收線圈4連接，控制 單元2經第11接收單元、第12接收單元、第13接收單元和第14接收單元與第15接收單 元連接，第1接收單元經第6接收單元、第11接收單元和第16接收單元與第21接收單元 連接，第2接收單元經第7接收單元、第12接收單元和第17接收單元與第22接收單元連 接，第3接收單元經第8接收單元、第13接收單元和第18接收單元與第23接收單元連接， 第4接收單元經第9接收單元、第14接收單元和第19接收單元與第M接收單元連接，第5 接收單元經第10接收單元、第15接收單元和第20接收單元與第25接收單元連接構成。第1接收單元——第25接收單元均是由通訊接口 5經同步控制器6與繼電器8 連接，感應線圈7經繼電器8、諧振電路9、放大電路10和采集電路11與通訊接口 5連接構成。控制單元2是由接收控制器13經通訊控制器12與發射控制器14連接構成。發射線圈3是由配諧電容15經發射橋路16分別與大功率電源17和發射控制18 連接構成。基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀野外探測方法a、在復雜地形地貌、地下條件未知的測區，首先根據地形選擇正方形或者長方形 鋪設發射線圈3，盡量擴大線圈面積以獲得更深的探測深度；b、在過發射線圈3中心的直線上等間距鋪設第11接收單元-第15接收單元，用來 完成二維地下水探測，或在發射線圈3內部和周邊鋪設陣列式接收單元第1接收單元-第 25接收單元，用來完成三維地下水探測；C、通過磁力儀獲得測區地磁場值Bo，Bo*常數0. 04258換算成拉莫爾頻率F1，并 設置在計算機1中，根據拉莫爾頻率和發射線圈3的電感特性，計算發射單元中的配諧電容 的大小；d、在計算機1中設置發射脈沖矩，發射脈沖矩是發射電流和發射時間的乘積，發 射時間通常固定為40ms，發射電流越大，探測的越深，為實現對地下水由淺到深的分層探 測，要從小到大設置多個發射脈沖矩；e、根據所設置的發射脈沖矩，設置發射電壓，在發射線圈3中產生大功率交變電 流；設置多少個發射脈沖矩，就設置多少個發射電壓，就要發射多少次，就在發射線圈3中 產生多少次大功率交變電流；f、發射停止后，經過40ms死區時間，控制單元2向陣列式接收單元第11接收單 元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元發送同步采集命令，然后再將采 集的數據按第11接收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元的序列 號上傳至計算機1中，完成全部測點的探測；g、將全部測點采集的數據通過現有的核磁共振處理軟件進行數據處理和反演，繪 制出測區二維或三維的地下水分布圖像，完成測區地下水探測。有益效果用陣列線圈作為接收單元的天線，并且每個天線配備獨立的接收單元，不但可以 實現高靈敏度采集和遠距離的數據傳輸，而且可以在復雜地形地貌上進行鋪設，提高了核 磁共振探測在水平面上的精度，可以實現2維和3維地下水成像，能夠高效準確地確定打井 井位，減少打干井的風險。


圖1是基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀的結構框2是附圖1中接收單元結構框3是附圖1中控制單元2的結構框4是附圖1中發射單元3的結構框5是附圖1中陣列式接收單元連接圖1計算機，2控制單元，3發射線圈，4接收線圈，5通訊接口，6同步控制器，7感應線 圈，8繼電器，9諧振電路，10放大器，11采集電路，12通訊控制，13接收控制器，14發射控制器，15配諧電容，16發射橋路，17大功率電源，18發射控制。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明計算機1通過串口線或網口線經控制單元2、發射線圈3與接收線圈4連接，控制 單元2經第11接收單元、第12接收單元、第13接收單元和第14接收單元與第15接收單 元連接，第1接收單元經第6接收單元、第11接收單元和第16接收單元與第21接收單元 連接，第2接收單元經第7接收單元、第12接收單元和第17接收單元與第22接收單元連 接，第3接收單元經第8接收單元、第13接收單元和第18接收單元與第23接收單元連接， 第4接收單元經第9接收單元、第14接收單元和第19接收單元與第M接收單元連接，第5 接收單元經第10接收單元、第15接收單元和第20接收單元與第25接收單元連接構成。第1接收單元——第25接收單元均是由通訊接口 5經同步控制器6與繼電器8 連接，感應線圈7經繼電器8、諧振電路9、放大電路10和采集電路11與通訊接口 5連接構 成。