特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置及探测方法

摘要

本发明涉及一种特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置及探测方法。是由计算机通过主控制单元对发射线圈、信号接收线圈及多个噪声抵消线圈的控制。解决了地下掘进空间狭小布线难的问题，采用配谐设置谐振频率点的方式，铺设多个能接收特定频率噪声的噪声抵消线圈，将采集到的多通道特定频率噪声经计算机进行自适应窄带带通滤波处理，再将特定频率噪声从掺有噪声的核磁共振信号中剔除，解决了地下电磁干扰和工频谐波干扰带来的特定频率噪声问题，实现了核磁共振信号的有效提取，提高了核磁共振信噪比，实现了对地下掘进工程中灾害水源的精确测量、准确定位，减少了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造成的各种事故。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探装置及探测方法，尤其是用于地下掘进工程中 寻找灾害水源的特定噪声频率对消地下核磁共振探测装置及探测方法。

背景技术

在隧道、矿井等地下掘进工程中，由于地质条件复杂，由地下水体引起的突 水涌泥、塌方冒顶等地质灾害时有发生，给施工安全带来了巨大的灾难和无法估 计的经济损失。同时，对地下工程中周围的含水体进行准确的探测，可为减少未 知水体引发的突水涌泥、塌方冒顶等事故提供重要信息。

地下掘进工程中条件复杂，空间狭小，施工设备多，再加上地下工程的支护 装置均会产生强大的干扰，因此如何在强电磁干扰环境下检测到极微弱的地下水 体磁共振信号是地磁场环境下灾害水源磁共振地球物理勘探方法中的一个重要 研究方向。

CN102096112A公开了一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野 外探测方法，由计算机通过串口线或网口线经控制单元、发射线圈与接收线圈连 接构成，接收线圈是由25个接收单元连接构成阵列线圈，不仅能够实现二维和 三维的地下水成像，同时可以在复杂地形地貌上进行铺设。该发明的优点是改善 了核磁共振探测在水平面上的精度，提高了找水效率，降低了找水成本。但该发 明主要针对的是地面上的半空间应用，在类似空间狭小、强电磁干扰的地下掘进 工程中存在阵列式线圈布设困难和信号提取困难的不足。

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。

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 置可以在更加狭小的空间中展开勘探工作。可在煤田矿井生产现场或隧道施工现 场直接准确探明出前方一定距离内地下地质情况，但在多场源强噪声等复杂工作 环境中仍存在核磁共振信号有效提取的问题。

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，类似阵列式、多通道、参考线 圈消噪等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、矿井的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不能从噪声中有效提取的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够应用于空间 狭小、特定频率噪声复杂的地下掘进工程中，利用多个空心线圈实现特定频率噪 声对消的地下核磁共振探测装置，通过采用其中一个空心线圈作为核磁共振信号 接收装置、其他若干个空心线圈作为特定频率噪声信号接收装置，通过将掺有噪 声的核磁共振信号与经过上位机处理过的噪声信号相减从而对噪声进行剔除，进 而达到提高信噪比、提取出有效的核磁共振信号，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 冒顶等地质灾害的特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置；

本发明的另一目的就是提供一种特定频率噪声对消地下核磁共振探测方法

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，是由计算机1经主控制单元2 分别连接配谐电容5和切换开关7，计算机1经大功率高压电源3、大功率全桥 发射桥路4和发射线圈6与配谐电容5连接，计算机1经信号采集单元12、可 调放大单元11和信号调理单元10与切换开关7连接，发射线圈6经配谐电容 5分别连接信号接收线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪 声对消线圈9-n，信号接收线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2…… 乃至噪声对消线圈9-n分别经切换开关7与信号调理单元10连接构成。

所述的发射线圈6、信号接收线圈8和噪声对消线圈9均为边长相等的多匝 空心小线圈。

特定频率噪声对消地下核磁共振探测方法，包括以下步骤:

a、在地下掘进工程测区内选定测点，以测点为中心依次重叠铺设发射线圈 6和信号接收线圈8，

b、开启特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，首先采集一次噪声，计 算机1通过串口总线向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长和激发频率， 主控制单元2产生控制信号对大功率全桥发射桥路4控制，大功率全桥发射桥 路4并不提供发射电流给发射线圈6，此次发射为伪发射，发射过程中为了防止 接收端被损坏，主控制单元2产生控制信号控制切换开关7，使切换开关7断开；

