矿山井下磁共振探测米标天线及信号检测系统设计

李 婷

(武汉工程大学 湖北 武汉 430073)

一、引言

磁共振测深是近年来发展起来的一种探测地下水的地球物理方法，可用于调查和评价地下水的数量，也可用于矿山、隧道等地下工程建设中危险水体的超前探测和预警。应用于地下环境探测方法也称为地下磁共振探测然而，矿山隧道空间狭窄、环境复杂、电磁干扰等问题严重限制了城市轨道交通的适用性。研究者将MRS方法应用于地下工程的困难以及有待突破的相关关键技术。然而，考虑到矿山的环境比隧道更复杂，例如建设量更大、噪音干扰更复杂、空间更窄矿山环境十分复杂，除空间狭小外，还存在着严重的电磁干扰。虽然电力线谐波噪声和地表上的尖峰噪声在进入地下深处时已明显衰减，但仍有大量的电力传输电缆和变压器以及许多工程设备，既能产生大量的电力线谐波噪声，又能产生随机噪声。信道严重影响了对UMRS信号的采集。利用我国最新研制的UMRS设备对山东省矿山巷道进行了超前探测，获得了可靠的MRS信号。

二、UMRS基础

对于矿山中的UMRS探测，天线通常垂直布置，对前方或围岩中的目标水体进行超前探测，受巷道狭窄空间的限制，天线的尺寸窄，有效表面积小。因此，通常采用增加线圈匝数来提高天线在弱磁场探测中的性能。在探测前水体的过程中，UMRS方法由分离的发射和接收过程组成。利用水中氢质子的核自旋。在地磁场下，质子绕轴以特征(角)旋转，其中γ是质子旋磁比。除了诱发进动外，氢质子系综在热平衡中表现出一个小的宏观净磁化状态。UMRS设备发出交流电频率来激发水中质子旋转。当氢质子被激发时，自旋磁化的方向被某个倾斜角旋转，即偏离热平衡。在切换脉冲后，自旋磁化放松回到平衡状态，从而在接收线圈中感应与UMRS信号相对应的电压。从采集数据中提取的UMRS信号的振幅和弛豫时间可用于定量确定目标水体的位置和相关水文信息。

三、矿用天线设计

(一)天线结构。本研究中用于矿井中UMRS探测的天线尺寸仅为2米，每转一圈天线的有效面积为4平方米。为了提高UMRS信号的幅度，检测天线必须采用多匝模块。在以往的研究中，所采用的天线通常是由软的和随机缠绕的线圈组成，在不同的测量过程中，电子参数可能发生变化从而降低了长期系统研究的检测稳定性。在这项研究中，其中天线架由U形非导电玻璃纤维材料制成，具有分隔结构。线圈系统由外层发射机18圈的发射线圈和内层90圈的接收线圈组成。接收器和发射器由一层隔离材料隔开。与重合模式相比，分离模式的优点在于可以使用不同线径和匝数的线圈来制作接收器和发射器。由于发射线圈携带强电流，所以必须使用很厚的电缆和绝缘层来防止高压击穿。大匝数的使用不仅增加了体积和重量，而且增加了电感和内阻，从而降低了发射波形质量，提高了发射功率要求。相比之下，接收线圈可以使用小线径电缆和大圈数，以获得更高的接收灵敏度。接收线圈的每一圈由纯退火多芯铜材料制成，天线匝间的孔与隔离材料和硅橡胶粘合，以保证天线系统的高压绝缘性能。发射线圈和接收线圈最佳组合的更多细节可以在天线系统中找到，天线系统固定在玻璃纤维支架内。天线可采用两种不同的绕制方式，分别对应于规则绕制和不规则随机绕制。不规则和随机缠绕天线通常具有较低的分布电容，这有助于达到高频，但要求天线具有较高的绝缘性能。

