一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法与流程

本发明涉及一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法。

背景技术：

随着“一带一路”战略的提出与进一步的实施部署，我国将在铁路与公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其他领域修建大量的隧道工程。随着在地形与地质条件复杂的山区和岩溶地区中修建的深长隧道工程大量涌现，隧道中的突水突泥灾害表现出了“大埋深，强岩溶，高水压，大流量”的特点。在隧道突水突泥超前预报中如何直接、准确而且定量地识别隧道掌子面前方灾害地质体的水量与赋存信息对于后续注浆封堵等治理工作有着重要的指导意义。其中，直接地定量预报掌子面前方灾害水源的水量问题是隧道突水突泥超前预报中亟需解决的难题。

目前，结合超前钻探、掌子面地质素描、地表踏勘并利用综合地球物理的探测与解释方法已成为隧道突水突泥超前预报的普遍思路。在众多勘察地球物理方法中，核磁共振探测是唯一能够直接确定含水体的空间分布、含水量与地层孔隙度等信息的地球物理方法。核磁共振探测利用不接地的回线向地下发射与水中氢质子共振相同频率(拉莫尔频率)的射频电磁波激发并获得地下水核磁共振响应信号。在隧道中应用核磁共振探测技术进行直接探水能够直接得到掌子面前方一定范围内围岩的含水率和孔隙度信息，从而实现对掌子面前突水突泥灾害源的定性识别与定量预报。除核磁共振探测外，与其同属电磁感应类电磁法的瞬变电磁法亦可通过不接地的回线向掌子面前方发射电流脉冲；根据接收到的二次场衰减电压确定地下介质的电性分布结构与地下良导体的空间形态。由于核磁共振的反演与资料解释对于地下电性结构分布信息具有依赖性，近年来，利用瞬变电磁法获得合理电性模型并指导核磁共振反演的联合解释技术得到了广泛的关注。综合两者特点与优势，在隧道中开展核磁共振与瞬变电磁联合解释技术的研究与应用为解决隧道突水突泥灾害超前预报提供了有效办法。

目前，应用综合地球物理联合解释技术在隧道突水突泥超前预报中缺乏专门的联用仪器装置。核磁共振探测与瞬变电磁法的联合解释技术需要分别使用两种不同的仪器进行数据的观测与采集。具体来说，存在以下问题：

其一，发射波形种类不同。核磁共振探测所用的激发脉冲为单频正弦脉冲，属于频域波形。瞬变电磁法所用的发射脉冲有双极性矩形波、双极性半正弦波以及双极性梯形波等时域波形。完成两种方法的激发脉冲的发射需要两套发射模块或装置。

其二，信号接收方式不同。核磁共振探测属于频域感应电磁法，理论上的响应信号为单频的电磁衰减信号。对于单频衰减信号的接收与调理通常采用正交锁定放大技术，核磁共振响应信号夹带着空间中的宽频带电磁噪声经过正交锁定放大后为一窄带信号。瞬变电磁法属于时域感应电磁法，接收到的二次场的衰减电压信号具有丰富的谐波分量。对这样的宽频带电磁信号的接收与调理通常采用一定通带的带通滤波并进行多次叠加，而不能使用正交锁定放大电路。

其三，基于传统核磁共振探测与瞬变电磁法的波形发射与响应接收方式，联用仪器装置要采用分布式的实现方式。在实现过程中，一套仪器中内置两个分立的模块各自负责核磁共振与瞬变电磁的发射与接收，仪器系统复杂。

其四，由于传统核磁共振使用单频正弦脉冲激发地下含水体的核磁共振响应，仪器发射机需要体积庞大的谐振电容模块；从而仪器体积与重量大大增加，不利于在施工环境复杂的隧道中突水突泥超前预报工作的开展。

综上所述，为克服现有技术的不足，发明了一种应用于隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器。通过一套装置实现了核磁共振与瞬变电磁两种方法的激发脉冲发射与响应信号的接收。从而能够为核磁共振与瞬变电磁联合解释提供了新的硬件支持，更好地解决突水突泥灾害水源的定量识别与预报问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器及工作方法，本发明用于施工隧道中开展突水突泥超前预报，能够通过一套装置实现核磁共振与瞬变电磁两种方法的激发脉冲发射与响应信号的接收。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器，包括主机、发射线圈、接收探头以及上位机系统，主机包括输出核磁共振激发脉冲和瞬变电磁激发脉冲的发射模块，采集核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收模块，实现上位机系统与主机控制模块之间的指令与数据交互的通信模块，控制接收模块、发射模块和通信模块的控制模块，以及进行供电的电源模块；

