用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法及装置与流程

本发明涉及一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法及装置，能够在噪声干扰严重及隧道矿井等特殊环境下，利用磁共振（magneticresonancesounding,mrs）技术进行层状及非层状复杂地下水结构的探测。

背景技术：

磁共振探测技术，作为唯一能够直接探测地下水的地球物理方法，被广泛应用于浅层地下水探测。传统磁共振技术依靠仅为nt级别的天然地磁场，信号幅度有限，极易被噪声淹没，严重制约了磁共振技术的发展。

cn105549098a公开了一种地下全空间核磁共振预极化探测装置及探测方法。由电脑经主控单元及输出可调大功率电源与发射桥路驱动、大功率发射桥路、高电压切换开关与预极化线圈连接，电脑经a/d采集单元、放大器电路、q-switch电路和配谐电容与接收线圈相连构成。利用磁场强度远大于天然地磁场的预极化场，提高了探测目标水体的整体磁化强度，从而获得更大的磁共振信号。该项发明的提出，有效解决了隧道及矿井等地下施工高噪声环境下，突水、涌泥等地质灾害的探测问题，但由于系统仅含有单个发射及接受线圈，仅能针对层状水结构进行一维探测，对于复杂的多维结构水体并不能很好的反映水体真实状况，且单一预极化发射线圈，预极化场的范围及幅度有限，均匀程度不高，一定程度上限制了预极化场的应用。

cn103033849n公开了一种多通道核磁共振地下水探测仪及其野外工作方法。由计算机配置发射机和各接收机的工作参数，各接收机的工作模式可以在核磁共振测量模式和带参考核磁共振测量模式之间进行切换，每个接收机均可连接一个接受线圈和一个参考线圈，参考线圈个数的选取可依据当地噪声环境噪声水平而定，最多可连接8个参考线圈，通过自适应消噪算法及多通道测量模式实现对地下水体的二维探测。该项发明的提出，有效弥补了一维磁共振探测不能解决的非层状复杂含水结构探测问题，但存在传统磁共振探测技术的信号幅度较低的问题，在针对信号被噪声淹没的强噪声干扰情况时，并不能取得有效的磁共振信号，且不支持发射通道的扩展，仅能连接单一发射线圈。

上述发明的磁共振探测装置及方法在某些特殊情况下，均具有较好的探测效果，但都存在一定的局限性。在强噪声环境下，类似人为噪声及电力干扰较强的城镇，及隧道、矿井等大型掘进工程中，均无法对非层状复杂水体进行探测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法,能够提升信号幅度，提高探测信噪比，还能够针对非层状复杂含水结构进行探测，实现人为噪声及电力干扰严重、隧道矿井等大型掘进等高噪声环境下，均匀预极化场的多维磁共振测量方法。

本发明另一方面还提供了一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测装置。

本发明是这样实现的，一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法，

该方法包括：

设置多个直流发射线圈与一个直流/交流发射线圈，发射直流电流形成预极化场，增大水中氢质子磁化强度；

发射一段时间后，切断直流电流，通过直流/交流发射线圈发射拉莫尔频率的交流电流，激发氢质子产生磁共振现象；

关断交流电流后，氢质子释放自由感应衰减磁共振信号，通过设置多个接受线圈以及一个参考线圈分别测量磁共振信号与噪声信号；

通过控制交流电流大小，完成不同脉冲矩的测量。

进一步地，包括以测点为中心，布设直流/交流发射线圈，在测点的四周对称布置有多个直流发射线圈，在噪声源处布置参考线圈。

进一步地，所述预极化磁场的产生包括：通过一计算机以及通讯连接的主控单元控制发射切换控制电路切换到可调直流脉冲发射电路，通入直流/交流发射线圈以及多个直流流发射线圈产生直流电流。

进一步地，切断直流电流后，通过一计算机通讯连接主控单元控制发射切换控制电路切换到可调交流脉冲发射电路，关闭其他直流发射线圈，并通入直流/交流发射线圈交流电流，激发极化后的地下水产生磁共振现象。