c、发射结束后主控制单元2产生控制信号控制切换开关7，使切换开关7 闭合，通过信号接收线圈8采集噪声，将信号接收线圈8采集到的噪声经信号 调理单元10调理，再经可调放大单元11放大，然后由信号采集单元12送入 计算机1，计算机1通过对噪声进行频谱分析，得出噪声的频率点；

d、重复多次操作步骤b和步骤c，由数理统计方法求出噪声比较固定的频 率点，分别记为f1、f2……fn；

e、计算机1录入n个噪声抵消线圈的电感值L1、L2……Ln，再由谐振公 式求出需要配谐的电容值C1、C2……Cn；

f、依据需要在测点中心铺设发射线圈6和信号接收线圈8处重叠铺设噪声 对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n；

g、再次运行特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，计算机1通过串口 总线向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长、激发频率以及需要配谐的电 容值等信息，主控制单元2产生控制信号首先对信号接收线圈8、噪声对消线圈 9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n进行电容值配谐，然后对大 功率全桥发射桥路4进行控制，大功率全桥发射桥路4向发射线圈6提供频率 为当地拉莫尔频率的交变电流，通过计算机1控制改变大功率高压电源3电压 的输出来改变大功率全桥发射桥路4在发射线圈6中输出电流的大小，即改变 激发脉冲矩的大小，从而激发前方不同深度的水体；

h、主控制单元2控制断开激发场，控制切换开关7使其闭合，使信号接收 线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收 相应的核磁共振信号和特定频率的噪声，将接收到的多路核磁共振信号和特定频 率的噪声经调理单元10调理后再经可调放大单元11放大，然后由信号采集单 元12采集送入计算机1；

i、信号接收线圈8送入计算机1的信号是掺有噪声的核磁共振信号，噪声 对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收到的是频率点 分别是f1、f2……fn处的特定频率的噪声，将特定频率的噪声分别经计算机1 中自适应窄带带通滤波器1、自适应窄带带通滤波器2……乃至自适应窄带带通 滤波器n进行滤波处理，使其尽可能的保留纯净的特定频率的噪声，从掺有噪 声的核磁共振信号中剔除特定频率的噪声，实现核磁共振信号的有效提取；

j、将步骤i提取到的有效核磁共振信号进行特征参数提取，获得初始振幅、 弛豫时间、相位、频率等参数，将测得的数据进行反演处理，估算出灾害水源位 置、涌水量、渗透率等水文地质参数，为可能发生的突水涌泥、塌方冒顶等地质 灾害提供可靠的预报依据。

有益效果：本发明是基于核磁共振勘探原理，针对空间狭小、地质条件复杂 的地下掘进工程，充分结合隧道、矿井中布线困难的实际，以及一些会带来特定 频率噪声的支护装置、电力设备电磁干扰和工频谐波干扰，利用多匝空心小线圈 进行发射接收，同时利用噪声对消线圈剔除特定频率的噪声，进而提高信噪比， 提取出有效的核磁共振信号，提高了仪器的抗干扰能力，有效地解决了空间狭小、 特定频率噪声源复杂的地下掘进工程中核磁共振信号有效提取的问题，该探测装 置及探测方法为保证隧道、矿井等空间狭小、地质条件复杂地下掘进工程的施工 安全，防止突水涌泥、塌方冒顶等地质灾害的发生，提供了一种可靠的探测装置 及探测方法。

附图说明

图1是特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置结构框图

图2是发射线圈、信号接收线圈、噪声对消线圈铺设示意图

图3是信号和噪声自适应对消处理功能框图

图4是大功率全桥发射桥路电路图

1计算机，2主控制单元，3大功率高压电源，4大功率全桥发射桥路，5 配谐电容，6发射线圈，7切换开关，8信号接收线圈，9-1噪声对消线圈，9-2 噪声对消线圈……9-n噪声对消线圈,10信号调理单元，11可调放大单元，12 信号采集单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明:

特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，是由计算机1经主控制单元2 分别连接配谐电容5和切换开关7，计算机1经大功率高压电源3、大功率全桥 发射桥路4和发射线圈6与配谐电容5连接，计算机1经信号采集单元12、可 调放大单元11和信号调理单元10与切换开关7连接，发射线圈6经配谐电容 5分别连接信号接收线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪 声对消线圈9-n，信号接收线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2…… 乃至噪声对消线圈9-n分别经切换开关7与信号调理单元10连接构成。

