一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，包括主机、发射线圈、接收探头以及上位机系统，主机包括输出核磁共振激发脉冲和瞬变电磁激发脉冲的发射模块，采集核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收模块，实现上位机系统与主机控制模块之间的指令与数据交互的通信模块；发射模块向发射线圈提供脉冲输出，接收模块对接收探头采集的信号进行前置滤波放大处理，并将处理后的信号传输给控制模块。本发明专利技术在核磁共振激发脉冲的发射方面放弃了传统的单频正弦波激发方式，从而省去了体积庞大的谐振电路，有利于在施工条件复杂的隧道中开展工作。本发明专利技术设计的同时搭载多个探头的线圈支架，具有可满足多探头阵列同时接收的观测需求的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法。
技术介绍
随着“一带一路”战略的提出与进一步的实施部署，我国将在铁路与公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其他领域修建大量的隧道工程。随着在地形与地质条件复杂的山区和岩溶地区中修建的深长隧道工程大量涌现，隧道中的突水突泥灾害表现出了“大埋深，强岩溶，高水压，大流量”的特点。在隧道突水突泥超前预报中如何直接、准确而且定量地识别隧道掌子面前方灾害地质体的水量与赋存信息对于后续注浆封堵等治理工作有着重要的指导意义。其中，直接地定量预报掌子面前方灾害水源的水量问题是隧道突水突泥超前预报中亟需解决的难题。目前，结合超前钻探、掌子面地质素描、地表踏勘并利用综合地球物理的探测与解释方法已成为隧道突水突泥超前预报的普遍思路。在众多勘察地球物理方法中，核磁共振探测是唯一能够直接确定含水体的空间分布、含水量与地层孔隙度等信息的地球物理方法。核磁共振探测利用不接地的回线向地下发射与水中氢质子共振相同频率(拉莫尔频率)的射频电磁波激发并获得地下水核磁共振响应信号。在隧道中应用核磁共振探测技术进行直接探水能够直接得到掌子面前方一定范围内围岩的含水率和孔隙度信息，从而实现对掌子面前突水突泥灾害源的定性识别与定量预报。除核磁共振探测外，与其同属电磁感应类电磁法的瞬变电磁法亦可通过不接地的回线向掌子面前方发射电流脉冲；根据接收到的二次场衰减电压确定地下介质的电性分布结构与地下良导体的空间形态。由于核磁共振的反演与资料解释对于地下电性结构分布信息具有依赖性，近年来，利用瞬变电磁法获得合理电性模型并指导核磁共振反演的联合解释技术得到了广泛的关注。综合两者特点与优势，在隧道中开展核磁共振与瞬变电磁联合解释技术的研究与应用为解决隧道突水突泥灾害超前预报提供了有效办法。目前，应用综合地球物理联合解释技术在隧道突水突泥超前预报中缺乏专门的联用仪器装置。核磁共振探测与瞬变电磁法的联合解释技术需要分别使用两种不同的仪器进行数据的观测与采集。具体来说，存在以下问题：其一，发射波形种类不同。核磁共振探测所用的激发脉冲为单频正弦脉冲，属于频域波形。瞬变电磁法所用的发射脉冲有双极性矩形波、双极性半正弦波以及双极性梯形波等时域波形。完成两种方法的激发脉冲的发射需要两套发射模块或装置。其二，信号接收方式不同。核磁共振探测属于频域感应电磁法，理论上的响应信号为单频的电磁衰减信号。对于单频衰减信号的接收与调理通常采用正交锁定放大技术，核磁共振响应信号夹带着空间中的宽频带电磁噪声经过正交锁定放大后为一窄带信号。瞬变电磁法属于时域感应电磁法，接收到的二次场的衰减电压信号具有丰富的谐波分量。对这样的宽频带电磁信号的接收与调理通常采用一定通带的带通滤波并进行多次叠加，而不能使用正交锁定放大电路。其三，基于传统核磁共振探测与瞬变电磁法的波形发射与响应接收方式，联用仪器装置要采用分布式的实现方式。在实现过程中，一套仪器中内置两个分立的模块各自负责核磁共振与瞬变电磁的发射与接收，仪器系统复杂。其四，由于传统核磁共振使用单频正弦脉冲激发地下含水体的核磁共振响应，仪器发射机需要体积庞大的谐振电容模块；从而仪器体积与重量大大增加，不利于在施工环境复杂的隧道中突水突泥超前预报工作的开展。综上所述，为克服现有技术的不足，专利技术了一种应用于隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器。通过一套装置实现了核磁共振与瞬变电磁两种方法的激发脉冲发射与响应信号的接收。从而能够为核磁共振与瞬变电磁联合解释提供了新的硬件支持，更好地解决突水突泥灾害水源的定量识别与预报问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法，本专利技术用于施工隧道中开展突水突泥超前预报，能够通过一套装置实现核磁共振与瞬变电磁两种方法的激发脉冲发射与响应信号的接收。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，包括主机、发射线圈、接收探头以及上位机系统，主机包括输出核磁共振激发脉冲和瞬变电磁激发脉冲的发射模块，采集核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收模块，实现上位机系统与主机控制模块之间的指令与数据交互的通信模块，控制接收模块、发射模块和通信模块的控制模块，以及进行供电的电源模块；所述发射模块向发射线圈提供脉冲输出，所述接收模块对接收探头采集的信号进行前置滤波放大处理，并将处理后的信号传输给控制模块，实现核磁共振与瞬变电磁激发脉冲的发射与响应信号的接收。所述发射线圈包括线圈支架和发射导线，线圈支架上设置有发射线圈，发射模块接收上位机的发射命令，控制发射线圈发射瞬变电磁激发脉冲和核磁共振激发脉冲。所述线圈支架外部轮廓为正方形，支架内部为米字型结构，支架上设置有九个用于固定接收探头的探头固定孔，探头固定孔均匀分布在米字型结构支架上，能够进行多探头阵列式接收。