进一步地，按照如下的步骤进行探测：

a、在测区内选定测量位置，根据探测需要确定直流/交流发射线圈，直流发射线圈及接收线圈的大小、个数；

b、以测点为中心，布设直流/交流发射线圈，直流发射线圈以及接收线圈；

c、在测区对应测点附近，布设参考线圈，其铺设位置要尽量靠近噪声源，与发射线圈及接收线圈保持距离，以确保参考线圈接收到的是与接收线圈同源的噪声信号且不包含磁共振信号；

d、计算机通过主控单元控制发射切换控制电路切换到可调直流脉冲发射电路，通入直流/交流发射线圈以及各个直流发射线圈中的直流电流大小相同，产生预极化磁场；

e、发射设置的时间后，切断直流电流，计算机通过主控单元控制发射切换控制电路切换到可调交流脉冲发射电路，并通入直流/交流发射线圈设置的交流电流，激发极化后的地下水产生磁共振现象；

f、发射设置的时间后，切断交流电流，计算机通过主控单元控制接收控制电路接收信号，q-switch电路快速释放线圈能量，抑制振铃现象，接收线圈与参考线圈接收到的信号通过放大电路放大，并由a/d转换电路转换为数字信号；

g、接收控制电路将接收到的信号通过主控单元传送至计算机储存；

h、重复步骤c-g,发射相同大小直流、交流电流进行多次测量，保存每次测量的数据至计算机，以确保测量的有效性并通过叠加多次测量数据抑制随机噪声；

i、改变交流电流大小，重复a-h步骤，完成不同脉冲矩的测量；

j、对所保存的磁共振信号及噪声数据进行消噪处理，并通过磁共振反演解释，得到含水量及赋存状态分布图。

一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测装置，该装置包括：

上位机，包括通讯连接的计算机和主控单元；

发射机，包括通过主控单元控制的发射切换控制电路，所述发射切换控制电路选择接入可调直流脉冲发射电路或可调交流脉冲发射电路；

直流/交流发射线圈以及多个直流发射线圈，与发所述射切换控制电路的输出连接，通过发射切换控制电路选择接入可调直流脉冲发射电路通入直流电，通过多个直流发射线圈，产生均匀且远高于nt级别地磁场的预极化磁场，在强磁化作用下，增大地下水中氢质子宏观磁矩；

通过发射切换控制电路关断直流电流并接入可调交流脉冲发射电路，控制通入直流/交流发射线圈拉莫尔频率的交流电流，发射一段时间；

接收机，通过主控单元控制，包括与多个接受线圈以及一个参考线圈连接的q-switch电路，接受多个接受线圈采集的磁共振信号以及参考线圈采集的噪声信号，并将信号放大转换后存入至计算机内。

进一步地，在噪声源处布置参考线圈。

进一步地，所述接收机包括q-switch电路采集信号后通过放大电路放大后经由a/d转换电路后经由接收控制电路传递至主控单元。

进一步地，发射机按照设置的时间发射后，切断交流电流，计算机通过主控单元控制接收控制电路接收信号，q-switch电路快速释放线圈能量，抑制振铃现象，接收线圈与参考线圈接收到的信号通过放大电路放大，并由a/d转换电路转换为数字信号。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明公开的预极化场磁共振多通道探测装置及方法适用于噪声干扰严重，含水结构复杂多变的二维、三维地下水探测，通过多线圈的预极化场发射模式对探测水体进行预极化，有效增强了探测水体磁化强度，从而提升了信号幅度，信号更不容易被噪声淹没，有效提升了探测信噪比；多预极化发射线圈的模式进一步提高了预极化场强度，相对于单一预极化场发射模式产生的预极化场更为均匀，探测灵敏度及信号变化过渡更为稳定；通过多通道的接收方式，实现测点附近多通道数据及噪声的采集，信息量更为丰富，为噪声消除提供了更多方案，进一步提高了仪器的抗干扰能力。

附图说明

图1用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测装置的结构框图；

图2预极化场磁共振发射时序图；

图3预极化场磁共振多通道探测示意图。

1上位机；2发射机；3接收机；4计算机；5主控单元；6可调直流脉冲发射电路；7可调交流脉冲发射电路；8发射切换控制电路；9直流/交流发射线圈；10第1直流发射线圈；11第2直流发射线圈；12第3直流发射线圈；13第4直流发射线圈；14接收控制电路；15a/d转换电路；16放大电路；17q-switch电路；18第1接收线圈；19第2接收线圈；20第3接收线圈；21第4接收线圈；22第5接收线圈；23第6接收线圈；24第7接收线圈；25第8接收线圈；26参考线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1，预极化场磁共振多通道探测装置，主要由上位机1、发射机2、接收机3及接收线圈四个功能模块组成，上位机1，包括通讯连接的计算机4和主控单元5；

