地下全空间核磁共振预极化探测装置及探测方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种利用地球物理勘探设备及方法，尤其是利用核磁共振(NuclearMagnetic Resonance，NMR)探测技术在矿井隧道等地下全空间进行深层探测。
【背景技术】
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[0002]在地下施工过程中，尤其是隧道、矿井等大型的地下掘进工程中，由于地质条件复杂，经常会遇到由地下水引起的突水、涌泥等地质灾害问题，影响施工进度，并且给施工安全带来巨大的隐患。对施工区域上下、左右及前方的水赋存状态进行精确、有效的探测，成为地球物理勘探方法中的一个重要研究方向。
[0003]CN102053280A公开了一种带有参考线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法。通过多路A/D采集单元同步采集发射/接收线圈中的核磁共振信号以及参考线圈中噪声信号的全波形数据，通过计算参考线圈采集的噪声信号与核磁共振信号的最大相关性，实现参考线圈最佳位置和数量的布设，在信号和噪声统计特性未知的情况下，采用变步长自适应算法，最大限度对消发射/接收线圈获得核磁共振信号中的噪声。该发明的有益之处是:一定程度上实现了多场源噪声干扰下核磁共振信号的提取，有效地解决了居民区核磁共振探测干扰多、多种干扰噪声数据难以分离的问题，但同样面临着在狭小空间中参考线圈布设困难、应用受限的局限。
[0004]CN102062877A公开了一种对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法。是由计算机通过串口总线分别与系统控制器、大功率电源、信号采集单元相连，系统控制器经桥路驱动器、大功率H型发射桥路和配谐电容与发射线圈相连，接收线圈经保护开关、信号调理单元、放大器与信号采集单元相连结构成。采用垂直布设线圈模式，有效的降低了线圈的占用面积，使该装置可以在狭小的空间中展开勘探工作。但是上述发明的对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法仅仅采用天然地磁场，其磁场强度只有几十uT，相对微弱，而且地磁场方向不可改变，采用该装置不能准确分辨出是探测的前方还是后方存在含水体，即不能实现定向超前探测的目的。而且由于天然地磁场的磁场强度微弱，所以不能准确获得前方水体的含水层厚度、含水量大小等重要信息参数。
[0005]上述发明的核磁共振找水装置针对特殊的需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果，但都存在一些不足:在空间狭小、环境复杂的地下掘进工程中，地面核磁共振探测中比较有效的方法，类似多通道参考线圈消噪方法均因空间受限面临实现困难、线圈匝数不够而不能接收到有效信号等对工作环境适应差的问题；同时在针对隧道、矿井等大型的地下掘进工程中的核磁共振找水装置中，虽然采用了多匝小线圈接收的方式，解决了狭小空间接收线圈铺设的问题，但在强噪声复杂地下工程中仍然存在核磁共振信号与强背景噪声相比很小，即信噪比很低的问题。
【发明内容】
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[0006]本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于空间狭小、背景噪声复杂的地下掘进工程，利用预极化线圈产生的磁场强度远远大于天然地磁场的预极化磁场，从而提高水体的整体磁化强度，进而提高了信噪比，实现对地下掘进工程中灾害水源的精确测量，准确定位、减少因前方地质情况不明所引发的突水、涌泥、塌方冒顶等地质灾害的地下全空间核磁共振预极化探测装置。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]地下全空间核磁共振预极化探测装置，是由电脑I经输出可调的大功率电源2、大功率发射桥路4与预极化线圈12的一端连接，电脑I经主控制单元6、发射桥路驱动3、大功率发射桥路4和高压切换开关5与预极化线圈12的另一端连接，主控制单元6分别与发射桥路驱动3、高压切换开关5、Q-switch电路8和A/D采集单元10连接，电脑I经A/D采集单元10、放大器电路9、Q-switch电路8和配谐电容7与接收线圈11连接，预极化线圈12与能释电路13连接构成。
[0009 ]地下全空间核磁共振预极化探测方法，包括以下步骤:
[0010]a、在测区内选择一探测点，以该探测点的假想直立面为线圈的铺设平面，铺设接收线圈11与预极化线圈12;
[0011]b、电脑I通过串口线控制输出可调的大功率电源2，通过改变其输出电压的大小，来改变在预极化线圈12上的激发电流的大小，即产生不同强度的预极化磁场，通过不同强度磁场的极化，实现距离预极化线圈不同远近水体的探测。
[0012]C、主控制单元6产生7s预极化场极化时间，通过发射桥路驱动3对大功率发射桥路4进行驱动，发射桥路4被驱动后，主控制单元6控制高压切换开关5，使其处于闭合状态，利用大功率电源2产生的输出电压向预极化线圈12施加电流，实现对前方水体的极化；