所述的发射线圈6、信号接收线圈8和噪声对消线圈9均为边长相等的多匝 空心小线圈。

特定频率噪声对消地下核磁共振探测方法，包括以下步骤:

a、在地下掘进工程测区内选定测点，以测点为中心依次重叠铺设发射线圈 6和信号接收线圈8，

b、开启特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，首先采集一次噪声，计 算机1通过串口总线向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长和激发频率， 主控制单元2产生控制信号对大功率全桥发射桥路4控制，大功率全桥发射桥 路4并不提供发射电流给发射线圈6，此次发射为伪发射，发射过程中为了防止 接收端被损坏，主控制单元2产生控制信号控制切换开关7，使切换开关7断开；

c、发射结束后主控制单元2产生控制信号控制切换开关7，使切换开关7 闭合，通过信号接收线圈8采集噪声，将信号接收线圈8采集到的噪声经信号 调理单元10调理，再经可调放大单元11放大，然后由信号采集单元12送入 计算机1，计算机1通过对噪声进行频谱分析，得出噪声的频率点；

d、重复多次操作步骤b和步骤c，由数理统计方法求出噪声比较固定的频 率点，分别记为f1、f2……fn；

e、计算机1录入n个噪声抵消线圈的电感值L1、L2……Ln，再由谐振公 式求出需要配谐的电容值C1、C2……Cn；

f、依据需要在测点中心铺设发射线圈6和信号接收线圈8处重叠铺设噪声 对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n；

g、再次运行特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，计算机1通过串口 总线向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长、激发频率以及需要配谐的电 容值等信息，主控制单元2产生控制信号首先对信号接收线圈8、噪声对消线圈 9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n进行电容值配谐，然后对大 功率全桥发射桥路4进行控制，大功率全桥发射桥路4向发射线圈6提供频率 为当地拉莫尔频率的交变电流，通过计算机1控制改变大功率高压电源3电压 的输出来改变大功率全桥发射桥路4在发射线圈6中输出电流的大小，即改变 激发脉冲矩的大小，从而激发前方不同深度的水体；

h、主控制单元2控制断开激发场，控制切换开关7使其闭合，使信号接收 线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收 相应的核磁共振信号和特定频率的噪声，将接收到的多路核磁共振信号和特定频 率的噪声经调理单元10调理后再经可调放大单元11放大，然后由信号采集单 元12采集送入计算机1；

i、信号接收线圈8送入计算机1的信号是掺有噪声的核磁共振信号，噪声 对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收到的是频率点 分别是f1、f2……fn处的特定频率的噪声，将特定频率的噪声分别经计算机1 中自适应窄带带通滤波器1、自适应窄带带通滤波器2……乃至自适应窄带带通 滤波器n进行滤波处理，使其尽可能的保留纯净的特定频率的噪声，从掺有噪 声的核磁共振信号中剔除特定频率的噪声，实现核磁共振信号的有效提取；

j、将步骤i提取到的有效核磁共振信号进行特征参数提取，获得初始振幅、 弛豫时间、相位、频率等参数，将测得的数据进行反演处理，估算出灾害水源位 置、涌水量、渗透率等水文地质参数，为可能发生的突水涌泥、塌方冒顶等地质 灾害提供可靠的预报依据。

具体工作过程为：

主控制单元2为集成微处理器ARM,负责实现整个系统全局的时序和功能 控制，协调其他模块稳定有序地工作。

在发射阶段：计算机1控制大功率高压电源3产生不同大小的电压，并通 过主控制单元2，控制大功率全桥发射桥路4，再通过配谐电容5与发射线圈6 连接构成串联谐振回路，使线圈中流过与当地拉莫尔频率相符的交变电流，激发 地下某一深度和范围内的地下水中的氢质子。激发距离取决于激发脉冲矩的大 小，即发射线圈6中的电流大小。在发射阶段通过主控制单元2使切换开关断 开，达到保护接收端的目的。此电流信号通过发射线圈6产生了交变磁场，完成 了对前方可能存在的灾害水源中氢质子的激发。

