一种基于核磁共振传感器和5G通信的地质体水含量测试系统

一种基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统
技术领域
1.本发明涉及一种基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量实时监测系统，尤其适用于边坡、坝体、基桩等地质体水缘性灾害(滑坡、溃坝、垮塌)的实时监测与预警。


背景技术：

2.边坡、堤坝、基桩等地质体在水力侵蚀作用下容易发生失稳、滑坡或垮塌等地质灾害，造成严重的人员伤亡与财产损失。这些地质灾害往往具有突发性、隐蔽性和动态变化特征，需要采取有效的监测技术进行监测与预警。水体是诱发地质灾害的最主要因素，对地质体水含量的预测是地质灾害监测预警的关键。地震波、电磁、红外和直流电法等方法均是间接测试水含量，探测精度和距离不足，对工作环境的要求也较高。
3.核磁共振是一种能直接探测地层水文地质特征的物探方法，通过测试能得到地质体的孔隙结构、孔径分布、水分饱和度与运移等。当前多是在地质体表面布置大尺寸探测线圈，探测地质体下方的水分分布，易受地形等条件限制，难以满足连续测试需求。现有的核磁共振测井仪尺寸与重量一般较大，需要人工提升，探水过程费时费力，无法满足连续探测要求；需要较大直径的探测钻孔，易对地质体本身造成扰动与破坏。