发射机2，包括通过主控单元控制的发射切换控制电路8，所述发射切换控制电路8选择接入可调直流脉冲发射电路6或可调交流脉冲发射电路7；

直流/交流发射线圈9以及多个直流发射线圈（10-13），与发所述射切换控制电路8的输出连接，通过发射切换控制电路8选择接入可调直流脉冲发射电路通入直流电，通过多个直流发射线圈，产生均匀且远高于nt级别地磁场的预极化磁场，在强磁化作用下，增大地下水中氢质子宏观磁矩；

通过发射切换控制电路关断直流电流并接入可调交流脉冲发射电路7，控制通入直流/交流发射线圈拉莫尔频率的交流电流，发射一段时间；

接收机3，通过主控单元3控制，包括与多个接受线圈（18-25）以及一个参考线圈26连接的q-switch电路17，接受多个接受线圈采集的磁共振信号以及参考线圈采集的噪声信号，并将信号放大转换后存入至计算机内。

接收机包括q-switch电路采集信号后通过放大电路放大后经由a/d转换电路后经由接收控制电路传递至主控单元。

探测时，计算机4经主控单元5控制发射切换控制电路8，选择接入可调直流脉冲发射电路6并通入直流/交流发射线圈9、第1直流发射线圈10、第2直流发射线圈11、第3直流发射线圈12及第4直流发射线圈13直流电流，通过多个直流发射线圈，产生均匀且远高于nt级别地磁场的预极化磁场，在强磁化作用下，增大地下水中氢质子宏观磁矩，随后关断直流电流并接入可调交流脉冲发射电路7，控制通入直流/交流发射线圈9拉莫尔频率的交流电流，发射一段时间后，关断交流电流并由q-switch电路17快速释放能量，主控单元5控制接收控制电路14接收第1接收线圈18，第2接收线圈19，第3接收线圈20，第4接收线圈21，第5接收线圈22，第6接收线圈23，第7接收线圈24及第8接收线圈25采集的磁共振信号，参考线圈26采集噪声信号，采集到的信号通过放大电路16放大并通过a/d转换电路15转化为数字信号，接收控制电路14通过主控单元5传送给计算机4储存。

如图2，预极化场磁共振多通道探测方法的时序为，首先发射直流电流形成预极化场，增大水中氢质子磁化强度，随后发射拉莫尔频率交流电流，激发氢质子产生磁共振现象，关断交流电流后，氢质子释放自由感应衰减磁共振信号，通过控制交流电流大小，完成不同脉冲矩的测量。

一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法，

该方法包括：设置多个直流发射线圈与一个直流/交流发射线圈，发射直流电流形成预极化场，增大水中氢质子磁化强度；

发射一段时间后，切断直流电流，通过直流/交流发射线圈发射拉莫尔频率的交流电流，激发氢质子产生磁共振现象；

关断交流电流后，氢质子释放自由感应衰减磁共振信号，通过设置多个接受线圈以及一个参考线圈分别测量磁共振信号与噪声信号；

通过控制交流电流大小，完成不同脉冲矩的测量。

以测点为中心，布设直流/交流发射线圈，在测点的四周对称布置有多个直流发射线圈，在噪声源处布置参考线圈。

预极化磁场的产生包括：通过一计算机以及通讯连接的主控单元控制发射切换控制电路切换到可调直流脉冲发射电路，通入直流/交流发射线圈以及多个直流流发射线圈产生直流电流。

切断直流电流后，通过一计算机通讯连接主控单元控制发射切换控制电路切换到可调交流脉冲发射电路，关闭其他直流发射线圈，并通入直流/交流发射线圈交流电流，激发极化后的地下水产生磁共振现象。