所述发射模块向发射线圈提供脉冲输出，所述接收模块对接收探头采集的信号进行前置滤波放大处理，并将处理后的信号传输给控制模块，实现核磁共振与瞬变电磁激发脉冲的发射与响应信号的接收。

所述发射线圈包括线圈支架和发射导线，线圈支架上设置有发射线圈，发射模块接收上位机的发射命令，控制发射线圈发射瞬变电磁激发脉冲和核磁共振激发脉冲。

所述线圈支架外部轮廓为正方形，支架内部为米字型结构，支架上设置有九个用于固定接收探头的探头固定孔，探头固定孔均匀分布在米字型结构支架上，能够进行多探头阵列式接收。

所发射的核磁共振激发脉冲是拉莫尔频率下的双极性周期方波脉冲；所发射的瞬变电磁激发脉冲是占空比可调的双极性矩形波脉冲。

所述发射电路包括桥式IGBT发射电路，每个IGBT反接并联有二级管。

所述发射导线上设置有分段接头，通过改变发射导线的长度发射线圈的匝数进行灵活调整。

所述主机的控制模块包括主机MCU、时钟电路以及自检电路，其中，所述时钟电路为主机MCU提供工作所需的时钟频率，自检电路实现系统的开机自检，并将自检的结果上传到上位机。

一种基于上述仪器的工作方法，包括以下步骤：

(1)使用方波核磁共振激发脉冲激发水中的核磁共振响应：根据测量的地磁场磁感应强度计算发射脉冲的发射频率，使用方波核磁共振激发脉冲激发水中的核磁共振响应，发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断；

(2)隧道突水突泥核磁共振响应信号采集与提取：脉冲关断后控制模块中向接收模块和接收探头发送信号采集命令，对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波，采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化；

(3)隧道突水突泥瞬变电磁响应信号采集与提取：瞬变电磁发采用占空比可调的双极性矩形波脉冲激发，正向或反向激发脉冲关断后，控制模块向接收模块和接收探头发送信号采集命令，对所采集的核磁共振响应信号进行滤波，进行处理。

所述步骤(1)中，发射频率为拉莫尔频率的双极性周期方波脉冲对隧道掌子面前方水体中的氢质子进行核磁共振激发。

所述步骤(1)中，控制模块根据所计算的发射频率生成一个发射序列并将其发送给发射模块，发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断。

所述步骤(1)中，方波脉冲频率是测区内水中氢质子的拉莫尔频率，脉冲形态是双极性的周期方波脉冲，脉冲的频谱仅存在基波分量与奇次谐波分量。

所述步骤(2)中，控制模块对信号进行滤波处理提取出窄带的核磁共振响应信号的包络信号，响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在设计时放弃了传统的单频正弦波激发方式，从而省去了体积庞大的谐振电路，所发射的方波核磁共振激发脉冲与占空比可调的双极性矩形波脉冲通过一套发射回路实现，提高了发射效率；

(2)本发明采用大功率双极型晶闸管及相关触发电路构成的发射回路体积小、控制精度高且电气绝缘容易实现。本发明所提出的发射模块设计方案能够有效的减轻发射模块重量，减小发射模块体积，有利于在施工条件复杂的隧道中开展工作；

(3)本发明采用了全数字化的信号采集与处理方式，核磁共振与瞬变电磁两种响应信号经过探头的前置滤波放大之后便通过模数转换转成数字信号，响应信号数字化后被专门的信号处理芯片中的数字滤波程序处理，这种全数字的处理方式具有精度高、抗干扰能力强以及可以通过程序控制的优点；

