專利名稱：核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球物理勘探設(shè)備及方法，尤其是將核磁共振與瞬變電磁組合成一體的地球物理勘探設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
核磁共振方法(Surface Nuclear Magnetic Resonance Method，簡稱SNMR方法)，瞬變電磁方法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)。
US6177794公開了一種了利用宏觀表現(xiàn)出的核磁共振現(xiàn)象來尋找存在核磁共振現(xiàn)象的地下液體礦產(chǎn)的新技術(shù)，運用一組相位可控的接收天線陣列以及井中的接收天線來比較精確地測定地下存在核磁共振現(xiàn)象的液體，該方法利用地面上和地下的線圈組合同時接收信號，用來對核磁共振信號進行良好接收，可以實現(xiàn)對地下石油，水等礦產(chǎn)資源的探測。CN01278229公布了一種核磁共振地下水層探測儀，包括信號檢測器，其特征在于，該信號檢測器的一輸入端連接一第一開關(guān)，該第一開關(guān)的號端串接一變速電阻器，該變速電阻器的另端串接第二和第三兩開關(guān)，第二開關(guān)的另端串接一限流電阻，并依序串接有整流器和發(fā)電機，該發(fā)電機的另端與信號檢測器的另一端連接，其中該第二和第三兩開關(guān)之間接有一第一電容器，該第一電容器的另端與信號檢測器的另一端連接，該第一開關(guān)與變速電阻器之間接有一線圈，該線圈的另端與信號檢測器的另一端連接，該信號檢測器的兩端之間有一電容器。該發(fā)明將核磁共振的方法應(yīng)用與地下水層的探測中，設(shè)計了適用于找水的核磁共振探測儀器。上述發(fā)明的核磁共振儀及其方法具有較高的測量精度，單點測量精確，但都有一個共同的不足，那就是測量每一個點的時間較長，耗費較多，難以實現(xiàn)線上測量或面上測量。
US7053622公布了一種用來測量地下信息并成像的瞬變電磁探測裝置，該方法通過發(fā)射激發(fā)場，在地面用一系列分布的記錄器記錄電磁信號的衰減情況，從而對地下信息進行探測，多點同時測量，可以對各個點的記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生的漂移進行校正，提高探測的精度和靈敏度，可以用于地下水的探測。CN88221167公布了一種微機電法勘探裝置，由曲線模擬電路，浮點放大電路，主放大器邏輯控制電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微機組成。該方法精度高，自動進行數(shù)據(jù)采集和處理，且速度快。適用于激發(fā)極化法、瞬變電磁法，各種直流電阻率法、自然電場法以及其它接地供電與線圈供電的電法勘探方法。CN01257200公開了一種野外大功率電源的產(chǎn)生方法，該方法將直流低壓電源經(jīng)振蕩器逆變成低壓高頻的交流電流，該低壓高頻電流經(jīng)升壓后形成高壓高頻交流電流，高壓高頻交流電流經(jīng)整流后形成高壓直流電源作為存貯電容電源，存貯電容電源經(jīng)電子開關(guān)控制向供電回路供電。該實用新型的優(yōu)點是可以獲得很大的瞬時電流，而電源的平均功率消耗卻不大，通過多個充放電電容的組合，達到多個波形的疊加的效果，從而達到增大勘探深度，應(yīng)用于找水實際中，可以提高儀器的探測靈敏度。上述發(fā)明的瞬變電磁儀及其方法，能夠方便快捷地直接獲得地下某一定層位的電阻率值，測試成本較低，但目的層的精確程度沒有核磁共振方法好，往往發(fā)生低電阻率值的地方不一定是目的層。比如在找水工作中，經(jīng)常發(fā)生低電阻率區(qū)不一定是蓄水最佳地段，甚至沒有水，這就需要采用其他補助手段和方法進一步確定。如果首先采用瞬變電磁進行面上測量，找出低電阻率異常區(qū)，再用核磁共振進行準確定位，將大大提高尋找目的層的準確度。但用兩臺設(shè)備投資太大，測量時要做許多重復(fù)工作，既浪費資金，也浪費人力和時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種融合核磁共振和瞬變電磁兩種儀器，且能夠發(fā)揮各自優(yōu)點的核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法。