控制單元2是由接收控制器13經通訊控制器12與發射控制器14連接構成。發射線圈3是由配諧電容15經發射橋路16分別與大功率電源17和發射控制18 連接構成。具體工作過程基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀的操作控制由計算機1負責，計算機1通 過串口線或者網口線與控制單元2連接，用來進行控制指令和采集數據的傳輸。控制單元2 是儀器的核心，負責諧調發射線圈3和陣列式第1采集單元 第25采集單元的工作，控 制產生大功率交變電流、采集同步和選擇上傳陣列線圈的核磁共振響應信號。發射線圈3由發射控制18、大功率電源17、發射橋路16和配諧電容15構成。發 射控制18由具有PWM輸出功能的模塊和相關邏輯電路組成，主要完成對大功率電源17的 充電控制，發射橋路16驅動信號的產生和發射線圈3狀態監控等。發射控制18通過對大 功率電源17的電壓進行檢測，控制大功率電源17中電容的充電，為發射線圈3提供大功率 瞬時電流。發射控制18給驅動電路提供兩路邏輯相反并具有40sm死區時間的TTL電平的 控制信號；驅動電路將該控制信號經過轉換，驅動發射橋路16 ；發射橋路16由兩個橋臂構 成，每個橋臂分別有兩個大功率IGBT開關管，用來將大功率電源提供的直流電源逆變成交 變電流。配諧電容15和發射線圈4組成諧振回路，發射橋路的兩個橋臂輸出端接到諧振回 路的兩端。當控制單元2給出發射命令時，諧振回路中將產生大功率交變電流，激發地下水 中的氫核，使之躍遷至高能級。當控制單元2向發射單元3發出停止命令后，發射線圈4經過40ms死區時間將剩 余能量釋放完畢，控制單元2向陣列式第1接收單元 第25接收單元發出開始采集命 令。當每個接收單元中的通訊接口 5接到開始采集命令時，同步控制器6控制繼電器8由 斷開狀態變成閉合狀態。此時，感應線圈7接收到地下水中氫核由高能級躍遷至低能級產 生的弛豫信號，又稱核磁共振響應信號。核磁共振響應信號經繼電器8進入諧振電路9進 行阻抗匹配，通過選擇不同配諧電容達到最佳諧振點，再經過放大器10，進入采集電路11。 放大器10由前置放大器、LC選頻放大器、工頻陷波器和后級放大器組成。采集電路11根據核磁共振響應信號對采樣率和采樣精度的要求，選擇高速高采樣率的AD，用CPLD+FIFO的 方式對高速采集的數據進行緩沖存儲，然后再將FIFO中的數據存入采集電路11中 存儲 器中。控制單元2根據陣列線圈的序列號分別選擇每個第1接收單元 第25接收單元 上傳存儲器中的數據，最后匯總到計算機1中進行數據處理和反演解釋。基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀野外具體工作方法步驟1 在一個復雜地形地貌、地下條件未知的測區，首先鋪設發射線圈4，根據地 形選擇正方形或者長方形，盡量擴大線圈面積以獲得更深的探測深度；步驟2 在過發射線圈4中心的直線上等距的鋪設第1接收單元 第15接收單 元，用來完成二維地下水探測；或在發射線圈4內部和周邊鋪設陣列式接收單元，第1接收 單元 第25接收單元，用來完成3維地下水探測。步驟3 用磁力儀獲得當地地磁場的強度，通過磁場強度Bo*常數0. 04258轉化成 拉莫爾頻率，在計算機1中進行設置。根據拉莫爾頻率和發射線圈4的電感特性，計算發射 單元中的配諧電容的大小。步驟4 在計算機1中設置多個發射脈沖矩。發射脈沖矩是發射電流和發射時間 的乘積，一般發射時間固定，發射電流越大，探測地下水的層位越深。設置從小到大激發脈 沖矩可以實現對地下水從淺到深地分層探測。步驟5 根據設置的發射脈沖矩，設置發射電壓，在發射線圈4中產生大功率交變 電流，發射時間一般為40ms。設置多少個發射脈沖矩，就設置多少個發射電壓，就要發射多 少次，就在發射線圈3中產生多少次大功率交變電流；步驟6 發射停止后，經過40ms死區時間，控制單元2向陣列式接收單元第11接 收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元發送同步采集命令，然后再 將采集的數據按第11接收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元的 序列號上傳至計算機1中，完成全部測點的探測；步驟7 將全部測點采集的數據通過現有的核磁共振處理軟件進行數據處理和反 演，繪制出測區二維或三維的地下水分布圖像，完成測區地下水探測。