李 婷

(武漢工程大學(xué) 湖北 武漢 430073)

一、引言

磁共振測(cè)深是近年來發(fā)展起來的一種探測(cè)地下水的地球物理方法，可用于調(diào)查和評(píng)價(jià)地下水的數(shù)量，也可用于礦山、隧道等地下工程建設(shè)中危險(xiǎn)水體的超前探測(cè)和預(yù)警。應(yīng)用于地下環(huán)境探測(cè)方法也稱為地下磁共振探測(cè)然而，礦山隧道空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾等問題嚴(yán)重限制了城市軌道交通的適用性。研究者將MRS方法應(yīng)用于地下工程的困難以及有待突破的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。然而，考慮到礦山的環(huán)境比隧道更復(fù)雜，例如建設(shè)量更大、噪音干擾更復(fù)雜、空間更窄礦山環(huán)境十分復(fù)雜，除空間狹小外，還存在著嚴(yán)重的電磁干擾。雖然電力線諧波噪聲和地表上的尖峰噪聲在進(jìn)入地下深處時(shí)已明顯衰減，但仍有大量的電力傳輸電纜和變壓器以及許多工程設(shè)備，既能產(chǎn)生大量的電力線諧波噪聲，又能產(chǎn)生隨機(jī)噪聲。信道嚴(yán)重影響了對(duì)UMRS信號(hào)的采集。利用我國最新研制的UMRS設(shè)備對(duì)山東省礦山巷道進(jìn)行了超前探測(cè)，獲得了可靠的MRS信號(hào)。

二、UMRS基礎(chǔ)

對(duì)于礦山中的UMRS探測(cè)，天線通常垂直布置，對(duì)前方或圍巖中的目標(biāo)水體進(jìn)行超前探測(cè)，受巷道狹窄空間的限制，天線的尺寸窄，有效表面積小。因此，通常采用增加線圈匝數(shù)來提高天線在弱磁場(chǎng)探測(cè)中的性能。在探測(cè)前水體的過程中，UMRS方法由分離的發(fā)射和接收過程組成。利用水中氫質(zhì)子的核自旋。在地磁場(chǎng)下，質(zhì)子繞軸以特征(角)旋轉(zhuǎn)，其中γ是質(zhì)子旋磁比。除了誘發(fā)進(jìn)動(dòng)外，氫質(zhì)子系綜在熱平衡中表現(xiàn)出一個(gè)小的宏觀凈磁化狀態(tài)。UMRS設(shè)備發(fā)出交流電頻率來激發(fā)水中質(zhì)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氫質(zhì)子被激發(fā)時(shí)，自旋磁化的方向被某個(gè)傾斜角旋轉(zhuǎn)，即偏離熱平衡。在切換脈沖后，自旋磁化放松回到平衡狀態(tài)，從而在接收線圈中感應(yīng)與UMRS信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電壓。從采集數(shù)據(jù)中提取的UMRS信號(hào)的振幅和弛豫時(shí)間可用于定量確定目標(biāo)水體的位置和相關(guān)水文信息。

三、礦用天線設(shè)計(jì)

(一)天線結(jié)構(gòu)。本研究中用于礦井中UMRS探測(cè)的天線尺寸僅為2米，每轉(zhuǎn)一圈天線的有效面積為4平方米。為了提高UMRS信號(hào)的幅度，檢測(cè)天線必須采用多匝模塊。在以往的研究中，所采用的天線通常是由軟的和隨機(jī)纏繞的線圈組成，在不同的測(cè)量過程中，電子參數(shù)可能發(fā)生變化從而降低了長期系統(tǒng)研究的檢測(cè)穩(wěn)定性。在這項(xiàng)研究中，其中天線架由U形非導(dǎo)電玻璃纖維材料制成，具有分隔結(jié)構(gòu)。線圈系統(tǒng)由外層發(fā)射機(jī)18圈的發(fā)射線圈和內(nèi)層90圈的接收線圈組成。接收器和發(fā)射器由一層隔離材料隔開。與重合模式相比，分離模式的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用不同線徑和匝數(shù)的線圈來制作接收器和發(fā)射器。由于發(fā)射線圈攜帶強(qiáng)電流，所以必須使用很厚的電纜和絕緣層來防止高壓擊穿。大匝數(shù)的使用不僅增加了體積和重量，而且增加了電感和內(nèi)阻，從而降低了發(fā)射波形質(zhì)量，提高了發(fā)射功率要求。相比之下，接收線圈可以使用小線徑電纜和大圈數(shù)，以獲得更高的接收靈敏度。接收線圈的每一圈由純退火多芯銅材料制成，天線匝間的孔與隔離材料和硅橡膠粘合，以保證天線系統(tǒng)的高壓絕緣性能。發(fā)射線圈和接收線圈最佳組合的更多細(xì)節(jié)可以在天線系統(tǒng)中找到，天線系統(tǒng)固定在玻璃纖維支架內(nèi)。天線可采用兩種不同的繞制方式，分別對(duì)應(yīng)于規(guī)則繞制和不規(guī)則隨機(jī)繞制。不規(guī)則和隨機(jī)纏繞天線通常具有較低的分布電容，這有助于達(dá)到高頻，但要求天線具有較高的絕緣性能。