本發(fā)明的目的是通過以下方式實現(xiàn)的計算機1通過串口或USB口與主控單元2連接，發(fā)射控制單元3通過數(shù)據(jù)總線與大功率電源4連接，通過交互信號線與H橋路5連接、通過控制線與切換開關(guān)6連接，大功率電源4經(jīng)H橋路5與切換開關(guān)6連接，主控單元2通過SPI串行接口與發(fā)射控制單元3、接收控制單元15連接；——瞬變電磁工作模式H橋路5輸出端直接與發(fā)射線圈8兩端連接產(chǎn)生瞬變電磁信號，接收線圈12將瞬變電磁信號送入寬帶放大單元13進行信號調(diào)理后再送給信號采集單元14和接收控制單元15；——核磁共振工作模式H橋路5的兩個橋臂輸出端與配諧電容7和發(fā)射線圈8連接，選頻放大單元11通過繼電器10與發(fā)射線圈8連接，并將信號送入信號采集單元14和接收控制單元15，兩個二極管9自身反向連接，并與諧振電容7連接。
核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法，按以下方法步驟工作a.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，采用大回線的方式，圍繞每一個測點鋪設(shè)發(fā)射線圈8和放置接收線圈12，利用瞬變電磁法探測快速的特點，對測區(qū)內(nèi)每一個測點進行測量，測量完畢后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，找出測區(qū)內(nèi)電阻率偏低點，并對電阻率偏低的異常測點標(biāo)定；b.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標(biāo)定的異常測點為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈8進行核磁共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測的電阻率異常是否是目的層的真?zhèn)危籧.保持發(fā)射線圈8和其它測量條件不變，再將儀器切換到瞬變電磁的工作模式，對該點進行測量，獲取其衰減曲線；d.對每一個出現(xiàn)低阻異常的測點均重復(fù)步驟b和步驟c的過程，直到所有異常測點都用兩種物探方法測量完畢。
有益效果用一套設(shè)備實現(xiàn)兩種儀器的功能，減少了設(shè)備投資，發(fā)揮了兩種儀器各自的優(yōu)點，同時克服了瞬變電磁儀器發(fā)射電流小、信噪比低、抗干擾能力差的缺點，改善了儀器信噪比，提高了探測效率和精度。
附圖及


圖1是核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀結(jié)構(gòu)框2是大功率電源4結(jié)構(gòu)框3是附圖1中6、7、8、9、10、連接關(guān)系4是選頻放大單元11結(jié)構(gòu)框5是寬帶放大單元13結(jié)構(gòu)框6是信號采集單元14結(jié)構(gòu)框圖1計算機，2主控單元，3發(fā)射控制單元，4大功率電源，5 H橋路，6工作模式切換開關(guān)，7配諧電容，8發(fā)射線圈，9二極管，10繼電器，11選頻放大單元，12接收線圈，13寬帶放大單元，14信號采集單元，15接收控制單元，具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例作進一步詳細說明計算機1通過串口或USB口與主控單元2連接，發(fā)射控制單元3通過數(shù)據(jù)總線與大功率電源4連接，通過交互信號線與H橋路5連接、通過控制線與切換開關(guān)6連接，大功率電源4經(jīng)H橋路5與切換開關(guān)6連接，主控單元2通過SPI串行接口與發(fā)射控制單元3、接收控制單元15連接；瞬變電磁工作模式H橋路5輸出端直接與發(fā)射線圈8兩端連接產(chǎn)生瞬變電磁信號，接收線圈12將瞬變電磁信號送入寬帶放大單元13進行信號調(diào)理后再送給信號采集單元14和接收控制單元15；核磁共振工作模式H橋路5的兩個橋臂輸出端與配諧電容7和發(fā)射線圈8連接，選頻放大單元11通過繼電器10與發(fā)射線圈8連接，并將信號送入信號采集單元14和接收控制單元15，兩個二極管9自身反向連接，并與諧振電容7連接。