實施例1基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀用于二維地下水探測時，計算機1經串口 線或網口線與控制單元2連接，控制單元2與發射單元3連接，再與發射線圈4連接，控制 單元2與陣列接收單元11 15中的一個接收單元11連接，接收單元11再與相鄰接收 單元12和連接，以此類推，每個接收單元11 15都與相鄰的接收單元連接構成。在第 11接收單元 第15接收單元中，通訊接口 5通過串口或者網口與控制單元2或相鄰接 收單元中的通訊接口 5連接，通訊接口 5與同步控制器6連接，同步控制器6與繼電器8連 接，感應線圈7與繼電器8連接，再經諧振電路9，放大器10連接至采集電路11，采集電路 11經通訊接口 5和控制單元2連接至計算機1。基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀用于二維地下水探測的工作方法步驟1 在一個復雜地形地貌、地下條件未知的測區，首先鋪設發射線圈4，根據地 形選擇正方形或者長方形，盡量擴大線圈面積以獲得更深的探測深度；步驟2 在過發射線圈4中心的直線上等距的鋪設第11接收單元 第15接收單 元，用來完成二維地下水探測。
步驟3 用磁力儀獲得當地地磁場的強度，通過磁場強度Bo*常數0. 04258轉化成 拉莫爾頻率，在計算機1中進行設置。根據拉莫爾頻率和發射線圈4的電感特性，計算發射 單元中的配諧電容的大小。 步驟4 在計算機1中設置從小到大多個發射脈沖矩，實現對地下水從淺到深地分 層探測。步驟5 根據設置的發射脈沖矩，設置發射電壓，在發射線圈4中產生大功率交變 電流，發射時間一般為40ms。設置多少個發射脈沖矩，就設置多少個發射電壓，就要發射多 少次，就在發射線圈3中產生多少次大功率交變電流；步驟6 發射停止后，經過40ms死區時間，控制單元2向陣列式接收單元第11接 收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元發送同步采集命令，然后再 將采集的數據按第11接收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元的 序列號上傳至計算機1中，完成全部測點的探測；步驟7 將全部測點采集的數據通過現有的核磁共振處理軟件進行數據處理和反 演，繪制出測區二維或三維的地下水分布圖像，完成測區地下水探測。實施例2基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀用于三維地下水探測時，計算機1經串口 線或網口線與控制單元2連接，控制單元2與發射單元3連接，再與發射線圈4連接，控制 單元2與第1接收單元 25接收單元中的第11接收單元連接，接收單元11再與相鄰接 收單元6、16和13連接，以此類推，第1接收單元 25接收單元中每個接收單元1 25都與相鄰接收單元連接。在第1接收單元 25接收單元中，通訊接口 5通過串口或者 網口與控制單元2或相鄰接收單元中的通訊接口 5連接，通訊接口 5與同步控制器6連接， 同步控制器6與繼電器8連接，感應線圈7與繼電器8連接，再經諧振電路9，放大器10連 接至采集電路11，采集電路11經通訊接口 5和控制單元2連接至計算機1。基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀用于三維地下水探測的工作方法步驟1 在一個復雜地形地貌、地下條件未知的測區，首先鋪設發射線圈4，根據地 形選擇正方形或者長方形，盡量擴大線圈面積以獲得更深的探測深度；步驟2 在發射線圈4內部和周邊鋪設陣列式第1接收單元 25接收單元，用 來完成三維地下水探測。步驟3 用磁力儀獲得當地地磁場的強度，轉化成拉莫爾頻率，在計算機1中進行 設置。根據拉莫爾頻率和發射線圈4的電感特性，計算發射單元中的配諧電容的大小。步驟4 在計算機1中設置從小到大多個發射脈沖矩，實現對地下水從淺到深地分 層探測。步驟5 根據設置的發射脈沖矩，設置發射電壓，在發射線圈4中產生大功率交變 電流，發射時間一般為40ms。設置多少個發射脈沖矩，就設置多少個發射電壓，就要發射多 少次，就在發射線圈3中產生多少次大功率交變電流；(是這個意思)步驟6 發射停止后，經過40ms死區時間，控制單元2向陣列式接收單元第11接 收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元發送同步采集命令，然后再 將采集的數據按第11接收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元的 序列號上傳至計算機1中，完成全部測點的探測；
步驟7 將全部測點采集的 數據通過現有的核磁共振處理軟件進行數據處理和反 演，繪制出測區二維或三維的地下水分布圖像，完成測區地下水探測。