技术实现要素：

4.技术问题：本发明的目的是要克服现有地质体水含量测试系统的的不足之处，提供一种基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统，通过小直径探测钻孔放置核磁共振传感器探测地质体内部不同深度的水含量分布，并通过5g通信上传至监测平台，进行实时监测与预警。
5.技术方案：本发明的一种基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统，包括在容易发生失稳、滑坡或垮塌地质灾害的边坡、堤坝、或基桩设置的5g基站和接收5g基站信息的监测平台，并在容易发生失稳、滑坡或垮塌地质灾害的边坡、堤坝、或基桩施多个探测钻孔，多个探测钻孔按网格化布置在地表，在每个探测钻孔的底部均设置一个核磁共振传感器，所有核磁共振传感器经信号线连接形成分布式地质体水含量监测网络，接受5g基站发出的指令，并将测试数据上传至5g基站，监测平台根据测试数据反演地质体水含量变化并及时预警；所述核磁共振传感器、5g基站和监测平台均通过5g通信技术进行双向信号传输。
6.所述的核磁共振传感器包括集成在一起的射频模块、接收模块、控制模块、无线通信模块和提升模块；所述射频模块提供静磁场并发射射频脉冲产生射频磁场，使钻孔周围的孔隙水被极化产生核磁共振；所述接收模块接收孔隙水产生的核磁共振驰豫信号，将模拟信号转换为数字信号并放大；所述提升模块自动将核磁共振传感器提升至钻孔不同深度并记录深度信息；所述控制模块接收无线通信模块获得的测试指令并控制射频模块和接收模块工作，整合接收模块的测试数据和提升模块的深度数据；所述无线通信模块接收5g基站传递的测试指令并将控制模块整合的测试数据上传至5g基站；
7.所述的5g基站包括集成在一起的上传模块和下载模块；所述下载模块将监测平台的测试指令同时传递至每个核磁共振传感器；所述上传模块将每个核磁共振传感器的测试数据传输至监测平台。
8.所述的监测平台包括集成在一起的采集模块、数据处理模块、预警模块和通信模块；所述采集模块对核磁共振传感器下达采集指令；所述数据处理模块将测试数据进行汇总、反演和分析，得到地质体不同位置的水含量分布变化；所述预警模块根据地质体水含量变化进行水缘性地质灾害预警，当地质体水含量相对变化超过报警阈值时，判断可能发生的水缘性灾害并预警；所述通信模块将采集模块的测试指令传递至5g移动基站。
9.所述的探测钻孔的直径为5
‑
8cm，深度为5
‑
10m，在探测钻孔孔口处设有护孔盖，以防止雨雪进入影响测试结果。
10.所述的核磁共振传感器直径为4
‑
5cm，高度为8
‑
12cm。
11.所述地质体的实时水含量相对变化的报警阈值依地质体的物理性质而定，为10％～25％。
12.所述的射频模块通过改变射频激发频率和线圈共振频率进行不同径向范围的测试，不同径向范围为5～10cm。
13.所述的提升模块通过电机转动提升电缆带动核磁共振传感器升降。
14.所述多个所述核磁共振传感器的无线通信模块组网形成蜂群式网络。
15.一种使用上述基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统的方法：工作人员通过监测平台的采集模块对核磁共振传感器下达采集指令；采集指令信号经通信模块传递至5g基站的下载模块，核磁共振传感器的的无线通信模块从下载模块下载采集指令信号并传递至控制模块；控制模块解译采集指令，控制射频模块、接收模块和提升模块工作，对每个探测钻孔周围不同深度的水含量进行测试；之后控制模块将整合的测试数据通过无线通信模块发送至5g基站，5g基站将测试数据通过上传模块上传至监测平台的数据处理模块，数据处理模块将测试数据汇总、反演和分析，得到地质体不同位置的水含量分布变化；预警模块根据地质体水含量的相对变化研判可能发生的地质灾害并向人员发送预警信号。
16.所述采集模块对全部或部分并网的核磁共振传感器下达采集指令，采集指令包含探测周期、深度和速度等。
17.所述数据处理模块将不同位置的多个钻孔水含量数据整合形成地质体水含量三维分布云图
18.有益效果：本发明将核磁共振测井仪缩微化形成核磁共振传感器，放入钻孔探测地质体内部不同深度的水含量分布，布置钻孔数量越多，探测地质体范围越大。利用5g通信技术将海量测试数据实时传输到监测平台，通过建模与分析使地质体内部水分布变化透明化呈现，当水含量分布与运移超过阈值时，判断可能的地质灾害并及时预警。由于地质灾害发生往往具有隐蔽性，相较于传统地质体表面监测技术，本发明通过实时探测地质体内部水分运移，从根源上监测水缘性地质灾害前兆，及时预警水缘性地质灾害发生，对于国家防灾减灾事业具有巨大的意义。其结构简单，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
19.图1为本发明的基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统示意图。
20.图中：1
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核磁共振传感器，2
‑
5g基站，3
‑
监测平台，4
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地质体水含量探测钻孔。
21.图2为本发明的基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统框架图。
22.图中，5
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射频模块，6
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接收模块，7
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控制模块，8
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无线通信模块，9
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提升模块，10
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下载模块，11
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上载模块，12
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采集模块，13
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数据处理模块，14
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预警模块，15
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通信模块。
具体实施方式
23.下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
24.如图1所示，本发明的基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试系统，主要由核磁共振传感器1、5g基站2、监测平台3和探测钻孔4，核磁共振传感器1、5g基站2和监测平台3均通过5g通信技术进行双向信号连接构成。在容易发生失稳、滑坡或垮塌地质灾害的边坡、堤坝、或基桩设置的5g基站2和接收5g基站信息的监测平台3，并在容易发生失稳、滑坡或垮塌地质灾害的边坡、堤坝、或基桩施多个探测钻孔4，所述的探测钻孔4的直径为5
‑
8cm，深度为5
‑
10m，在探测钻孔4孔口处设有护孔盖，以防止雨雪进入影响测试结果。多个探测钻孔4按网格化布置在地表，在每个探测钻孔4的底部均设置一个核磁共振传感器1，所述的核磁共振传感器1直径为4
‑
5cm，高度为8
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12cm。所有核磁共振传感器1经信号线连接形成分布式地质体水含量监测网络，接受5g基站2发出的指令，并将测试数据上传至5g基站2，监测平台3根据测试数据反演地质体水含量变化并及时预警；所述地质体的实时水含量相对变化的报警阈值依地质体的物理性质而定，为10％～25％。所述核磁共振传感器1、5g基站2和监测平台3均通过5g通信技术进行双向信号传输。
25.如图2所示，所述的核磁共振传感器1包括集成在一起的射频模块5、接收模块6、控制模块7、无线通信模块8和提升模块9；所述射频模块5提供静磁场并发射射频脉冲产生射频磁场，使钻孔周围的孔隙水被极化产生核磁共振；所述接收模块6接收孔隙水产生的核磁共振驰豫信号，将模拟信号转换为数字信号并放大；所述提升模块9自动将核磁共振传感器提升至钻孔不同深度并记录深度信息；整合接收模块6的测试数据和提升模块9的深度数据；所述控制模块7接收无线通信模块8获得的测试指令并控制射频模块5和接收模块6工作，所述的射频模块5通过改变射频激发频率和线圈共振频率进行不同径向范围的测试，不同径向范围为5～10cm。所述的提升模块9通过电机转动提升电缆带动核磁共振传感器升降。所述无线通信模块8接收5g基站传递的测试指令并将控制模块7整合的测试数据上传至5g基站；所述多个所述核磁共振传感器1的无线通信模块8组网形成蜂群式网络。
26.所述的5g基站2包括集成在一起的上传模块10和下载模块11；所述下载模块11将监测平台3的测试指令同时传递至每个核磁共振传感器1；所述上传模块10将每个核磁共振传感器1的测试数据传输至监测平台3。
27.所述的监测平台3包括集成在一起的采集模块12、数据处理模块13、预警模块14和通信模块15；所述采集模块12对核磁共振传感器下达采集指令；所述数据处理模块13将测试数据进行汇总、反演和分析，得到地质体不同位置的水含量分布变化；所述预警模块14根据地质体水含量变化进行水缘性地质灾害预警，当地质体水含量相对变化超过报警阈值时，判断可能发生的水缘性灾害并预警；所述通信模块15将采集模块的测试指令传递至5g
移动基站。
28.本发明的基于核磁共振传感器和5g通信的地质体水含量测试方法：工作人员通过监测平台3的采集模块12对全部或部分并网的核磁共振传感器1下达采集指令，采集指令包含探测周期、深度和速度。采集指令信号经通信模块15传递至5g基站2的下载模块11，核磁共振传感器的1的无线通信模块8从下载模块11下载采集指令信号并传递至控制模块7；控制模块7解译采集指令，控制射频模块5、接收模块6和提升模块9工作，对每个探测钻孔4周围不同深度的水含量进行测试；之后控制模块7将整合的测试数据通过无线通信模块8发送至5g基站2，5g基站2将测试数据通过上传模块10上传至监测平台3的数据处理模块13，数据处理模块13将测试数据汇总、反演和分析，得到地质体不同位置的水含量三维分布，所述数据处理模块13将不同位置的多个钻孔水含量数据整合形成地质体水含量三维分布云图。预警模块14根据地质体水含量的相对变化研判可能发生的地质灾害并向人员发送预警信号。