一种基频可控的宽频带核磁共振及其最佳响应提取方法技术

本发明专利技术提出了一种基频可控的宽频带核磁共振及其最佳响应提取方法，激发脉冲由多组不同频率的多周期单/双极性周期方波脉冲组成，由于摒弃了传统的单频正弦波而采用方波脉冲激发，使得脉冲发射电路省去了庞大的谐振模块，发射电路容易通过固态实现；激发脉冲具有多频谱成分能够对多个频点上的核磁共振响应响应进行同时激发。本发明专利技术的信号提取方法，能够从接收到的核磁共振响应信号中提取出多个频率分量并判断其是否为最佳响应信号，根据判断结果，调整激发脉冲发射参数实现对一定频带范围内的激发频率进行电子扫描从而提取到最佳核磁共振响应信号；信号提取通过数值滤波算法实现，不增加接收机数目。

Wide band nuclear magnetic resonance controlled by fundamental frequency and its best response extraction method

The invention provides a wide frequency controllable with NMR and optimal response extraction method, the excitation pulse by multiple cycles of different sets of single frequency / bipolar cycle square wave pulses, due to abandon the traditional single frequency sine wave and square wave with pulse excitation, the pulse circuit saves huge resonance module easy to achieve by solid state transmitter circuit, with multiple frequency components; excitation pulse of NMR signals of multiple frequency on the response were excited at the same time. The signal extraction method of the invention, signal can be extracted from a plurality of frequency components and determine whether the best response signal from the received magnetic resonance response, according to the judgment result, adjust the emission parameters of excitation frequency on a certain frequency range of electronic scanning can be extracted to achieve optimal magnetic resonance response signal; the numerical algorithm of signal extraction, without increasing the number of receivers.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于应用地球物理领域，具体涉及一种基频可控的宽频带、多频率分量方波核磁共振激发脉冲，以及基于此脉冲提取最佳核磁共振响应信号的工作方法。
技术介绍
核磁共振探测作为一种能够直接对地下含水体进行定量识别的非侵入电磁探测方法，目前已经被应用于地下水探查、滑坡检测、石油测井以及岩石试样检测等诸多地球物理领域。基于原子核能级跃迁与核磁弛豫的原理，核磁共振探测利用水中氢质子的宏观磁矩受到人工射频磁场的激发，并在关断激发电流后所产生的自由衰减信号直接探明含水层(体)以及含水致灾构造的含水率、渗透特性与(充填)孔隙结构。野外工作中，核磁共振探测所要满足的共振条件是激发磁场的频率与测区内拉莫尔频率相等。由于地磁场分布不均、地磁场的时间变化、局部磁异常以及仪器误差等复杂因素，激发频率往往会不可避免的偏离真实的拉莫尔频率，由此产生的核磁共振响应称为偏共振响应。较之于共振响应，偏共振响应信号在幅值、相位以及波形特征上发生了极大的畸变，从而干扰资料的反演与含水率与渗透系数的估算，最终导致对含水层(体)空间位置及充填水量等信息的误判。此外，在实际工作中，由于核磁共振探测的深度与分辨率会受到激发线圈磁矩、地层导电性质，激发磁场频率等因素的影响，含水层或水体的核磁共振响应信号存在难以被可靠激发和提取的问题。