核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法，按以下方法步驟工作a.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，采用大回線的方式，圍繞每一個測點鋪設(shè)發(fā)射線圈8和放置接收線圈12，利用瞬變電磁法探測快速的特點，對測區(qū)內(nèi)每一個測點進行測量，測量完畢后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，找出測區(qū)內(nèi)電阻率偏低點，并對電阻率偏低的異常測點標(biāo)定；b.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標(biāo)定的異常測點為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈8進行核磁共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測的電阻率異常是否是目的層的真?zhèn)?；c.保持發(fā)射線圈8和其它測量條件不變，再將儀器切換到瞬變電磁的工作模式，對該點進行測量，獲取其衰減曲線；d.對每一個出現(xiàn)低阻異常的測點均重復(fù)步驟b和步驟c的過程，直到所有異常測點都用兩種物探方法測量完畢。
計算機1與主控單元2通過串口或者USB接口進行連接，用來進行控制指令和探測數(shù)據(jù)的傳輸，儀器系統(tǒng)由主控單元2協(xié)調(diào)發(fā)射控制單元3和接收控制單元15的工作并控制工作模式的切換。主控單元2與發(fā)射控制單元3及接收控制單元15通過SPI串行接口進行通訊，速率為500kbit/s.
信號發(fā)射部分由發(fā)射控制單元3、大功率電源4、H橋路5、切換開關(guān)6、配諧電容7和發(fā)射線圈8構(gòu)成；發(fā)射控制單元3由具有PWM輸出能力的單片機和相關(guān)邏輯電路組成，主要完成大功率電源4的充電控制、H橋路5驅(qū)動信號產(chǎn)生、發(fā)射機狀態(tài)監(jiān)測和工作模式切換。發(fā)射控制單元3通過對大功率電源4的電壓進行檢測，控制大功率電源4中電容的充電，為發(fā)射機提供大功率瞬時電源。
5VDC-DC變換器給發(fā)射控制單元3提供工作電源，發(fā)射控制單元3通過ADC實時監(jiān)測大容量電容的電壓情況，當(dāng)電容電壓不滿足要求時，發(fā)射控制單元3通過DAC產(chǎn)生控制信號，調(diào)整升壓DC-DC變換器的輸出電壓，給大容量電容充電，使大容量電容兩端電壓保持在一個穩(wěn)定的值，為發(fā)射機提供大功率發(fā)射電源。
發(fā)射控制單元3給驅(qū)動電路提供兩路邏輯相反并具有一定死區(qū)時間的TTL電平的控制信號；驅(qū)動電路將該控制信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換，驅(qū)動H橋路5；H橋路5由兩個橋臂構(gòu)成，每個橋臂分別有兩個大功率IGBT開關(guān)管，H橋路5工作在1KHz-3KHz的開關(guān)頻率下，工作電流為200A左右，用來將大功率電源4提供的直流電源逆變成交流電。
工作模式切換開關(guān)6由發(fā)射控制單元3控制，用來對發(fā)射模式進行切換。其信號通路為7→9→8→10→11，硬件上，H橋路5的兩個橋臂輸出端接到由配諧電容7和發(fā)射線圈8組成的諧振回路兩端，接收端選頻放大單元11通過繼電器10與發(fā)射線圈8連接。
瞬變電磁法信號流向6→8→12→13，H橋路5輸出端直接接至發(fā)射線圈8的兩端，產(chǎn)生瞬變電磁信號，接收線圈12通過耦合接收瞬變電磁信號，接收線圈感應(yīng)出的信號為微伏量級，該信號接到寬帶放大單元13進行信號調(diào)理。
附圖3中，C1，C2為配諧電容7，L1為發(fā)射線圈8，D1為反向?qū)拥亩O管9，用來泄放發(fā)射線圈中的剩余能量，k1，k2為切換發(fā)射模式的切換開關(guān)6，k3為接收信號切換開關(guān)10。