權利要求
1.一種基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀，其特征在于，計算機(1)通過串口線 或網口線經控制單元O)、發射線圈(3)與接收線圈(4)連接，控制單元(2)經第11接收 單元、第12接收單元、第13接收單元和第14接收單元與第15接收單元連接，第1接收單 元經第6接收單元、第11接收單元和第16接收單元與第21接收單元連接，第2接收單元 經第7接收單元、第12接收單元和第17接收單元與第22接收單元連接，第3接收單元經 第8接收單元、第13接收單元和第18接收單元與第23接收單元連接，第4接收單元經第 9接收單元、第14接收單元和第19接收單元與第M接收單元連接，第5接收單元經第10 接收單元、第15接收單元和第20接收單元與第25接收單元連接構成。
2.按照權利要求1所述的基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀，其特征在于，第1接 收單元——第25接收單元均是由通訊接口(5)經同步控制器(6)與繼電器⑶連接，感應 線圈(7)經繼電器(8)、諧振電路(9)、放大電路(10)和采集電路(11)與通訊接口(5)連 接構成。
3.按照權利要求1所述的基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀，其特征在于，控制 單元⑵是由接收控制器(13)經通訊控制器(12)與發射控制器(14)連接構成。
4.按照權利要求1所述的基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀，其特征在于，發射 單元(3)是由配諧電容(15)經發射橋路(16)分別與大功率電源(17)和發射控制(18)連 接構成。
5.按照權利要求1所述的基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀野外探測方法，其特 征在于，包括以下順序和步驟a、在復雜地形地貌、地下條件未知的測區，首先根據地形選擇正方形或者長方形鋪設 發射線圈3，盡量擴大線圈面積以獲得更深的探測深度；b、在過發射線圈(3)中心的直線上等間距鋪設第11接收單元-第15接收單元，用來 完成二維地下水探測，或在發射線圈3內部和周邊鋪設陣列式接收單元第1接收單元-第 25接收單元，用來完成三維地下水探測；c、通過磁力儀獲得測區地磁場值Bo，Bo*常數0.04258換算成拉莫爾頻率，并設置在 計算機(1)中，根據拉莫爾頻率和發射線圈3的電感特性，計算發射單元中的配諧電容的大d、在計算機1中設置發射脈沖矩，發射脈沖矩是發射電流和發射時間的乘積，發射時 間通常固定為40ms，發射電流越大，探測的越深，為實現對地下水由淺到深的分層探測，要 從小到大設置多個發射脈沖矩；e、根據所設置的發射脈沖矩，設置發射電壓，在發射線圈3中產生大功率交變電流；設 置多少個發射脈沖矩，就設置多少個發射電壓，就要發射多少次，就在發射線圈3中產生多 少次大功率交變電流；f、發射停止后，經過40ms死區時間，控制單元O)向陣列式接收單元第11接收單 元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元發送同步采集命令，然后再將采 集的數據按第11接收單元 第15接收單元或第1接收單元 第25接收單元的序列 號上傳至計算機(1)中，完成全部測點的探測；g、將全部測點采集的數據通過現有的核磁共振處理軟件進行數據處理和反演，繪制出 測區二維或三維的地下水分布圖像，完成測區地下水探測。
全文摘要
本發明涉及一種基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法。是由計算機通過串口線或網口線經控制單元、發射線圈與接收線圈連接構成，接收線圈是由25個接收單元連接構成陣列線圈。用陣列線圈作為接收單元的天線，并且每個天線配備獨立的接收單元，不僅能夠實現二維地下水成像，還能夠實現三維地下水成像，還能夠實現高靈敏度采集和遠距離的數據傳輸，而且可以在復雜地形地貌上進行鋪設，提高了核磁共振探測在水平面上的精度，能夠高效準確地確定開采地下水的井位，提高了找水效率，降低了找水成本，有效地減少打干井的風險。
文檔編號G01V3/14GK102096112SQ201010591988
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者易曉峰, 李珊珊, 林君, 樊偉, 段清明, 王煜琦, 田寶鳳, 蔣川東 申請人:吉林大學