[發明專利]一種偽隨機掃頻核磁共振探測儀器

有效

• 申請號: 201610431261.8
• 申請日: 2016-06-16
• 公開（公告）號: CN106383364B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 李術才;范克睿;李貅;劉征宇;劉斌;張欣欣;聶利超;宋杰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01V3/14
• 分類號: G01V3/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明屬于地球物理探測領域，涉及一種可用于隧道突水突泥超前預報與地下水探查的偽隨機掃頻核磁共振探測儀器。

背景技術

核磁共振探測是一種能夠探明地下含水體位置以及孔隙度并直接估算其水量的地球物理新方法。其原理是利用頻率等于水中氫質子在地球磁場下的拉莫爾頻率的人工射頻激發場激發后產生的自由衰減信號對地下含水體直接的進行定量識別。目前，地面核磁共振、鉆孔核磁共振以及實驗室核磁共振已被廣泛應用于地下水探查、滑坡檢測、石油測井以及巖石試樣檢測等諸多地球物理領域。由于核磁共振具有能夠直接找水的特點，在隧道不良地質以及突水突泥超前預報的研究與應用中有著顯著的方法優勢和重要的發展意義。

野外工作與洞內探查過程中，準確測量測區內的地球磁場并求出拉莫爾頻率，再用儀器發射頻率與之相等的核磁共振激發脈沖是獲得可靠核磁共振響應信號的關鍵。由于地球磁場隨時間變化且分布不均、前方地質體可能存在磁異常以及儀器誤差等因素；激發脈沖的頻率往往偏離真實的拉莫爾頻率。由此產生的核磁共振響應信號的幅值將大大減小以至于淹沒于環境電磁噪聲之中造成無法觀測到核磁共振響應信號的現象。目前，在核磁共振儀器設計與研發的問題上，普遍將研究重點放在信號調理、噪聲抑制以及天線優化等方面。而對如何避免激發頻率偏離真實拉莫爾頻率方面，缺乏足夠的研究，沒有行之有效的解決方法。

具體來說，核磁共振探測儀器的設計與研發存在以下難題與不足：

(1)在隧道中進行洞內探查時，若掌子面前方圍巖為基性、超基性或變質巖等高磁性巖體以及圍巖中含有鐵磁性礦物，掌子面前方地球磁場磁感應強度的大小與傾角由于上述磁性異常產生畸變，核磁共振的激發頻率——拉莫爾頻率隨之做相應的變化。由于前方地球磁場參數未知，此時采用掌子面后隧道洞室內測量的地球磁場計算出激發頻率與前方真實拉莫爾頻率存在偏差，不能可靠的激發前方災害水體中的核磁共振響應。

(2)核磁共振激發脈沖采用單頻正弦脈沖，一次發射僅能對一個頻點進行核磁共振激發。激發頻率與拉莫爾頻率存在偏差時需要不斷變換激發頻率且不能估計變換后激發頻率的數值。

(3)單頻正弦脈沖的發生需采用RLC諧振電路與高壓電容充放電模塊。激發脈沖的頻率控制需要通過調節外接電容的容抗使之與線圈和線路的感抗相匹配從而達到諧振。選頻配諧過程的實現通過繼電器多次切換配諧電容的串并聯組合并通過檢測電路反饋當前電路的品質因數與脈沖輸出。因此選頻配諧的過程十分耗時。并且由于諧振電路的主要組成部分是配諧電感與電容，因此發射機需要外接體積龐大而且沉重的電容箱(配諧電感一般由發射線圈的感抗提供)。

發明內容

為了解決現有技術的缺點，本發明提供一種偽隨機掃頻核磁共振探測儀器。本發明的偽隨機掃頻核磁共振探測儀器可用于隧道突水突泥超前預報與地下水探查，而且可以在一次觀測中對多個頻點進行核磁共振激發并通過調節激發脈沖頻率掃描得到最佳響應。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種偽隨機掃頻核磁共振探測儀器，包括控制與通信模塊，其采集測量區內的地球磁場參數并計算第一次發射的偽隨機掃頻核磁共振激發脈沖的頻率調制函數，并將頻率調制函數發送給脈沖頻率調制模塊；

脈沖頻率調制模塊，其根據接收的頻率調制函數產生頻率調制信號傳送至脈沖發射模塊；

脈沖發射模塊，其根據頻率調制信號，產生并發射一組偽隨機掃頻核磁共振激發脈沖，對多個頻率進行核磁共振激發；

響應信號接收模塊，其采集偽隨機掃頻核磁共振激發脈沖所激發的核磁共振響應信號，并傳送至通信模塊；所述控制與通信模塊還用于根據核磁共振響應信號特征計算當前激發頻率與真實拉莫爾頻率的頻率偏離程度來判斷接收到的響應信號是否為最佳響應信號：

若是最佳響應信號，則確定最佳激發頻率并記錄最佳響應；

否則，將頻率偏離程度傳送至頻率掃描控制模塊，所述頻率掃描控制模塊根據頻率偏離程度進行計算頻率掃描方向與步長來調節頻率調制函數信號，并輸入至脈沖頻率調制模塊；脈沖頻率調制模塊根據接收到的頻率調制函數信號來控制所述脈沖發射模塊使其產生并發射另一組不同頻率的偽隨機掃頻核磁共振激發脈沖，確定最佳激發頻率。

所述脈沖頻率調制模塊，其產生的頻率調制信號用于直接控制脈沖發射模塊中的IGBT橋式電路各橋臂的導通與關斷，實現對偽隨機掃頻核磁共振激發脈沖頻率和脈沖持續時間的控制。