本發(fā)明屬于地球物理探測(cè)領(lǐng)域，涉及一種可用于隧道突水突泥超前預(yù)報(bào)與地下水探查的偽隨機(jī)掃頻核磁共振探測(cè)儀器。

背景技術(shù)：
核磁共振探測(cè)是一種能夠探明地下含水體位置以及孔隙度并直接估算其水量的地球物理新方法。其原理是利用頻率等于水中氫質(zhì)子在地球磁場(chǎng)下的拉莫爾頻率的人工射頻激發(fā)場(chǎng)激發(fā)后產(chǎn)生的自由衰減信號(hào)對(duì)地下含水體直接的進(jìn)行定量識(shí)別。目前，地面核磁共振、鉆孔核磁共振以及實(shí)驗(yàn)室核磁共振已被廣泛應(yīng)用于地下水探查、滑坡檢測(cè)、石油測(cè)井以及巖石試樣檢測(cè)等諸多地球物理領(lǐng)域。由于核磁共振具有能夠直接找水的特點(diǎn)，在隧道不良地質(zhì)以及突水突泥超前預(yù)報(bào)的研究與應(yīng)用中有著顯著的方法優(yōu)勢(shì)和重要的發(fā)展意義。野外工作與洞內(nèi)探查過程中，準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)區(qū)內(nèi)的地球磁場(chǎng)并求出拉莫爾頻率，再用儀器發(fā)射頻率與之相等的核磁共振激發(fā)脈沖是獲得可靠核磁共振響應(yīng)信號(hào)的關(guān)鍵。由于地球磁場(chǎng)隨時(shí)間變化且分布不均、前方地質(zhì)體可能存在磁異常以及儀器誤差等因素；激發(fā)脈沖的頻率往往偏離真實(shí)的拉莫爾頻率。由此產(chǎn)生的核磁共振響應(yīng)信號(hào)的幅值將大大減小以至于淹沒于環(huán)境電磁噪聲之中造成無法觀測(cè)到核磁共振響應(yīng)信號(hào)的現(xiàn)象。目前，在核磁共振儀器設(shè)計(jì)與研發(fā)的問題上，普遍將研究重點(diǎn)放在信號(hào)調(diào)理、噪聲抑制以及天線優(yōu)化等方面。而對(duì)如何避免激發(fā)頻率偏離真實(shí)拉莫爾頻率方面，缺乏足夠的研究，沒有行之有效的解決方法。具體來說，核磁共振探測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與研發(fā)存在以下難題與不足：(1)在隧道中進(jìn)行洞內(nèi)探查時(shí)，若掌子面前方圍巖為基性、超基性或變質(zhì)巖等高磁性巖體以及圍巖中含有鐵磁性礦物，掌子面前方地球磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與傾角由于上述磁性異常產(chǎn)生畸變，核磁共振的激發(fā)頻率——拉莫爾頻率隨之做相應(yīng)的變化。由于前方地球磁場(chǎng)參數(shù)未知，此時(shí)采用掌子面后隧道洞室內(nèi)測(cè)量的地球磁場(chǎng)計(jì)算出激發(fā)頻率與前方真實(shí)拉莫爾頻率存在偏差，不能可靠的激發(fā)前方災(zāi)害水體中的核磁共振響應(yīng)。(2)核磁共振激發(fā)脈沖采用單頻正弦脈沖，一次發(fā)射僅能對(duì)一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行核磁共振激發(fā)。激發(fā)頻率與拉莫爾頻率存在偏差時(shí)需要不斷變換激發(fā)頻率且不能估計(jì)變換后激發(fā)頻率的數(shù)值。(3)單頻正弦脈沖的發(fā)生需采用RLC諧振電路與高壓電容充放電模塊。激發(fā)脈沖的頻率控制需要通過調(diào)節(jié)外接電容的容抗使之與線圈和線路的感抗相匹配從而達(dá)到諧振。選頻配諧過程的實(shí)現(xiàn)通過繼電器多次切換配諧電容的串并聯(lián)組合并通過檢測(cè)電路反饋當(dāng)前電路的品質(zhì)因數(shù)與脈沖輸出。因此選頻配諧的過程十分耗時(shí)。并且由于諧振電路的主要組成部分是配諧電感與電容，因此發(fā)射機(jī)需要外接體積龐大而且沉重的電容箱(配諧電感一般由發(fā)射線圈的感抗提供)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種偽隨機(jī)掃頻核磁共振探測(cè)儀器。