核磁***振找水儀的基本結構與工作原理
（壹）核磁***振找水儀的結構
吉林大學自主研制的JLMRS型地下水探測儀原理框圖如圖6－5－1所示，主要由發射系統、接收系統兩部分組成。發射系統的作用是向地下發射大功率正弦交變脈沖產生激發磁場，激發地下水中氫質子，使之產生核磁***振現象；接收系統的作用是對MRS信號進行調理和檢測。發射系統包括：直流電瓶、高壓瞬態電源、發射裝置及控制部分、配諧電容、高壓繼電器；接收系統包括：發射電流采集、MRS信號采集、放大器、微處理器等；發射和接收采用同壹線圈。高壓繼電器是切換發/收狀態的開關。在發射狀態時，繼電器斷開，將信號接收裝置與大功率發射部分隔離，即此時高壓瞬態電源、發射控制裝置、配諧電容、二極管模塊、電流傳感器、發射電流采集等模塊工作，通過線圈將大電流發射出去，以激發地下水。發射完畢後轉入接收狀態，繼電器吸合，使接收回路接通線圈，信號通過放大器和MRS信號采集模塊，獲取MRS的FID（衰減正弦波包絡）信號，並實時傳送給PC控制系統，完成對數據的處理和顯示。
圖6－5－1 JLMRS型核磁***振地下水探測儀系統原理框圖
（二）核磁***振找水儀的工作原理
利用核磁***振方法探測地下含水層模型加圖6－5－2所示。野外實際工作時.利用發射單元往鋪設在地面上的回線中通以頻率等於拉莫爾頻率的交變電流，使地下含水層中的氫質子產生核磁***振現象。然後切斷電流，用同壹回線作接收天線測量MRS信號。這壹過程在野外壹般被重復幾十到幾百次，以記錄MRS信號並進行平均以提高信噪比。由發射電流強度、測得信號的幅度和衰減時間常數經過反演後即可得到含水層深度、厚度、含水率等信息。核磁***振測試數據特征參數與水文地質參數對比結果見表6－5－1。
圖6－5－2 地面MRS找水方法原理示意圖
表6－5－1 MRS找水系統實測參數和對應的地質解釋
野外試驗歸納出的平均衰減時間T*2與含水地層的巖性之間有壹定的近似關系，見表6－5－2。可以看出，平均衰減時間越長，含水層的孔隙也就越大。平均衰減時間與含水層顆粒大小的關系是間接的。對於具有同壹大小的球狀顆粒的沈積巖層來說弛豫時間直接與顆粒大小以及孔隙大小有關；而對於不同顆粒大小的混合物來說，平均衰減時間與顆粒大小之間的關系比較復雜。
表6－5－2 實測平均衰減時間與含水地層巖性的近似關系
核磁***振地下水探測儀的工作過程是：大電流發射、能量釋放、切換和采集。大電流發射即發射瞬時大電流，激發地下水產生核磁***振現象的過程；能量釋放即釋放發射時存儲在發射天線和配諧電容中的能量；切換是利用切換開關將天線由發射回路切換到接收回路。
通過PC機向發射控制模塊MCU設置發射參數，包括激發時長、激發頻率、能釋時長、切換時長、采集時長。發射控制MCU根據所設置的激發頻率，通過控制時序產生激發基準信號，其余各參數均以該基準頻率為標準獲得；控制時序依次產生發射橋路所需的發射控制時序、繼電器吸合同步、電流采集同步、信號采集同步等控制信號。
在核磁***振地下水探測方法中，需要測量MRS信號的平均弛豫時間 和縱向弛豫時間T1。其工作模式有兩種： 測量模式和T1測量模式。測量原理如圖6－5－3所示。
圖6－5－3 與T1測量原理
測量模式的探測過程為：首先將高壓瞬態電源充電至所需發射電壓，采集噪聲，發射系統發射頻率與當地拉莫爾頻率相等的正弦脈沖。由於技術上的限制，儀器在野外實際工作時，在發射和接收之間需要30～40ms的間歇時間。發射電流產生激發場，經過繼電器吸合的間歇時間後，切換開關切換至接收系統，采集MRS信號，傳送給PC機。PC機經過濾除噪聲處理後，與上壹次測量數據相疊加平均，實時顯示，並計算出信號的初始振幅（E0）和平均衰減時間 循環此過程，直到獲得滿意的信號為止。循環次數也稱為疊加次數。因此在接收天線上實際測試信號的初始振幅是激發脈沖終止後到測量開始時刻的自由感應衰減信號。若要得到脈沖終止瞬間的信號振幅，可對FID衰減曲線進行零時外延處理。
每個脈沖矩（發射電流幅度與持續時間之積）對應壹條核磁***振信號隨時間按指數規律變化的衰減曲線，由此曲線可以求出該激發脈沖矩探測深度內含水層的平均衰減時間 計算公式為：
地球物理找水方法技術與儀器
式中：Em、Tm分別為某個激發脈沖矩qi分別對應的信號的振幅值、信號衰減時間（m＝1，2，…，M）。t＝0時刻的FID信號的初始振幅可以用下式計算：
地球物理找水方法技術與儀器
Ei為接收機接收到的第i個激發脈沖矩的自由感應衰減信號振幅；te為外延時間，應接近激發脈沖終止時間；E0i（qi）為第i個激發脈沖矩的MRS信號的初始振幅。T1測量模式的探測過程：首先將高壓瞬態電源充電至所需發射電壓，采集噪聲，發射正弦脈沖，產生激發場，經過繼電器吸合的間歇時間後，切換開關至接收系統，采集壹次MRS信號。高壓瞬態電源在不充電的情況下，發射系統繼續發射正弦脈沖，再經過間歇時間後切換開關至接收系統采集第二次MRS信號，傳送給PC機，PC機經過噪聲濾除處理後，與上壹次測量數據相疊加，實時顯示，並計算出兩次采集信號的初始振幅E01和E02，循環此過程直到獲得滿意的信號為止。計算T1表達式如下：
地球物理找水方法技術與儀器
式中：Δt為兩個脈沖之間的時間間隔。
為實現儀器兩種測量模式，采用循環測量方法，如圖6－5－4所示。在 和T1測量模式中都要先測量壹次噪聲；在測量噪聲時，采用測量信號的時序測量噪聲，但發射不是真正的發射，只是占用發射時間，而沒有發射電流，稱為偽發射。在測量 時，將測量時序循環兩次，在測量T1時，將采集時序循環三次，就完成了該儀器的多模式測量。
圖6－5－4 多模式測量過程