提高煤巷核磁共振仪勘探深度的超导装置及信号提取方法
【专利说明】提高煤巷核磁共振仪勘探深度的超导装置及信号提取方法
[0001] 一.技术领域：本发明涉及到一种提高煤巷核磁共振仪勘探深度的超导装置及信 号提取方法，按中华人民共和国国家标准"学科分类与代码"，本发明专利属于地球科学中 的"勘探地球物理学"（编码：1702065)，即，应用地球物理（物探，地球物理勘探）。 二.【背景技术】：
[0002] 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR)找水的基本原理是利用人工激发 的电磁场使地下水中氢核形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动，其进动 频率为氢核所特有，用线圈拾取宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，即可探测地下水是否 存在，这就形成了一种直接找水的方法和仪器。目前，核磁共振（NMR)找水仪的勘探深度只 有100米~150米，如何提高NMR找水仪的勘探深度并使仪器能在环境恶劣的煤矿井下工 作，是急待解决的问题。
[0003] 核磁共振（NMR)找水方法的形成与发展最早由前苏联提出，在上世纪80年代研制 成功世界上第一台核磁共振找水仪，申请了英国、苏联的专利。在其后的10年间，进行了仪 器改进、解释研究，他们的试验遍及原苏联的大部分国土，总结了一套正反演的数学模型及 计算机数据处理程序。1994年法国地质调查局购买了俄罗斯NMR找水仪专利，法国IRIS公 司于1996年生产了 NMR找水仪。在中国，吉林大学和中国地质大学目前已研制了在地面使 用的核磁共振找水仪样机，但是在有干扰的区域，很难取得探测目标的有效数据。目前还在 改进之中。目前国内外，还没有在煤矿井下使用的核磁共振找水仪。
[0004] 核磁共振（NMR)找水仪的勘探深度与NMR晚期延时信号的延时时间成正比，如果 能接收到更晚的NMR延时信号，则意味着勘探深度更大。但是，NMR勘探深度越大，则其信 号衰减的也越大，这导致在150米深处的NMR信号传输到接收仪器处只有几个微伏，是极微 弱的信号。本发明专利对该问题的解决方案是用超导装置接收极微弱的NMR信号并用"最 小二乘小波变换方法"从实测的干扰信号和NMR微弱信号的叠加混合信号中，分离提取核磁 共振微弱信号。
[0005] 由于煤矿井下环境远比地面恶劣，是强电磁干扰区，空间狭小，这导致了在地面使 用的核磁共振找水仪要移植到井下使用还有很多工作要做，仪器的很多方面还需改进，以 便适应煤矿井下的恶劣环境。我国煤矿自然灾害比较严重，"水、火、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、 顶板塌方（冒顶）"，五大灾害俱全。另外还有冲击地压。我国的煤矿井深比较深，有的已 达-700米，一半煤矿是高瓦斯矿井。在高瓦斯矿井工作的仪器要具有防爆性，即仪器在井 下不能引起火花，也就是说不能引爆煤矿井下存在的瓦斯和煤尘，要达到这一目的，减少煤 矿井下使用的仪器的工作电流是人们经常使用的方法，但是核磁共振找水仪的工作电流和 被探测的水中的氢核的集合体在宏观上所表现出的核磁共振信号强度在一定的范围内成 正比。为了激发地下介质的氢质子，对在地面上使用的核磁共振仪而言，要在同一线圈中发 射几千伏的高压，此时发射线圈中的电流最大达到450安，这样大的电流会对仪器系统产 生强大的电流冲击干扰，易导致系统运行异常，且难以达到在高瓦斯矿井工作的仪器要具 有防爆性的要求。目前国内外都是采用降低工作电流来达到防爆性的目的，这就导致核磁 共振信号强度变小，且成为难检测的弱信号，目前地下水产生的核磁共振信号强度为微伏 级。如何检测这种微弱的核磁共振信号，本发明专利给出的解决方法是用超导线圈接收这 种微弱的NMR信号。
[0006] 另一个问题是如何从各种干扰中识别并分离出这种微弱的核磁共振信号？单通 道的NMR地面找水仪通常采用电力线陷波、窄带通滤波、信号多次叠加以及野外铺设"8"字 形线圈等常规干扰技术来提高仪器的信噪比（Trushkin，1994 ;Legchenko Valla, 2003)。 近年来，美国Walsh等利用基于参考线圈的自适应对消（reference coil-based noise cancellation)和FID图像积分（integrated FID imaging)等现代信号检测与处理技术， 有效的抑制了电力线等干扰源的干扰（Walsh，2008)，但对其它类型的干扰没有进行有效的 抑制。在野外，有些地区由于噪声干扰大，以致于无法获得可信的测量结果。图3是我们 在煤矿井下实际观测到的干扰和NMR信号的叠加信号，图4是对图3进行快速傅里叶变换 (FFT)后，求得的图3所对应的频谱图。如何从各种干扰中识别并分离出这种微弱的核磁共 振信号？本发明专利给出的解决方法是用"最小二乘小波变换方法"从实测的干扰信号和 NMR信号的叠加混合信号中，分离提取核磁共振微弱信号。 三.