本發(fā)明的偽隨機(jī)掃頻核磁共振探測(cè)儀器可用于隧道突水突泥超前預(yù)報(bào)與地下水探查，而且可以在一次觀測(cè)中對(duì)多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行核磁共振激發(fā)并通過調(diào)節(jié)激發(fā)脈沖頻率掃描得到最佳響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種偽隨機(jī)掃頻核磁共振探測(cè)儀器，包括控制與通信模塊，其采集測(cè)量區(qū)內(nèi)的地球磁場(chǎng)參數(shù)并計(jì)算第一次發(fā)射的偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖的頻率調(diào)制函數(shù)，并將頻率調(diào)制函數(shù)發(fā)送給脈沖頻率調(diào)制模塊；脈沖頻率調(diào)制模塊，其根據(jù)接收的頻率調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生頻率調(diào)制信號(hào)傳送至脈沖發(fā)射模塊；脈沖發(fā)射模塊，其根據(jù)頻率調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生并發(fā)射一組偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖，對(duì)多個(gè)頻率進(jìn)行核磁共振激發(fā)；響應(yīng)信號(hào)接收模塊，其采集偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖所激發(fā)的核磁共振響應(yīng)信號(hào)，并傳送至通信模塊；所述控制與通信模塊還用于根據(jù)核磁共振響應(yīng)信號(hào)特征計(jì)算當(dāng)前激發(fā)頻率與真實(shí)拉莫爾頻率的頻率偏離程度來判斷接收到的響應(yīng)信號(hào)是否為最佳響應(yīng)信號(hào)：若是最佳響應(yīng)信號(hào)，則確定最佳激發(fā)頻率并記錄最佳響應(yīng)；否則，將頻率偏離程度傳送至頻率掃描控制模塊，所述頻率掃描控制模塊根據(jù)頻率偏離程度進(jìn)行計(jì)算頻率掃描方向與步長(zhǎng)來調(diào)節(jié)頻率調(diào)制函數(shù)信號(hào)，并輸入至脈沖頻率調(diào)制模塊；脈沖頻率調(diào)制模塊根據(jù)接收到的頻率調(diào)制函數(shù)信號(hào)來控制所述脈沖發(fā)射模塊使其產(chǎn)生并發(fā)射另一組不同頻率的偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖，確定最佳激發(fā)頻率。所述脈沖頻率調(diào)制模塊，其產(chǎn)生的頻率調(diào)制信號(hào)用于直接控制脈沖發(fā)射模塊中的IGBT橋式電路各橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間的控制。所述響應(yīng)信號(hào)接收模塊采用數(shù)字式多路選頻接收的方式，通過預(yù)先設(shè)定的多個(gè)不同中心頻率的信號(hào)通道采集偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖所激發(fā)的核磁共振響應(yīng)信號(hào)。所述頻率掃描控制模塊有自動(dòng)掃描與手動(dòng)掃描兩種工作方式。所述頻率掃描控制模塊在自動(dòng)掃描方式下，根據(jù)當(dāng)前接收到的核磁共振響應(yīng)信號(hào)自動(dòng)判定頻率掃描的方向并調(diào)節(jié)頻率調(diào)制函數(shù)。所述頻率掃描控制模塊在手動(dòng)掃描方式下，通過上位機(jī)輸入頻率掃描方向與掃描步長(zhǎng)調(diào)節(jié)頻率調(diào)制函數(shù)。所述頻率掃描控制模塊通過不斷改變頻率調(diào)制函數(shù)，使得偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖的頻譜特性以固定的形態(tài)沿著頻率軸滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列頻點(diǎn)上的核磁共振響應(yīng)進(jìn)行掃描激發(fā)。