(4)本发明通过数字滤波器代替传统硬件滤波电路也减小了硬件采购成本以及信号接收模块的体积；

(5)本发明设计了一种能够同时搭载多个探头的线圈支架，可以满足多探头阵列同时接收的观测需求，提高了观测效率；此外，多探头阵列同时接收的工作方式避免了多次发射条件下在不同点接收时发射波形之间的误差，更复合理论模拟时的情况，线圈支架使用聚甲醛塑料热塑而成，坚固耐用并且可以被拆解和组装方便施工。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的发射线圈支架结构图；

图3是本发明的工作原理示意图。

其中，1、A型支架连接头，2、B型支架连接头，3、C型支架连接头，4、探头固定孔，5、固定螺栓，6、米字型支架杆，7、外部支架杆。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器由主机、发射线圈、发射电源、一套接收探头以及上位机系统组成。主机包含发射模块、接收模块、电源模块、控制模块以及通信模块。主机的控制模块由主机MCU、时钟电路以及自检电路组成。主机MCU选用高性能嵌入式控制芯片，负责控制主机各个模块实现相应的功能。时钟电路为主机MCU提供工作所需的时钟频率。整个主机系统的工作频率最终都是由时钟电路决定。自检电路实现仪器的开机自检，并将自检的结果上传到上位机系统。主机与上位机系统以及主机各个模块之间的数据与指令通信通过通信总线完成。主机的各模块分有如下功能：

(1)发射模块，实现隧道内核磁共振与瞬变电磁两种激发脉冲的发射。作为核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器的核心模块，发射模块使用一套发射回路实现核磁共振与瞬变电磁两种方法激发脉冲的发射。所发射的核磁共振激发脉冲是拉莫尔频率下的双极性周期方波脉冲。所发射的瞬变电磁激发脉冲是占空比可调的双极性矩形波脉冲。所述发射回路的核心是大功率绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)构成的桥式电路以及相关触发控制电路。发射模块接收来自上位机的发射命令控制发射桥路中的IGBT的导通与关断，实现激发脉冲的发射。

(2)接收模块，内置信号处理芯片实现隧道内核磁共振与瞬变电磁两种响应信号的接收。作为核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器的核心模块，接收模块通过全数字化的信号接收与处理方式实现核磁共振与瞬变电磁两种方法响应信号的接收。响应信号通过接收探头输入主机的接收模块，接收探头的前置滤波放大对响应信号进行初步处理。信号输入接收模块后经过模数转换输入信号处理芯片进行进一步处理。信号处理芯片通过程控数字滤波器对核磁共振和瞬变电磁的响应信号进行分别处理最终将处理后的信号数据上传至上位机系统。

(3)电源模块，为主机提供可靠的工作电源。

(4)控制模块，控制主机各模块实现响应功能。

(5)通信模块，实现主机与上位机系统的指令与数据交互。

在工作时，核磁共振与瞬变电磁两种方法共用一套发射与接收装置。具体包括以下功能：

(1)使用方波核磁共振激发脉冲激发水中的核磁共振响应。隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器发射频率为拉莫尔频率的双极性周期方波脉冲对隧道掌子面前方水体中的氢质子进行核磁共振激发。主机MCU根据测量的地磁场磁感应强度计算发射脉冲的发射频率f_t，2π×f_t＝ωt＝γ_pB₀。根据所计算的发射频率主机MCU生成一个发射序列并将其发送给主机的发射模块。发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断。主机发射模块所发射的脉冲为方波核磁共振激发脉冲。方波脉冲频率(基频)f_t是测区内水中氢质子的拉莫尔频率，脉冲形态是双极性的周期方波脉冲。脉冲的频谱仅存在基波分量与奇次谐波分量。基波分量能够对隧道前方突水突泥灾害体重的氢质子进行核磁共振激发并在方波脉冲关断后接收到核磁共振响应信号。

(2)全数字式隧道突水突泥核磁共振响应信号采集与提取。脉冲关断后主机MCU向接收模块和接收探头发送信号采集命令。接收探头中设置有前置带通有源滤波放大器，能够对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波。采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化。之后模数转换电路将信号上传到接收模块中的DSP芯片中。数字化的响应信号输入DSP后，DSP内编制好的数字正交锁定放大程序作为数字滤波器对信号进行滤波处理提取出窄带的核磁共振响应信号的包络信号。之后响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。整个响应信号的接收过程中，信号经过前置放大与模数转换后的所有信号处理都是在DSP芯片中通过数字滤波器算法实现。