具體的工作模式切換過程如下當(dāng)系統(tǒng)工作在核磁共振的模式下時，發(fā)射控制單元3控制開關(guān)k1切換至兩端，開關(guān)k2閉合，接收控制單元15控制k3打開，配諧電容7 C1，C2和二極管9 D1，發(fā)射線圈8 L1組成諧振回路，發(fā)射大功率正弦信號。當(dāng)系統(tǒng)停止發(fā)射后，經(jīng)過40-70ms的延時，待發(fā)射線圈8中的剩余能量泄放完畢后，接收控制單元15控制開關(guān)k3閉合，將發(fā)射線圈8作為接收線圈和選頻放大單元11連接起來，完成對核磁信號的接收。而當(dāng)系統(tǒng)需要切換為瞬變電磁法工作模式時，開關(guān)k1切換至一端，開關(guān)k2打開，開關(guān)k3打開。此時，發(fā)射線圈8作為H橋路的負載直接接到H橋路5的兩端，諧振電容7 C1，C2和二極管9 D1未接入發(fā)射主電路中，發(fā)射機利用發(fā)射線圈8發(fā)射大功率瞬變電磁信號。接收端采用大回線的方式，不動發(fā)射線圈8，利用瞬變電磁接收線圈12實現(xiàn)對瞬變電磁接收信號的接收，并經(jīng)過寬帶浮點放大單元13對信號進行預(yù)處理，完成對瞬變電磁信號的采集。
選頻放大單元11由核磁共振阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、核磁共振前置放大器、LC選頻放大器、工頻陷波器和后級放大器組成。選頻放大單元11的中心頻率可以在1kHz-3kHz范圍內(nèi)調(diào)整，中心頻率處放大倍數(shù)為40萬倍。對核磁共振前置放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電源與后級放大電路的電源間加入一個高性能的電源濾波器，減少不同級放大電路產(chǎn)生的傳擾。
寬帶放大單元13由瞬變電磁阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、瞬變電磁前置放大器、寬帶濾波器、工頻陷波器和后級放大器構(gòu)成。寬帶放大單元13的電源分配方式和選頻放大單元11分配方式相同。瞬變電磁阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以保證在數(shù)十赫茲到數(shù)十千赫茲范圍內(nèi)為放大電路和接收線圈提供良好的阻抗匹配。瞬變電磁前置放大器采用輸入阻抗高，低噪聲，低失調(diào)電壓的儀用放大器芯片，降低儀器系統(tǒng)的噪聲。
信號采集單元14，基于核磁共振信號和瞬變電磁信號對采樣率和采樣精度的要求，信號采集單元14采樣率為1MHz，采樣精度為16bit。
前端放大器采集回來的信號為單端交流信號，而系統(tǒng)采用的AD只能采集直流雙端差分信號，單端轉(zhuǎn)雙端模塊完成信號轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換后信號送入AD采集模塊中，由于采樣率較高，信號采集單元14采用CPLD+FIFO的方法對高速采集來數(shù)據(jù)進行緩沖存儲，然后由接收控制單元15將FIFO中數(shù)據(jù)讀取并送入存儲器中。
核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀野外具體工作方法在一個地下條件未知的測區(qū)，在進行探測前，首先按照一定距離將測區(qū)平面劃分為多條測線，并根據(jù)需要將每條測線劃分若干個測點。
步驟1讓聯(lián)用儀器工作在瞬變電磁的模式下，采用大回線的方式，圍繞每一個測點鋪設(shè)發(fā)射線圈8，放置接收線圈12。利用瞬變電磁法探測快速的特點，對測區(qū)內(nèi)每一個測點進行測量，測量完畢后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，找出測區(qū)內(nèi)電阻率偏低，并對電阻率偏低的異常測點標(biāo)定；步驟2，將聯(lián)用儀器切換到核磁共振工作模式，并以已標(biāo)定的測點為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈8，進行定點的核磁共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測得電阻率異常是否是目的層的真?zhèn)巍?br> 步驟3，保持發(fā)射線圈和其它測量條件不變，再將儀器切換到瞬變電磁的工作模式，對該點進行測量，獲取其衰減曲線。
步驟4對每一個出現(xiàn)低阻異常的測點均重復(fù)步驟2和步驟3的過程，直到所有測點都已經(jīng)用兩種物探方法測量完畢。