具体来说，存在以下难题与不足：(1)由于测区内地球磁场的不均匀性，激发频率与拉莫尔频率之间存在一定的频率偏差，从而导致地下含水层或水体中的核磁共振响应不能被可靠的激发。此时所观测到的响应为偏共振响应。较之于共振响应，偏共振响应受激发频率偏差的影响，在幅值、相位以及波形特征上发生不同程度的畸变；从而干扰后续的资料反演与含水率以及导水特性的估算与判断。(2)当测区内地下围岩为超基性岩，基性、中性岩或者变质岩等高磁性岩石以及围岩中含有铁磁性矿物时，使用采用传统方法获得的激发频率进行核磁共振探测可能无法将整个含水层或水体中的氢质子可靠的激发。(3)在进行隧道超前预报的洞内探查时，由于观测空间狭小，前方地磁场变化程度未知，采用多点测量取平均的方式获得地磁感应强度的估计值仅能反应掌子面后方隧道洞室内的平均地磁感应强度；加之激发磁场的辐射范围与强度均有限，此时激发频率的微小偏移便可使核磁共振信号的初始振幅大大降低，使得后续的资料解释中误判的可能性大大提高。(4)目前，核磁共振的激发方式为单频正弦波脉冲激发，一次激发仅能发送一个频率的激发脉冲。为了发射特定频率的正弦脉冲信号，发射机需要一整套的功率器件以及相关触发控制电路与体积庞大的谐振电路。在复杂工作环境下，由于激发频率与拉莫尔频率存在偏差而导致无法观测到核磁共振响应信号时，需要重新调整发射谐振电路的谐振频率再次激发。由于不能对拉莫尔频率进行准确定位，故不能判断应当增加或减小激发频率；实际工作中，往往要凭借经验进行多次调频谐振激发。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基频可控的宽频带核磁共振及其最佳响应提取方法，为实际探测中核磁共振响应的可靠激发与最佳响应信号的提取提供了新的可行方案。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：基频可控的宽频带核磁共振激发脉冲的最佳相应信号提取方法，包括以下步骤：步骤一，使用磁力仪测量测区内地球磁场的磁感应强度值B0并计算对应的拉莫尔频率γp|B0|＝2πfL，其中γp是水中氢质子的旋磁比常数；步骤二，选取步骤一计算出的激发频率fL作为脉冲中心频率fc并在fc的两边对称的取2m个频点，构成2m+1个基频；步骤三，调整每个基频的方波所持续的周期数ni，使得激发脉冲频谱的基波分量形成一定宽度的主频带，主频带的宽度由激发脉冲的基波数目所控制；主频带内的N个频谱峰值均匀排列且对应的频谱幅度之间的差别不大于10％；步骤四，调节不同的激发电流强度大小后发射激发脉冲，以获得一组激发脉冲矩，按照每个激发脉冲矩对应电流强度依次发射激发脉冲，并在每次脉冲关断后接收核磁共振响应信号；步骤五，根据主频带内的N个频谱峰值对应的频率设置N个信道，用于提取N个频率上的核磁共振响应信号，各个信道的中心频率为N个频谱峰值对应的频率大小；步骤六，采用数值滤波的方法，按照步骤五设置的N个信道，对应提取步骤四中所接收的核磁共振信号在N个频率上的实分量、正交分量与相位；步骤七，重复步骤四到步骤六完成所有脉冲矩发射和响应信号观测后，将各个信道内提取到的响应信号的实分量与正交分量分别绘制各自的Ei-q曲线，根据各个信道内实分量Ei-q曲线的特征判断是否提取到最佳响应信号；所述的Ei-q曲线是指第i个接收信道中响应信号的初始振幅与激发脉冲矩的关系曲线；步骤八，当提取到最佳响应信号后，记录下最佳响应信号所在接收信道的中心频率，将该中心频率作为本测区内的最佳激发频率，并按照最佳激发频率完成整个探测工作；步骤九，若没有提取到最佳响应信号，则调节中心频率大小使主频带在频率轴上向左/右移动进行扫描，重复步骤三到步骤七，直到接收到最佳响应信号。进一步地，所述的步骤四中的激发脉冲矩是指激发脉冲的持续时间T与激发脉冲电流强度大小以及主频带内各频谱幅度的乘积；一组激发脉冲矩的数目为10～16个。进一步地，所述的激发脉冲由多组不同频率的多周期单/双极性周期方波脉冲组成，激发脉冲的函数为：其中，ωi(i＝1,2,…,m)是组成激发脉冲的各个方波的角频率，t为时间参数，θ1～θm是控制激发脉冲函数的电角度的初相位，fi＝ωi/2π为第i个基频，Ti＝fi是对应的周期；ni是第i个基频上的方波所持续的周期数，T＝n1T1+n2T2+n3T3+······+nmTm是整个激发脉冲的持续时间，k是整个激发脉冲的周期数。进一步地，所述的步骤二中采用以下频率控制函数对激发脉冲的基频进行控制：其中，f1<f2<…<fm，当m为奇数时，位于中间的频率称为中心频率。本专利技术与现有技术相比具有以下技术特点：1.本专利技术提出了一种基频可控的宽频带核磁共振激发脉冲及其最佳响应信号提取方法，最佳响应信号的提取方法包括激发脉冲波形设计，多信道(频率)扫频核磁共振响应信号激发与接收以及最佳响应信号识别与提取三个部分，所提出的技术方案为实际探测中核磁共振响应的可靠激发与最佳响应信号的提取提供了新的可行方案；2.