(3)全数字式隧道突水突泥瞬变电磁响应信号采集与提取。瞬变电磁发采用占空比可调的双极性矩形波脉冲激发。正向或反向激发脉冲关断后，主机MCU向接收模块和接收探头发送信号采集命令。接收探头中设置有前置带通有源滤波放大器，能够对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波。采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化。之后模数转换电路将信号上传到接收模块中的DSP芯片中。DSP芯片中的数字带通滤波电路对数字化的信号做带通滤波处理，之后将处理过后的响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。整个响应信号的接收过程中，信号经过前置放大与模数转换后的所有信号处理都是在DSP芯片中通过数字滤波器算法实现。

结合附图3对一种隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器的工作原理做如下阐述。

一体化探测仪器开机后主机开启自检功能并将自检结果上传到上位机系统显示。如自检不通过，上位机系统则会产生报警并中断所有仪器操作，操作员排除故障且自检通过后一体化探测仪器便进入正常工作状态。开始工作时首先通过上位机软件选择核磁共振或瞬变电磁测量方法。下面分别对核磁共振与瞬变电磁两种测量方法的工作原理进行分别阐述：

(1)选择核磁共振测量方法，一体化探测仪器进入高频工作模式。首先通过仪器测量当前地球磁场参数并标定发射线圈轴向与正北方向。所测量的地球磁场参数包括：地磁场磁感应强度、地磁地磁倾角与地磁偏角。主机MCU根据测量的地磁场磁感应强度计算发射脉冲的发射频率f_t，2π×f_t＝ωt＝γ_pB₀。根据所计算的发射频率主机MCU生成一个发射序列并将其发送给主机的发射模块。发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断。IGBT导通与关断的频率是所计算出的发射频率f_t。发射模块的电源来自接有外接电源的发射电源。

发射模块所发射的脉冲式奇函数的双极性的周期方波脉冲。根据谐波分析的理论，双极性周期方波脉冲含有直流分量、基波以及高次谐波分量，当方波脉冲函数为奇函数时，脉冲的频谱仅存在基波分量与奇次谐波分量且基波频率为发射频率f_t。由于基波频率与水中氢质子的拉莫尔频率相等，因此能够对其进行核磁共振激发并在方波脉冲关断后接收到核磁共振响应信号。图3中Q₁～Q₄四个IGBT管分别位于桥式电路的四个桥臂上，D₁～D₄是续流二极管，Z_L表示激发线圈的阻抗。

脉冲发射过程中，当方波脉冲为正向时，Q₁与Q₄两个管子导通；当方波脉冲为负向时，Q₂与Q₃两个IGBT导通。为防止电源短路，发射模块内的反向电路确保同一侧两个桥臂上的两个管子不会同时导通。在方波脉冲换向的过程中，续流二极管D₁～D₄保证负载上的电流连续方式因感性负载电流突变造成的过电压将器件击穿。D₅和D₆两个反并联二极管组成的钳位电路在负载端电压低于其导通压降时自动关断，将输出端电压钳位至零；保证发射电流脉冲的快速关断。根据所需要的探测深度控制激发脉冲持续时间。

脉冲关断后主机MCU向接收模块和接收探头发送信号采集命令。接收探头中设置有前置带通有源滤波放大器，能够对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波。采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化。之后模数转换电路将信号上传到接收模块中的DSP芯片中。DSP芯片是接收模块中的专用信号处理芯片，他的长处是大量处理浮点数的运算，非常适于信号处理。数字化的响应信号输入DSP后，DSP内编制好的数字正交锁定放大程序作为数字滤波器对信号进行滤波处理提取出窄带的核磁共振响应信号的包络信号。之后响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。根据发射指令中所设定的叠加次数进行多次采集并叠加最终完成核磁共振的激发与响应信号的采集。

(2)选择瞬变电磁测量方法，一体化探测仪器进入低频工作模式。通过上位机软件设定所要发射的矩形波脉冲的频率、占空比、叠加次数、发射电流等发射参数。发射参数设定好后通过串口通信发送给主机。