【发明内容】
：
[0007] 1.发明目的
[0008] 如【背景技术】中所讲，核磁共振（NMR)找水仪的勘探深度与NMR晚期延时信号的延 时时间成正比，如果能接收到更晚的NMR延时信号，则意味着勘探深度更大。但是，NMR勘 探深度越大，则其信号衰减的也越大，这导致在150米深处的NMR信号传输到接收仪器处只 有几个微伏，是极微弱的信号。在地面上为了能够检测到这样微小的信号，一般采用增大发 射线框或增大发射电流的方法来增加发射磁矩M，然而，增加发射磁矩会使测量系统的体积 和重量迅速增大，这使仪器不便在井下携带。另外，煤矿井下的空间有限，煤矿井巷道的横 截面一般是4米X4米，有的稍为大些或小些，这样，在有限的煤矿井中增大发射线框的面 积受到了限制；增加发射线框中导线的匝数也会增加测量系统的重量；增加发射电流可能 会引爆煤矿井下存在的瓦斯和煤尘，使仪器不具有防爆性。在核磁共振找水仪中发射线框 和接收线框是同一个线框。这样如何在煤矿井下接收到只有微伏级的微弱核磁共振信号并 能从各种干扰中识别并分离出这种微弱的核磁共振信号？目前还没有较好的方法、装置或 设备，为了解决这个问题，本发明专利给出了一种在煤矿巷道接收核磁共振微弱信号的超 导装置并用"最小二乘小波变换方法"从实测的干扰信号和NMR信号的叠加混合信号中，分 离提取核磁共振微弱信号的方法。
[0009] 2.技术方案
[0010] 2. 1技术方案的基本思想：提高核磁共振（NMR)找水仪的勘探深度与NMR晚期延 时信号的延时时间成正比，而NMR晚期延时信号是微弱信号，所以如何提高核磁共振（NMR) 找水仪勘探深度的问题基本上等价于如何检测并识别NMR微弱信号。目前在地面检测核磁 共振微弱信号的装置是采用多匝的由铜线组成的大线圈，直径一般为10米XlO米。由于 煤矿井下的巷道空间狭窄，只有4米X 4米的空间，在这样狭小的空间内不适合放置在地面 上使用的大铜线线圈接收煤矿井下的核磁共振微弱信号。另外，由铜线组成的接收大线圈 的重量比较大，在井下携带不方便。本发明专利给出的方案是采用超导装置在煤矿巷道接 收核磁共振微弱信号，并用"最小二乘小波变换方法"从强干扰中分离并识别出核磁共振微 弱信号。
[0011] 2. 2具体的技术方案：为了达到在煤矿井下检测核磁共振微弱信号，从而提高NMR 找水仪勘探深度的目的，本发明专利采用超导接收线圈装置，并用"最小二乘小波变换方 法"分离识别NMR微弱信号。超导接收线圈装置的形状、构造如图1所示。该超导接收线圈 在产品形状和构造方面有以下4个特点 ：
[0012] ①该超导接收线圈由铌-钛或铌-锡合金导线绕成多匝空心螺旋管线圈，并且将 线圈置于低温的液氦杜瓦瓶中，使其成为超导体，该超导螺旋管线圈内电阻率接近零，消耗 的电功也接近零。正因为超导螺旋管线圈内电阻率接近零且消耗的电功也接近零，使得核 磁共振微弱信号在超导接收线圈内损失得也很少，从而衰减得也很慢，这样可探测到晚期 的核磁共振微弱信号，从而提高勘探深度。一般情况下，用普通的非超导多匝大回