本专利技术所提出的扫频核磁共振激发脉冲由多组不同频率的多周期单/双极性周期方波脉冲组成，单/双极性的方波脉冲发射可通过半/全桥IGBT电路实现，为仪器的灵活设计留有空间；由于摒弃了传统的单频正弦波而采用方波脉冲激发，使得脉冲发射电路省去了庞大的谐振模块，发射电路容易通过固态实现、体积轻巧且易于控制；3.本专利技术所提出的激发脉冲具有多频谱成分，其频谱特征可以根据测区实际进行灵活调节，适于探测的脉冲频谱兼顾了主频带的宽度、频谱成分的密度与分布的均匀程度，含有多频率分量的激发脉冲能够对多个频点上的核磁共振响应响应进行同时激发；4.本专利技术所提出的多信道(频率)核磁共振响应信号激发与最佳响应信号识别与提取方法能够对一次激发的多个频点上的核磁共振响应信号同时进行接收，根据所接收的信号调节激发脉冲的中心频率使得主频带能够左右移动进行扫描；在进行扫描的过程中，操作员能够根据各个接收信道中响应信号的幅值，形态以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基频可控的宽频带核磁共振及其最佳响应提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，使用磁力仪测量测区内地球磁场的磁感应强度值B0并计算对应的拉莫尔频率γp|B0|＝2πfL，其中γp是水中氢质子的旋磁比常数；步骤二，选取步骤一计算出的激发频率fL作为脉冲中心频率fc并在fc的两边对称的取2m个频点，构成2m+1个基频；步骤三，调整每个基频的方波所持续的周期数ni，使得激发脉冲频谱的基波分量形成主频带，主频带内的N个频谱峰值均匀排列且对应的频谱幅度之间的差别不大于10％；步骤四，调节不同的激发电流强度大小后发射激发脉冲，以获得一组激发脉冲矩，按照每个激发脉冲矩对应电流强度依次发射激发脉冲，并在每次脉冲关断后接收核磁共振响应信号；步骤五，根据主频带内的N个频谱峰值对应的频率设置N个信道，用于提取N个频率上的核磁共振响应信号，各个信道的中心频率为N个频谱峰值对应的频率大小；步骤六，采用数值滤波的方法，按照步骤五设置的N个信道，对应提取步骤四中所接收的核磁共振信号在N个频率上的实分量、正交分量与相位；步骤七，重复步骤四到步骤六完成所有脉冲矩发射和响应信号观测后，将各个信道内提取到的响应信号的实分量与正交分量分别绘制各自的Ei‑q曲线，根据各个信道内实分量Ei‑q曲线的特征判断是否提取到最佳响应信号；所述的Ei‑q曲线是指第i个接收信道中响应信号的初始振幅与激发脉冲矩的关系曲线；步骤八，当提取到最佳响应信号后，记录下最佳响应信号所在接收信道的中心频率，将该中心频率作为本测区内的最佳激发频率，并按照最佳激发频率完成整个探测工作；步骤九，若没有提取到最佳响应信号，则调节中心频率大小使主频带在频率轴上向左/右移动进行扫描，重复步骤三到步骤七，直到接收到最佳响应信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基频可控的宽频带核磁共振及其最佳响应提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，使用磁力仪测量测区内地球磁场的磁感应强度值B0并计算对应的拉莫尔频率γp|B0|＝2πfL，其中γp是水中氢质子的旋磁比常数；步骤二，选取步骤一计算出的激发频率fL作为脉冲中心频率fc并在fc的两边对称的取2m个频点，构成2m+1个基频；步骤三，调整每个基频的方波所持续的周期数ni，使得激发脉冲频谱的基波分量形成主频带，主频带内的N个频谱峰值均匀排列且对应的频谱幅度之间的差别不大于10％；步骤四，调节不同的激发电流强度大小后发射激发脉冲，以获得一组激发脉冲矩，按照每个激发脉冲矩对应电流强度依次发射激发脉冲，并在每次脉冲关断后接收核磁共振响应信号；步骤五，根据主频带内的N个频谱峰值对应的频率设置N个信道，用于提取N个频率上的核磁共振响应信号，各个信道的中心频率为N个频谱峰值对应的频率大小；步骤六，采用数值滤波的方法，按照步骤五设置的N个信道，对应提取步骤四中所接收的核磁共振信号在N个频率上的实分量、正交分量与相位；步骤七，重复步骤四到步骤六完成所有脉冲矩发射和响应信号观测后，将各个信道内提取到的响应信号的实分量与正交分量分别绘制各自的Ei-q曲线，根据各个信道内实分量Ei-q曲线的特征判断是否提取到最佳响应信号；所述的Ei-q曲线是指第i个接收信道中响应信号的初始振幅与激发脉冲矩的关系曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：李貅，范克睿，戚志鹏，刘斌，周建美，刘文韬，刘征宇，聂利超，任玉晓，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61