主机的通信模块接收发射参数并将其发送给主机MCU。主机MCU生成发射序列并将其发送给主机的发射模块。发射模块中的触发电路根据所接收到的发射序列控制发射桥路中的IGBT的导通与关断。

当双极性矩形波脉冲为正向时，Q₁与Q₄两个管子导通；当双极性矩形波脉冲为负向时，Q₂与Q₃两个IGBT导通。与核磁共振工作方式不同，在正向或方向激发脉冲关断后，主机MCU向接收模块和接收探头发送信号采集命令。接收探头中设置有前置带通有源滤波放大器，能够对所采集的核磁共振响应信号进行初步滤波。采集信号输入到接收模块的模数转换电路完成信号的数字化。

之后模数转换电路将信号上传到接收模块中的DSP芯片中。DSP芯片中的数字带通滤波电路对数字化的信号做带通滤波处理，之后将处理过后的响应信号通过通信模块上传至上位机系统储存并记录。根据发射指令中所设定的叠加次数进行多次采集并叠加最终完成核磁共振的激发与响应信号的采集。

一种隧道突水突泥超前预报的核磁共振与瞬变电磁一体化探测仪器的发射线圈支架如图2所示。整个发射线圈支架外部轮廓为正方形，支架中部成米字型结构，九个探头固定孔4均匀分布在米字型支架上。线圈支架由聚甲醛塑料热塑而成的支架杆和连接头组装而成。

线圈支架杆有小型和大型两种规格。

小型线圈支架组装后的外边长为600cm，各探头固定孔4的中心间距为150cm，探头固定孔4直径调节范围为10～20cm。支架外部轮廓由8根边长为290cm、直径为5cm的支架杆组装而成。支架杆两侧有用于连接固定的螺纹，螺纹所占长度为5cm。米字型内部支架杆8由八根长为420cm，直径为5cm的支架杆组装而成。每根米字型支架的的中部设计有一个探头固定孔4，固定孔的左右两侧各有一个固定螺栓5。通过旋动固定螺栓5能够调节固定孔的直径从而将接受探头固定在探头固定孔4中。探头固定孔4的内侧设置有橡胶皮包被的海绵垫以增摩擦和调节的灵活性。支架杆两侧有用于连接固定的螺纹，螺纹所占长度为4cm。

大型线圈支架组装后的外边长为1200cm，探头固定孔4的中心间距为300cm，探头固定孔4直径调节范围为10～20cm。支架外部轮廓由8根边长为590cm、直径为5cm的支架杆组装而成。支架杆两侧有用于连接固定的螺纹，螺纹所占长度为5cm。米字型内部支架8根长为840cm，直径为5cm的支架杆组装而成。每根米字型支架的的中部设计有一个探头固定孔4，固定孔的左右两侧各有一个固定螺栓5。通过旋动固定螺栓5能够调节固定孔的直径从而将接受探头固定在探头固定孔4中。探头固定孔4的内侧设置有橡胶皮包被的海绵垫以增摩擦和调节的灵活性。支架杆两侧有用于连接固定的螺纹，螺纹所占长度为5cm。

线圈支架杆的连接头有A、B、C三种结构。A型支架连接头1用于连接正方形线圈支架的四个顶点，B型与C型支架连接头3用于连接米字型支架。连接头内刻有螺纹方便支架杆的组装。A型支架连接头1的三个连接头成“爪”形分布，连接横截面为正方形，边长为8cm。B型支架连接头2的三个连接头成“T”形分布，连接头横截面为正方形，边长为8cm。C型支架连接头3既作为支架杆的连接又作为中心探头的固定孔。连接头上两侧有两个用于固定接收探头的固定螺栓5，用于调节中心探头固定孔4的直径。探头固定孔4的内侧设置有橡胶皮包被的海绵垫以增摩擦和调节的灵活性。

在利用核磁共振探测或瞬变电磁法进行超前预报时，有中心点接收和阵列式接收两种方式可供选择。进行探测之前，依照图2将发射线圈支架组装好。采用中心点接收的工作方式时，将探头固定在中心探头固定孔4上开始探测。采用阵列式接收的工作方式时，将接收探头阵列固定在相应的探头固定孔4上开始探测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。