所发射的核磁共振激发脉冲是拉莫尔频率下的双极性周期方波脉冲；所发射的瞬变电磁激发脉冲是占空比可调的双极性矩形波脉冲。所述发射电路包括桥式IGBT发射电路，每个IGBT反接并联有二级管。所述发射导线上设置有分段接头，通过改变发射导线的长度发射线圈的匝数进行灵活调整。所述主机的控制模块包括主机MCU、时钟电路以及自检电路，其中，所述时钟电路为主机MCU提供工作所需的时钟频率，自检电路实现系统的开机自检，并将自检的结果上传到上位机。一种基于上述仪器的工作方法，包括以下步骤：(1)使用方波核磁共振激发脉冲激发水中的核磁共振响应：根据测量的地磁场磁感应强度计算发射脉冲的发射频率，使用方波核磁共振激发脉冲激发水中的核磁共振响应，发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断；(2)隧道突水突泥核磁共振响应信号采集与提取：脉冲关断后控制模块中向接收模块和接收探头发送信号采集命令，对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波，采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化；(3)隧道突水突泥瞬变电磁响应信号采集与提取：瞬变电磁发采用占空比可调的双极性矩形波脉冲激发，正向或反向激发脉冲关断后，控制模块向接收模块和接收探头发送信号采集命令，对所采集的核磁共振响应信号进行滤波，进行处理。所述步骤(1)中，发射频率为拉莫尔频率的双极性周期方波脉冲对隧道掌子面前方水体中的氢质子进行核磁共振激发。所述步骤(1)中，控制模块根据所计算的发射频率生成一个发射序列并将其发送给发射模块，发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断。所述步骤(1)中，方波脉冲频率是测区内水中氢质子的拉莫尔频率，脉冲形态是双极性的周期方波脉冲，脉冲的频谱仅存在基波分量与奇次谐波分量。所述步骤(2)中，控制模块对信号进行滤波处理提取出窄带的核磁共振响应信号的包络信号，响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术在设计时放弃了传统的单频正弦波激发方式，从而省去了体积庞大的谐振电路，所发射的方波核磁共振激发脉冲与占空比可调的双极性矩形波脉冲通过一套发射回路实现，提高了发射效率；(2)本专利技术采用大功率双极型晶闸管及相关触发电路构成的发射回路体积小、控制精度高且电气绝缘容易实现。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：包括主机、发射线圈、接收探头以及上位机系统，主机包括输出核磁共振激发脉冲和瞬变电磁激发脉冲的发射模块，采集核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收模块，实现上位机系统与主机控制模块之间的指令与数据交互的通信模块，控制接收模块、发射模块和通信模块的控制模块，以及进行供电的电源模块；所述发射模块向发射线圈提供脉冲输出，所述接收模块对接收探头采集的信号进行前置滤波放大处理，并将处理后的信号传输给控制模块，实现核磁共振与瞬变电磁激发脉冲的发射与响应信号的接收。

【技术特征摘要】
1.一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：包括主机、发射线圈、接收探头以及上位机系统，主机包括输出核磁共振激发脉冲和瞬变电磁激发脉冲的发射模块，采集核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收模块，实现上位机系统与主机控制模块之间的指令与数据交互的通信模块，控制接收模块、发射模块和通信模块的控制模块，以及进行供电的电源模块；所述发射模块向发射线圈提供脉冲输出，所述接收模块对接收探头采集的信号进行前置滤波放大处理，并将处理后的信号传输给控制模块，实现核磁共振与瞬变电磁激发脉冲的发射与响应信号的接收。2.如权利要求1所述的一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：所述发射线圈包括线圈支架和发射导线，线圈支架上设置有发射线圈，发射模块接收上位机的发射命令，控制发射线圈发射瞬变电磁激发脉冲和核磁共振激发脉冲。3.如权利要求1所述的一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：所述线圈支架外部轮廓为正方形，支架内部为米字型结构，支架上设置有九个用于固定接收探头的探头固定孔，探头固定孔均匀分布在米字型结构支架上，能够进行多探头阵列式接收。4.如权利要求1所述的一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：所发射的核磁共振激发脉冲是拉莫尔频率下的双极性周期方波脉冲；所发射的瞬变电磁激发脉冲是占空比可调的双极性矩形波脉冲。5.如权利要求1所述的一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：所述发射导线上设置有分段接头，通过改变发射导线的长度发射线圈的匝数进行灵活调整。6.如权利要求1所述的一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，其特征是：所述主机的控制模块包括主机MCU、时钟电路以及自检电路，其中，所述时钟电路为主机MCU提...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，李貅，范克睿，李术才，戚志鹏，聂利超，刘征宇，宋杰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37