所述脈沖發(fā)射模塊包括由開關(guān)管構(gòu)成的橋式電路以及相關(guān)觸發(fā)電路。所述控制與通信模塊與上位機(jī)相互通信。本發(fā)明的有益效果為：(1)本發(fā)明為隧道(以及地面)核磁共振探測(cè)中災(zāi)害水體(地下含水層)不能可靠激發(fā)的問題提供了可行的方案，從而更好地解決突水突泥災(zāi)害水源的定量識(shí)別與預(yù)報(bào)問題；在脈沖發(fā)射方面，放棄使用正弦波脈沖轉(zhuǎn)而使用有多組不同頻率的雙極性周期方波組成的偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖；脈沖的發(fā)生不再需要RLC諧振電路。因此，脈沖發(fā)射模塊不在需要外接龐大而沉重的配諧電容。由于橋式電路能夠被集成在固態(tài)模塊中，具有體積小、重量輕、控制方便的特點(diǎn)；因此采用其作為偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖的發(fā)射電路是得儀器實(shí)現(xiàn)了小型化與輕便化。(2)在發(fā)射脈沖頻率特性方面，儀器通過集成數(shù)字芯片構(gòu)成的時(shí)序電路靈活控制不同頻率方波的周波重復(fù)次數(shù)來獲得不同頻譜特性從而實(shí)現(xiàn)在一次觀測(cè)中激發(fā)多個(gè)頻點(diǎn)上的核磁共振響應(yīng)。(3)在核磁共振的激發(fā)方式上面，一次脈沖發(fā)射能夠?qū)Χ鄠€(gè)頻點(diǎn)上的核磁共振響應(yīng)進(jìn)行激發(fā)。根據(jù)當(dāng)前核磁共振響應(yīng)特征，確定頻率掃描方向，改變偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖的頻率；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定頻帶內(nèi)的和核磁共振響應(yīng)進(jìn)行掃描激發(fā)。(4)在核磁共振響應(yīng)信號(hào)采集方面，通過數(shù)字式多路選頻接收實(shí)現(xiàn)了對(duì)偽隨機(jī)掃頻核磁共振激發(fā)脈沖激發(fā)的多個(gè)頻點(diǎn)上的響應(yīng)信號(hào)的采集。不同頻點(diǎn)上的核磁共振響應(yīng)信號(hào)能夠被分別采集和記錄以供判斷，從而找出最佳的核磁共振響應(yīng)信號(hào)。信號(hào)接收通道的中心頻率能夠通過程序設(shè)定并調(diào)節(jié)。這種全數(shù)字的處理方式具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及可以通過程序控制的有點(diǎn)。(5)在核磁共振的可靠激發(fā)方面，本儀器所實(shí)現(xiàn)的“多頻波發(fā)射，掃頻激發(fā)，數(shù)字式多路選頻接收”的激發(fā)與采集方法能夠有效的避免洞內(nèi)探查與野外工作中由于找不準(zhǔn)拉莫爾頻率所產(chǎn)生的偏共振響應(yīng)。所獲得的最佳的核磁共振響應(yīng)，為后續(xù)的資料處理、反演與解釋提供了優(yōu)質(zhì)的觀測(cè)信號(hào)。附圖說明圖1是偽隨機(jī)掃頻核磁共振儀器的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2是偽隨機(jī)掃頻核磁共振儀器的脈沖發(fā)射與掃頻控制原理。圖3是偽隨機(jī)掃頻核磁共振響應(yīng)信號(hào)接收模塊的工作原理。圖4是核磁共振最佳響應(yīng)信號(hào)與偏共振響應(yīng)信號(hào)的對(duì)比。圖5是偽隨機(jī)掃頻核磁共振儀器的具體實(shí)施過程中的工作流程。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：如圖1所示，本發(fā)明的偽隨機(jī)掃頻核磁共振探測(cè)儀器包括脈沖發(fā)射...