实施例1

一种用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法，主要由上位机1、发射机2、接收机3及探测线圈四个功能模块组成，探测时，计算机4经主控单元5控制发射切换控制电路8，选择接入可调直流脉冲发射电路6并通入直流/交流发射线圈9、第1直流发射线圈10、第2直流发射线圈11、第3直流发射线圈12及第4直流发射线圈13直流电流，通过多个直流发射线圈，产生均匀且远高于nt级别地磁场的预极化磁场，在强磁化作用下，增大地下水中氢质子宏观磁矩，随后关断直流电流并接入可调交流脉冲发射电路7，控制通入直流/交流发射线圈9拉莫尔频率的交流电流，发射一段时间后，关断交流电流并由q-switch电路17快速释放能量，主控单元5控制接收控制电路14接收第1接收线圈18，第2接收线圈19，第3接收线圈20，第4接收线圈21，第5接收线圈22，第6接收线圈23，第7接收线圈24及第8接收线圈25采集的磁共振信号，参考线圈26采集噪声信号，采集到的信号通过放大电路16放大并通过a/d转换电路15转化为数字信号，接收控制电路14通过主控单元5传送给计算机4储存。

用预极化场增强信号幅度的磁共振多通道探测方法包括以下顺序和步骤：

a、如图3在测区内选定测量位置，根据探测需要选定50m直径圆形直流/交流发射线圈9，4个20m直径圆形预极化场线圈，分别为第1直流发射线圈10，第2直流发射线圈11，第3直流发射线圈12，第4直流发射线圈，3个40m直径圆形接收线圈，分别为第1接收线圈18，第2接收线圈19，第3接收线圈20；

b、连接仪器，计算机4连接主控单元5，主控单元5连接可调直流脉冲发射电路6，可调交流脉冲发射电路7及发射切换控制电路8，可调直流脉冲发射电路6及可调交流脉冲发射电路7连接发射切换控制电路8，发射切换控制电路8连接直流/交流发射线圈9，第1直流发射线圈10，第2直流发射线圈11，第3直流发射线圈12及第4直流发射线圈13，主控单元5连接接收控制电路14，接收控制电路14连接a/d转换电路15，a/d转换电路15连接放大电路16，放大电路16连接q-switch电路17，q-switch电路17连接第1接收线圈18，第2接收线圈19，第3接收线圈20。

c、以测点为中心，布设直流/交流发射线圈9，第1直流发射线圈10，第2直流发射线圈11，第3直流发射线圈12，第4直流发射线圈13，第1接收线圈18，第2接收线圈19,第3接收线圈20。

d、在测区对应测点附近，布设参考线圈26，其铺设位置要尽量靠近噪声源，与直流/交流发射线圈9，第1直流发射线圈10，第2直流发射线圈11，第3直流发射线圈12，第4直流发射线圈13，,第1接收线圈18，第2接收线圈19，第3接收线圈20保持一定距离，以确保参考线圈26接收到的是与接收线圈同源的噪声信号且不包含磁共振信号；

e、计算机4通过主控单元5控制发射切换控制电路8切换到可调直流脉冲发射电路6，通入直流/交流发射线圈9，第1直流发射线圈10，第2直流发射线圈11，第3直流发射线圈12，第4直流发射线圈13120a直流电流，产生预极化磁场；

f、发射8s后，切断直流电流，计算机4通过主控单元5控制发射切换控制电路8切换到可调交流脉冲发射电路7，并通入直流/交流发射线圈940a的交流电流，激发极化后的地下水产生磁共振现象；

g、发射一段时间后，切断交流电流，计算机4通过主控单元5控制接收控制电路14接收信号，q-switch电路17快速释放线圈能量，抑制振铃现象，第1接收线圈18，第2接收线圈19,第3接收线圈20，参考线圈26接收到的信号通过放大电路16放大，并由a/d转换电路15转换为数字信号；

h、接收控制电路14将接收到的信号通过主控单元5传送至计算机4储存；

i、重复步骤c-h,发射120a直流、40a交流电流进行16次测量，保存每次测量的数据至计算机4，以确保测量的有效性并通过叠加多次测量数据抑制随机噪声；

j、重复a-i步骤，分别发射交流电流40-200a10组，完成不同脉冲矩的测量。

k、对所保存的磁共振信号及噪声数据进行消噪处理，并通过磁共振反演解释，得到含水量及赋存状态分布图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。