[0013]d、在极化时，主控制单元6控制Q-swi tch电路8和A/D采集单元10，使其处于断开(不工作)状态，当激发结束后，经过7s，主控制单元6控制发射桥路驱动3使发射桥路4不被驱动，结束对预极化线圈12施加电压。
[0014]e、当结束对预极化线圈12的供电后，预极化线圈12上的能量不会自己迅速消失，通过能释电路13来迅速消耗预极化线圈12上的能量，这段能释时间在15ms内，然后主控制单元6控制Q-swi tch电路8对接收线圈11受到预极化线圈12能量影响产生的振铃现象进行抑制；
[0015]f、放大器电路9对经过Q-switch电路8已经抑制振铃现象的信号进行放大后送至A/D采集单元10，在开始A/D采集之前的Q-swi tch电路的工作时间为5ms，主控制单元6控制A/D采集单元10的采集开始与结束时间，在控制A/D采集单元10采集时不关闭Q-swi tch，A/D采集的时间为3s，A/D采集单元10利用模数转换器将放大器电路H输出的模拟信号转换成数字信号，并将转换后得到的数据送至电脑I，进行数据的显示，之后将Q-switch电路和A/D采集单元都停止，进入一段持续4s的等待时间这是一个工作周期；
[0016]g、重复步骤c一f，进行连续叠加探测，显示连续叠加探测得到的磁共振信号，将获得的准确数据保存；
[0017]h、将步骤g显示与保存的核磁共振信号进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅、频率参数，将测得的数据进行反演处理，计算出指定方向上、设定距离、设定区域内的含水量、渗透率水文地质参数，为可能发生的突水、涌泥地质灾害提供预报依据。
[0018]有益效果:本发明公开的地下全空间核磁共振预极化探测方法适用于环境噪声复杂多变以及空间分布不均匀的矿井、隧道等全空间地质环境。预极化线圈产生的预极化磁场的磁场强度远大于几十uT的地磁场强度，从而增强探测水体的整体磁化强度，增大核磁共振信号，进而提高信噪比，因此可以适用于噪声强且环境噪声复杂多变的环境，解决了难以在强噪声干扰的情况下提取核磁共振信号的难题。预极化线圈产生的磁场强度随距离变化，产生一个梯度磁场，提高了探测的分辨率。预极化磁场的方向可以改变，能够实现定向探测。采用该发明装置对隧道、矿井等地下工程中的含水体进行探测时，不仅可以准确、有效地检测出是否存在含水体，以及含水体的含水量大小、含水层的厚度，而且可以实现对指定方向、特定距离的区域定向探测的目的，从而能够更加可靠、精确的找到含水体的位置，解决含水体的精确定位难题。本发明的提出，解决了难以在强噪声干扰的情况下提取核磁共振信号的难题以及含水体的精确定位难题，具有很大的现实意义。
【附图说明】
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[0019]图1是地下全空间核磁共振预极化探测装置的结构框图
[0020]图2是地下全空间核磁共振预极化探测方法的时序图
[0021]I电脑，2输出可调的大功率电源，3发射桥路驱动，4大功率发射桥路，5高压切换开关，6主控制单元，7配谐电容，8Q-switch电路，9放大器电路，10A/D采集单元，11接收线圈，12预极化线圈，13能释电路。
【具体实施方式】
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[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0023]地下全空间核磁共振预极化方式探测装置，是由电脑I通过串口总线与主控制单元6及输出可调的大功率电源2相连，主控制单元6通过控制线与发射桥路驱动3相连，发射桥路驱动3通过信号线与大功率发射桥路4相连，大功率电源2的输出端通过交互信号线与大功率发射桥路4相连，发射桥路4的输出端通过信号线与高压切换开关5相连，高压切换开关5通过信号线与预极化线圈12的一端相连，发射桥路4通过信号线与预极化线圈12另一端相连。接收线圈11通过信号线与配谐电容7的一端相连，配谐电容7的另一端通过信号线与Q-swi tch电路8的输入端相连，Q-swi tch电路8的输出端通过信号线与放大器电路9的输入端相连，放大器电路9的输出端通过信号线与A/D采集单元10的输入端相连，A/D采集单元10的输出端通过数据线与电脑I相连。主控制单元6通过控制线分别与高压切换开关5、Q-switch电路8及A/D采集单元10相连。
[0024]预极化场的先开始对探测目标进行极化，这时Q-switch电路和A/D采集单元都先不工作。当预极化场的开启时间过7s后停止对预极化场的激发，这时能释电路开始对预极化线圈的能量进行迅速的释放时间在15ms内，能释时间过后，开启Q-swi tch电路，对振铃现象进行抑制，开启5ms后开始A/D采集，这时并不关闭Q-swi tch，A/D采集3s后，将Q-switch电路和A/D采集单元都停止，进入一段持续4s的等待时间后，在开始下一个周期，多次周期测量后进行叠加显示及保存。
[0025]地下全空间核磁共振预极化探测方法，包括以下步骤:
[0026]a、在测区内选择一探测点，以该探测点的假