(二)匹配電路。圖為接收天線匹配電路的集成結(jié)構(gòu)，主要由天線等效電路、開關(guān)電路和頻率選擇電路組成。介于天線與匹配電路之間是一種高壓簧片繼電器，用于隔離發(fā)射系統(tǒng)工作時(shí)接收天線產(chǎn)生的強(qiáng)感應(yīng)電壓，由晶體管晶體管邏輯(TTL)信號(hào)控制，可避免對(duì)接收系統(tǒng)的高壓感應(yīng)損壞。由于高壓繼電器是機(jī)械開關(guān)，其開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，在高Q值接收天線和放大電路后形成振鈴現(xiàn)象。

四、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)硬件濾波電路

在地下工程施工中，通風(fēng)照明設(shè)備、開挖及通訊設(shè)備較多，一般集中分布在狹窄的空間內(nèi)。而這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾又嚴(yán)重影響了UMRS系統(tǒng)的工作性能，必須采用有源濾波方法抑制這些電磁干擾，以獲得可靠的UMRS信號(hào)。本研究所開發(fā)的UMRS探測(cè)系統(tǒng)中采用的濾波器系統(tǒng)，天線系統(tǒng)輸出的含噪聲信號(hào)通過匹配網(wǎng)絡(luò)后，通過前置放大器(采用三個(gè)并行低噪聲放大器芯片作為核心放大器單元)送入濾波器系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該前置放大器的輸入短路噪聲可以達(dá)到1.0級(jí)，滿足弱UMRS信號(hào)檢測(cè)的要求。該濾波系統(tǒng)由寬帶濾波器和窄帶濾波器組成，信號(hào)通過增益可調(diào)放大器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后由數(shù)字電路采集。寬帶濾波器是雙二次濾波器，構(gòu)成帶寬為2 kHz、低頻截止頻率為1.3 kHz和高頻截止頻率為3.3 kHz的濾波器系統(tǒng)的第一級(jí)。因此，該濾波器的頻率范圍與UMRS信號(hào)的頻率范圍相匹配。此外，它的通帶增益和阻帶增益分別為40dB和d60dB，其主要功能是濾除甚高頻通信噪聲、甚低頻電力線噪聲和尖峰噪聲。窄帶濾波器是一種帶寬為50赫茲的頻率跟蹤開關(guān)電容濾波器。雖然具有較短弛豫時(shí)間的UMRS信號(hào)可以在如此窄的帶寬內(nèi)發(fā)生畸變。

五、研究區(qū)域環(huán)境

證明了我們?cè)O(shè)計(jì)的米級(jí)天線和UMRS信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以在非常嘈雜的礦井環(huán)境中可靠地檢測(cè)UMRS信號(hào)。結(jié)果是一維的，脈沖矩的個(gè)數(shù)和最大值的限制使遠(yuǎn)距分辨率降低。雖然本研究的測(cè)量結(jié)果是在高噪聲環(huán)境中獲得，但模擬結(jié)果表明，在該噪聲水平下，反演結(jié)果仍能反映水體的位置、范圍和含水量。我們估計(jì)的松弛時(shí)間范圍相當(dāng)廣，這可能意味著含水結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸相當(dāng)大。然而，它也可能是由高噪聲級(jí)引起的，需要更多的數(shù)據(jù)或其他信息來驗(yàn)證和驗(yàn)證.已知的地質(zhì)資料清楚地表明，本研究中在井壁測(cè)點(diǎn)前方7米處的含水體含水量分布曲線與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)一致，從而驗(yàn)證了米標(biāo)天線和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。

六、結(jié)論

UMRS是一種新型的地球物理探測(cè)方法，可用于礦山水體的探測(cè)，有可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。然而，由于礦井空間有限，環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重限制了該方法的適用性最后，通過一個(gè)案例研究，驗(yàn)證了UMRS的有效性。針對(duì)礦井空間狹小的特點(diǎn)，提出采用2米多匝檢測(cè)天線和高靈敏度天線匹配電路，與不規(guī)則軟天線相比，能保證電子參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性，降低高壓絕緣要求。同時(shí)，利用Q開關(guān)電路降低了繼電器引起的機(jī)械抖動(dòng)的發(fā)射能量和后續(xù)影響。為了解決電磁干擾嚴(yán)重的問題，我們采用了硬件濾波電路和軟件數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法來降低噪聲水平，從而提高信噪比。具體地，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)前置放大器和一個(gè)由寬帶濾波器和窄帶濾波器組成的多級(jí)濾波器模塊，利用我們提出的軟件數(shù)據(jù)處理方案對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以消除尖峰噪聲和諧波噪聲最后，利用本文研制的米級(jí)天線和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，在山西某礦進(jìn)行了UMRS試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)在噪聲較大的環(huán)境下，能夠可靠地提取松弛時(shí)間較長的UMRS信號(hào)。通過反演UMRS信號(hào)得到的含水量分布曲線和弛豫時(shí)間與井壁前方基本一致，證明了本研究所提出的UMRS方法和系統(tǒng)的有效性。