[发明专利]磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置及方法

权利要求书

1.一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量装置，其特征在于，该装置包括：

车体，整体外壳为非铁磁性材料，作为整个装置的支撑、连接和固定结构；

条形磁体，包括多条条形磁体平行排列，用于提供稳定背景磁场；

收发一体线圈，为多匝方形线圈，置于车架与条形磁体之间，用于发射激发电流并接收磁共振信号；

支架，与整个车体相连，用于支撑收发一体线圈和条形磁体；

主控电路，包括主控制器和切换开关，接收上位机设置的探测参数，并控制发射和接收电路运行，由主控制器与切换开关相连，控制切换开关切换发射过程和接收过程；

发射控制电路，控制发射电流脉冲的频率和幅度，并稳定发射电流的相位；

接收控制电路，对接收信号进行调理，并对信号进行采集；

上位机，与主控电路相连，控制整个装置的发射和接收过程，对采集的数据进行存储和分析；

发电机，包括整流电路和电源变换电路，为整个装置提供电源；

所述条形磁体进行径向充磁，N极和S极分别位于两个长方形相对应面上；相邻两磁体间距相等，依次平行排列于收发一体线圈上方，极性相同的长方形面朝向相同，且所在平面与地面平行，多个条形磁体构成的总磁场方向垂直于地面；

所述发射控制电路包括：

频率变换电路，与主控制器相连，在主控制器控制下产生标准频率信号源，为多频发射电流提供准确频率；

锁相电路，与频率变换电路相连，锁定标准频率信号源的相位，稳定发射电流频率；

功率放大电路，与锁相电路相连，对锁相电路输出信号进行功率放大，产生大功率发射电流，并与电流反馈电路相连，稳定发射电流的幅度；

多频谐振电路，与功率放大电路相连，与收发一体线圈的寄生电感和电阻构成匹配电路，匹配电路具有多个谐振点，每个谐振点对发射电流幅度具有增益；

电流反馈电路，与多频谐振电路相连，采集发射电流数据，并反馈给功率放大电路，并与切换开关相连，使发射控制电路与收发一体线圈相连；

所述接收控制电路包括：

能量泄放电路，与主控制器和切换开关相连，并与收发一体线圈连通，在主控制器控制下消耗线圈中残余的发射电流；

正交接收电路，与能量泄放电路相连，具有两个相敏检波接收通道，两个通道参考信号相位差90°，对接收的信号进行放大和滤波；

移相电路，与正交接收电路相连，将正交接收电路输出的信号初始相位调整为0°；

解调电路，与移相电路相连，对移相电路输出的两个信号进行解调，解调后的信号分别作为实部信号和虚部信号；

信号采集电路，与解调电路和主控制器相连，在主控制器控制下，采集接收到的模拟信号，并将采集结果发送给主控制器。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻条形磁体间距在5-10cm之间，单个条形磁体的表面磁感应强度在10mT-50mT，在探测深度范围内，多个条形磁体的总磁感应强度为10-200倍的地磁场强度。

3.一种磁共振浅地表土壤水和烃污染物含量测量方法，采用权利要求1-2任意一项的装置，其特征在于，该方法包括：

由条形磁体的磁场作为背景磁场，在地面以下随深度增加磁感应强度逐渐降低，背景磁场引起的氢原子自旋进动频率也逐渐降低；由发电机为整个装置供电，在上位机控制下，发射电路发射多个频率和多个幅度的交流脉冲电流，电流频率范围为70kHz～400kHz，幅度范围为20A～100A，激发地面以下不同深度处氢原子产生磁共振效应，然后控制接收电路接收磁共振信号，对信号进行分析后完成对水和污染物含量的测量。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法具体包括：

a、在野外环境中选择一个测区，将条形磁体和收发一体线圈分别固定在拖曳式装置上，收发一体线圈位于磁体正下方，收发一体线圈面积与条形磁体组成的面积相等；

b、使用磁力仪测量磁体表面磁感应强度，并分别测量与条形磁体磁体平面垂直距离分别为x₁，x₂，x₃和x₄处的磁感应强度，根据公式f_x＝γB_x/(2π)计算深度为x处的激发频率f_x，其中γ为氢原子的旋磁比，B_x为深度为x处的磁感应强度；

c、将收发一体线圈两端、发电机电源线和上位机数据传输线与发射控制电路和接收控制电路相连，并将屏蔽外壳密封；

d、装置铺设和连接完毕后，打开上位机，并打开装置电源，上位机和仪器处于待机状态；

e、在待机状态下，设置发射参数和接收参数，并将发射和接收参数发送给主控制器；

f、设置完成后，启动工作，装置依次在发射不同频率和不同幅度的CPMG序列激发电流，完成对地面以下不同深度位置处的含水量和污染物的测量；

g、在一个测点完成测量后，拖动装置在不同测点位置处进行测量，逐点测量完成后实现对整个测区的测量；

h、在测区内完成测量后，利用反演算法对采集的磁共振数据进行反演获得弛豫分布谱，根据弛豫谱的形态区分水和污染物；

i、利用关系式计算第i个弛豫时间分量T_2,i的幅度A_i，计算水和污染物的含量。