將測得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，可以用于對核磁共振數(shù)據(jù)的校正，并可以用于減弱低頻天然場對探測結(jié)果的影響，提高探測的效率和結(jié)果準確度。
權(quán)利要求
1.一種核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法，其特征在于，計算機(1)通過串口或USB口與主控單元(2)連接，發(fā)射控制單元(3)通過數(shù)據(jù)總線與大功率電源(4)連接，通過交互信號線與H橋路(5)連接、通過控制線與切換開關(guān)(6)連接，大功率電源(4)經(jīng)H橋路(5)與切換開關(guān)(6)連接，主控單元(2)通過SPI串行接口與發(fā)射控制單元(3)、接收控制單元(15)連接；——瞬變電磁工作模式H橋路(5)輸出端直接與發(fā)射線圈(8)兩端連接產(chǎn)生瞬變電磁信號，接收線圈(12)將瞬變電磁信號送入寬帶放大單元(13)進行信號調(diào)理后再送給信號采集單元(14)和接收控制單元(15)；——核磁共振工作模式H橋路(5)的兩個橋臂輸出端與配諧電容(7)和發(fā)射線圈(8)連接，選頻放大單元(11)通過繼電器(10)與發(fā)射線圈(8)連接，并將信號送入信號采集單元(14)和接收控制單元(15)，兩個二極管自身反向連接，并與諧振電容(7)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法，其特征在于，按以下方法步驟工作a.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，采用大回線的方式，圍繞每一個測點鋪設(shè)發(fā)射線圈(8)和放置接收線圈(12)，利用瞬變電磁法探測快速的特點，對測區(qū)內(nèi)每一個測點進行測量，測量完畢后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，找出測區(qū)內(nèi)電阻率偏低點，并對電阻率偏低的異常測點標(biāo)定；b.將核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標(biāo)定的異常測點為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈(8)進行核磁共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測的電阻率異常是否是目的層的真?zhèn)?；c.保持發(fā)射線圈(8)和其它測量條件不變，再將儀器切換到瞬變電磁的工作模式，對該點進行測量，獲取其衰減曲線；d.對每一個出現(xiàn)低阻異常的測點均重復(fù)步驟b和步驟c的過程，直到所有異常測點都用兩種物探方法測量完畢。
全文摘要
本發(fā)明公開一種地球物理勘探設(shè)備及方法，是將核磁共振與瞬變電磁組合成一體的核磁共振與瞬變電磁聯(lián)用儀及其方法。首先將聯(lián)用儀選擇在瞬變電磁工作模式下，在測線上鋪設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈，對測區(qū)內(nèi)每一個測點進行測量，測量完畢后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，找出低電阻率點，并對低電阻率異常測點標(biāo)定；再將聯(lián)用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標(biāo)定的異常測點為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈進行核磁共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變電磁所測的電阻率異常目的層的真?zhèn)巍Ｓ靡惶自O(shè)備實現(xiàn)兩種儀器的功能，減少了設(shè)備投資，發(fā)揮了兩種儀器各自優(yōu)點，提高了探測效率和精度。
文檔編號G01V3/12GK1936621SQ20061001722
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月8日
發(fā)明者林君, 段清明, 王應(yīng)吉, 王中興, 孫淑琴, 榮亮亮 申請人:吉林大學(xué)