在接收阶段：根据核磁共振原理，在地下水受激发一定时间后，突然撤去激 发场，地下水中的氢质子会产生一个弛豫效应，表现为在接收线圈8中产生一个 呈指数衰减的电信号。当发射结束后，经过死区时间的延迟，主控制单元2发出 一个控制信号，令保护接收端的切换开关7闭合，信号接收线圈8接收掺有噪 声的核磁共振信号，预先经过配谐电容设置好谐振频率f1、f2……fn的噪声对 消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收特定频率的噪声， 将接收到的多路核磁共振信号和特定频率的噪声经调理单元10调理，再经可调 放大单元11放大，然后由信号采集单元12采集送入计算机1，将特定频率的 噪声分别经计算机1中自适应窄带带通滤波器1、自适应窄带带通滤波器2…… 乃至自适应窄带带通滤波器n进行滤波处理，使其尽可能的保留纯净的特定频 率的噪声，基于自适应噪声对消理论，采用适当的自适应噪声对消技术，从掺有 噪声的核磁共振信号中剔除特定频率的噪声，实现核磁共振信号的有效提取。

特定频率噪声对消地下核磁共振探测方法，具体实施步骤包括：

a、在地下掘进工程测区内选定测点，以测点为中心依次重叠铺设发射线圈 6和信号接收线圈8，这里的发射线圈6、信号接收线圈8以及后面所提及的噪 声对消线圈均为边长相等的多匝空心小线圈；

b、首先采集一次噪声，开启特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，计 算机1通过串口总线向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长和激发频率 等信息，主控制单元2产生控制信号对大功率全桥发射桥路4进行控制，此处 大功率全桥发射桥路4并不提供发射电流给发射线圈6，此次发射为伪发射。发 射过程中为了防止接收端被损坏，主控制单元2产生控制信号控制切换开关7， 使切换开关7断开；

c、发射结束后主控制单元2产生控制信号控制切换开关7，使切换开关7 闭合，通过信号接收线圈8采集噪声，将信号接收线圈8采集到的噪声经信号 调理单元10调理，再经可调放大单元11放大，然后由信号采集单元12采集 送入计算机1，计算机1通过对噪声进行频谱分析，得出噪声的频率点；

d、重复多次操作步骤b和步骤c，由数理统计方法求出噪声比较固定的频 率点，分别记为f₁、f₂……f_n；

e、提前在计算机里录入n个噪声抵消线圈的电感值L₁、L₂……L_n，再由谐 振公式求出需要配谐的电容值C₁、C₂……C_n；

f、依据需要在测点中心铺设发射线圈6和信号接收线圈8处重叠铺设噪声 对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n；

g、开启特定频率噪声对消地下核磁共振探测装置，计算机1通过串口总线 向主控制单元2发送控制指令，包括激发时长、激发频率以及需要配谐的电容值 等信息，主控制单元2产生控制信号首先对信号接收线圈8、噪声对消线圈9-1、 噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n进行电容值配谐，然后对大功率全 桥发射桥路4进行控制，大功率全桥发射桥路4向发射线圈6提供频率为当地 拉莫尔频率的交变电流，通过计算机1控制改变大功率高压电源3电压输出的 大小，来改变大功率全桥发射桥路4在发射线圈6中输出电流的大小，即改变 激发脉冲矩的大小，从而激发前方不同距离的水体；

h、主控制单元2控制断开激发场，控制切换开关7使其闭合，从而使信号 接收线圈8、噪声对消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n 接收相应的核磁共振信号和特定频率的噪声，将接收到的多路核磁共振信号和特 定频率的噪声经调理单元10调理，再经可调放大单元11放大，然后由信号采 集单元12采集送入计算机1；

i、信号接收线圈8送入计算机的信号是掺有噪声的核磁共振信号，噪声对 消线圈9-1、噪声对消线圈9-2……乃至噪声对消线圈9-n接收到的是频率点分 别在f1、f2……fn处的特定频率的噪声，将特定频率的噪声分别经计算机1中 自适应窄带带通滤波器1、自适应窄带带通滤波器2……乃至自适应窄带带通滤 波器n进行滤波处理，使其尽可能的保留纯净的特定频率的噪声，基于自适应 噪声对消理论，采用适当的自适应噪声对消技术，剔除特定频率的噪声，实现核 磁共振信号的有效提取；

j、将步骤i提取到的有效核磁共振信号进行特征参数提取，获得初始振幅、 弛豫时间、相位、频率等参数，将测得的数据进行反演处理，估算出灾害水源位 置、涌水量、渗透率等水文地质参数，为可能发生的突水涌泥、塌方冒顶等地质 灾害提供可靠的预报依据。