礦山井下磁共振探測米標天線及信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

李 婷

(武漢工程大學(xué) 湖北 武漢 430073)

一、引言

磁共振測深是近年來發(fā)展起來的一種探測地下水的地球物理方法，可用于調(diào)查和評價地下水的數(shù)量，也可用于礦山、隧道等地下工程建設(shè)中危險水體的超前探測和預(yù)警。應(yīng)用于地下環(huán)境探測方法也稱為地下磁共振探測然而，礦山隧道空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾等問題嚴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入地下深處時已明顯衰減，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)生隨機噪聲。信道嚴重影響了對UMRS信號的采集。利用我國最新研制的UMRS設(shè)備對山東省礦山巷道進行了超前探測，獲得了可靠的MRS信號。

二、UMRS基礎(chǔ)

對于礦山中的UMRS探測，天線通常垂直布置，對前方或圍巖中的目標水體進行超前探測，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探測中的性能。在探測前水體的過程中，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)進動外，氫質(zhì)子系綜在熱平衡中表現(xiàn)出一個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，自旋磁化的方向被某個傾斜角旋轉(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信號相對應(yīng)的電壓。從采集數(shù)據(jù)中提取的UMRS信號的振幅和弛豫時間可用于定量確定目標水體的位置和相關(guān)水文信息。

三、礦用天線設(shè)計

(一)天線結(jié)構(gòu)。本研究中用于礦井中UMRS探測的天線尺寸僅為2米，每轉(zhuǎn)一圈天線的有效面積為4平方米。為了提高UMRS信號的幅度，檢測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纏繞的線圈組成，在不同的測量過程中，電子參數(shù)可能發(fā)生變化從而降低了長期系統(tǒng)研究的檢測穩(wěn)定性。在這項研究中，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，分別對應(yīng)于規(guī)則繞制和不規(guī)則隨機繞制。不規(guī)則和隨機纏繞天線通常具有較低的分布電容，這有助于達到高頻，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)工作時接收天線產(chǎn)生的強感應(yīng)電壓，由晶體管晶體管邏輯(TTL)信號控制，可避免對接收系統(tǒng)的高壓感應(yīng)損壞。由于高壓繼電器是機械開關(guān)，其開關(guān)動作會產(chǎn)生抖動，在高Q值接收天線和放大電路后形成振鈴現(xiàn)象。

四、信號檢測系統(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。本研究所開發(fā)的UMRS探測系統(tǒng)中采用的濾波器系統(tǒng)，天線系統(tǒng)輸出的含噪聲信號通過匹配網(wǎng)絡(luò)后，通過前置放大器(采用三個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)測試，該前置放大器的輸入短路噪聲可以達到1.0級，滿足弱UMRS信號檢測的要求。該濾波系統(tǒng)由寬帶濾波器和窄帶濾波器組成，信號通過增益可調(diào)放大器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行信號轉(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。因此，該濾波器的頻率范圍與UMRS信號的頻率范圍相匹配。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間的UMRS信號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

證明了我們設(shè)計的米級天線和UMRS信號檢測系統(tǒng)可以在非常嘈雜的礦井環(huán)境中可靠地檢測UMRS信號。結(jié)果是一維的，脈沖矩的個數(shù)和最大值的限制使遠距分辨率降低。雖然本研究的測量結(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。我們估計的松弛時間范圍相當(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引起的，需要更多的數(shù)據(jù)或其他信息來驗證和驗證.已知的地質(zhì)資料清楚地表明，本研究中在井壁測點前方7米處的含水體含水量分布曲線與現(xiàn)場觀測一致，從而驗證了米標天線和信號檢測系統(tǒng)的有效性。

六、結(jié)論

UMRS是一種新型的地球物理探測方法，可用于礦山水體的探測，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，電磁干擾嚴重限制了該方法的適用性最后，通過一個案例研究，驗證了UMRS的有效性。針對礦井空間狹小的特點，提出采用2米多匝檢測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，利用Q開關(guān)電路降低了繼電器引起的機械抖動的發(fā)射能量和后續(xù)影響。為了解決電磁干擾嚴重的問題，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，我們設(shè)計了一個前置放大器和一個由寬帶濾波器和窄帶濾波器組成的多級濾波器模塊，利用我們提出的軟件數(shù)據(jù)處理方案對濾波后的數(shù)據(jù)進行進一步處理，以消除尖峰噪聲和諧波噪聲最后，利用本文研制的米級天線和信號檢測系統(tǒng)，在山西某礦進行了UMRS試驗。實驗結(jié)果表明，該信號檢測系統(tǒng)在噪聲較大的環(huán)境下，能夠可靠地提取松弛時間較長的UMRS信號。通過反演UMRS信號得到的含水量分布曲線和弛豫時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。