(二)匹配电路。图为接收天线匹配电路的集成结构，主要由天线等效电路、开关电路和频率选择电路组成。介于天线与匹配电路之间是一种高压簧片继电器，用于隔离发射系统工作时接收天线产生的强感应电压，由晶体管晶体管逻辑(TTL)信号控制，可避免对接收系统的高压感应损坏。由于高压继电器是机械开关，其开关动作会产生抖动，在高Q值接收天线和放大电路后形成振铃现象。

四、信号检测系统硬件滤波电路

在地下工程施工中，通风照明设备、开挖及通讯设备较多，一般集中分布在狭窄的空间内。而这些设备产生的电磁干扰又严重影响了UMRS系统的工作性能，必须采用有源滤波方法抑制这些电磁干扰，以获得可靠的UMRS信号。本研究所开发的UMRS探测系统中采用的滤波器系统，天线系统输出的含噪声信号通过匹配网络后，通过前置放大器(采用三个并行低噪声放大器芯片作为核心放大器单元)送入滤波器系统。经测试，该前置放大器的输入短路噪声可以达到1.0级，满足弱UMRS信号检测的要求。该滤波系统由宽带滤波器和窄带滤波器组成，信号通过增益可调放大器送入模数转换器(ADC)进行信号转换，最后由数字电路采集。宽带滤波器是双二次滤波器，构成带宽为2 kHz、低频截止频率为1.3 kHz和高频截止频率为3.3 kHz的滤波器系统的第一级。因此，该滤波器的频率范围与UMRS信号的频率范围相匹配。此外，它的通带增益和阻带增益分别为40dB和d60dB，其主要功能是滤除甚高频通信噪声、甚低频电力线噪声和尖峰噪声。窄带滤波器是一种带宽为50赫兹的频率跟踪开关电容滤波器。虽然具有较短弛豫时间的UMRS信号可以在如此窄的带宽内发生畸变。

五、研究区域环境

证明了我们设计的米级天线和UMRS信号检测系统可以在非常嘈杂的矿井环境中可靠地检测UMRS信号。结果是一维的，脉冲矩的个数和最大值的限制使远距分辨率降低。虽然本研究的测量结果是在高噪声环境中获得，但模拟结果表明，在该噪声水平下，反演结果仍能反映水体的位置、范围和含水量。我们估计的松弛时间范围相当广，这可能意味着含水结构中的孔隙尺寸相当大。然而，它也可能是由高噪声级引起的，需要更多的数据或其他信息来验证和验证.已知的地质资料清楚地表明，本研究中在井壁测点前方7米处的含水体含水量分布曲线与现场观测一致，从而验证了米标天线和信号检测系统的有效性。

六、结论

UMRS是一种新型的地球物理探测方法，可用于矿山水体的探测，有可能诱发地质灾害。然而，由于矿井空间有限，环境复杂，电磁干扰严重限制了该方法的适用性最后，通过一个案例研究，验证了UMRS的有效性。针对矿井空间狭小的特点，提出采用2米多匝检测天线和高灵敏度天线匹配电路，与不规则软天线相比，能保证电子参数的稳定性和一致性，降低高压绝缘要求。同时，利用Q开关电路降低了继电器引起的机械抖动的发射能量和后续影响。为了解决电磁干扰严重的问题，我们采用了硬件滤波电路和软件数据处理相结合的方法来降低噪声水平，从而提高信噪比。具体地，我们设计了一个前置放大器和一个由宽带滤波器和窄带滤波器组成的多级滤波器模块，利用我们提出的软件数据处理方案对滤波后的数据进行进一步处理，以消除尖峰噪声和谐波噪声最后，利用本文研制的米级天线和信号检测系统，在山西某矿进行了UMRS试验。实验结果表明，该信号检测系统在噪声较大的环境下，能够可靠地提取松弛时间较长的UMRS信号。通过反演UMRS信号得到的含水量分布曲线和弛豫时间与井壁前方基本一致，证明了本研究所提出的UMRS方法和系统的有效性。