本發(fā)明涉及一種航空地球物理勘探設備及方法，尤其是超導量子干涉器接收的低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置及方法。

背景技術：

石油是一種不可再生的能源，更是國家生存和發(fā)展所不可或缺的戰(zhàn)略資源，在國家經(jīng)濟、社會發(fā)展和國防安全方面起著不可估量的作用。核磁共振探測方法是目前唯一的直接地下油層探測方法，上世紀70年代石油工業(yè)便開始引進核磁共振技術在井中描述儲層中油氣的靜態(tài)及動態(tài)，為油氣藏的勘探開發(fā)做出了貢獻，核磁共振探測方法相比與其它地球物理方法更加精準，同時避免了鉆井的昂貴花費，成為地球物理探測方法中的一個重要研究方向。但現(xiàn)有技術存在接收信號信噪比低，反演效果差，探測面積小，速度慢，成本高等問題。因此，有必要探索和發(fā)展快速高效的非侵入式核磁共振油滲漏檢測裝置及檢測方法。

超導量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevice,squid)是一種靈敏度極高的磁敏感器件，可構建超導磁傳感器。廣泛應用于生物磁場、地球磁場異常、極低場等磁共振及地球物理探測等微弱磁場探測應用領域，其探測靈敏度已經(jīng)達到了飛特(10^-15特斯拉)量級。

cn102360703a公開了一種“石油井下核磁共振隨鉆測井儀的磁體結構”，該磁體結構與井軸共軸設置，其包含永磁體磁塊和鐵磁材料磁塊，所述的永磁體磁塊和鐵磁材料磁塊沿井軸方向共軸連接。該發(fā)明結構簡單，穩(wěn)定性高，其所產生的靜態(tài)勻強磁場具有很深的探測深度和足夠的磁場強度，可以在井下產生多個不同深度的地層核磁信息，能夠滿足石油井下核磁共振探測的需要，適用于現(xiàn)代石油勘探鉆井的需求。

cn103344996a公開的“串聯(lián)諧振式核磁共振探測裝置及探測方法”，是由三分量磁場測量電路通過數(shù)據(jù)線與計算機相連，計算機通過串口總線分別與輸出電壓可調的大功率電源、發(fā)射控制單元和信號采集單元相連，輸出電壓可調的大功率電源與大功率發(fā)射橋路連接，發(fā)射控制單元通過控制總線經(jīng)大功率發(fā)射橋路與發(fā)射線圈的一端相連，大功率發(fā)射橋路經(jīng)配諧電容與發(fā)射線圈的另一端連接，發(fā)射控制單元通過控制線與高壓繼電器連接，發(fā)射控制單元通過控制線經(jīng)信號采集單元、放大器電路和高壓繼電器與接收單元連接，高壓繼電器的一端與第一接收單元連接，高壓繼電器的另一端與第n接收單元連接構成。該發(fā)明的有益之處是：減少了接收裝置的尺寸和重量，提高了核磁共振探測的橫向分辨率，小尺寸的接收探頭有更好的適應性。

上述發(fā)明的核磁共振裝置針對特殊的探測對象需要和應用場合均具有較高的測量精度和良好的測量效果，但都存在一些不足：如在強噪聲環(huán)境下，有著核磁共振信號與強背景噪聲相比很小，即信噪比很低的問題，對工作環(huán)境的適應能力差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于低溫超導的機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置及方法，高信噪比，適用于淺層油滲漏的快速檢測，達到高效率高分辨率非侵入式檢測的目的，節(jié)省檢測時間，對強噪聲地區(qū)的淺層油滲漏檢測具有重要意義。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置，是由直升機1內裝有上位機2和低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3，預極化線圈7和杜瓦瓶4通過繩索吊裝在直升機1下方，且杜瓦瓶4吊掛在預極化線圈7中央，杜瓦瓶4軸線垂直于地面，杜瓦瓶4內裝有squid5，杜瓦瓶4和預極化線圈7通過導線與低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3連接構成。

低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3是由上位機2經(jīng)主控制模塊8、驅動模塊9和大功率發(fā)射橋路10與預極化線圈7連接，主控制模塊8經(jīng)squid5、squid讀出電路15、信號調理電路14和ni采集卡13與上位機2連接，主控制模塊8與信號調理電路14連接，上位機2經(jīng)電流采集模塊11與大功率發(fā)射橋路10連接，ni采集卡13經(jīng)主控制模塊8和輸出可調大功率電源12與大功率發(fā)射橋路10連接構成。

squid讀出電路15是由直流偏置電源16經(jīng)放大器17與反饋電阻18連接構成。

機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置的探測方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)檢測區(qū)域工作要求，采用直升機1搭載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置3和上位機2，直升機1下方吊載杜瓦瓶4和預極化線圈7，杜瓦瓶中裝有液氮和squid5，杜瓦瓶置于預極化線圈7的中心，杜瓦瓶4的軸線垂直于地面，預極化線圈7平行于地面，直升機1沿預定的飛行軌跡飛行，控制飛行高度，盡可能地接近地表；

b、在檢測區(qū)域內選擇監(jiān)測點，直升機1飛行到檢測點后在空中保持停留，記錄該檢測點的位置；

c、在上位機2中設置工作參數(shù),參數(shù)包括預極化電流值、預極化時間、交流電流值和交流電流發(fā)射時間等，通過主控制模塊8對各模塊進行協(xié)調工作，通過調節(jié)直流偏置電,16，確定squid5的最佳工作點，使其輸出信號信噪比最大，通過squid讀出電路15鎖定工作點；

d、主控制模塊8通過驅動模塊9對大功率發(fā)射橋路10進行控制，向預極化線圈7發(fā)射直流電產生預極化磁場，對淺層滲漏油中的氫核進行磁化；

e、預極化過程完成后，主控制模塊8根據(jù)上位機2設置的交變電流值參數(shù)，由驅動模塊9控制大功率發(fā)射橋路10向預極化線圈7中通入頻率為當?shù)乩獱栴l率的交變電流，同時通過電流采集模塊11采集實際的發(fā)射電流值，并傳至上位機；

f、電流發(fā)射完成后，氫核由于進動而產生磁場的變化，squid5接收到通入其中的磁通量的變化，并通過squid讀出電路15將磁通量變化轉化為電信號，經(jīng)過信號調理電路14后被ni采集卡13采集；

g、ni采集卡13將采集到的核磁共振信號發(fā)送給上位機2進行存儲；

h、按照c步驟設置的工作參數(shù)，多次重復d-g步驟，得到多組核磁共振信號；

i、改變發(fā)射電流，多次重復d-h步驟，得到不同深度地下滲漏油實測信號；

j、直升機沿飛行軌跡繼續(xù)飛行，飛到下一個檢測點后在空中保持停留，記錄該測點的位置，重復i步驟，得到下一個檢測點的實測信號；

k、重復上述j過程，進行多次檢測，將多次得到的核磁共振信號在matlab上進行反演解釋，得到地下滲漏油數(shù)據(jù)。

所述預極化電流為150a，預極化時間為7s；所述交變電流為1a-20a，發(fā)射時間為50ms。

有益效果：本發(fā)明公開的基于低溫超導的淺層油滲漏核磁共振預極化檢測裝置及檢測方法，適用于淺層油滲漏檢測，速度快，可實現(xiàn)原位非侵入式檢測的目的，安全環(huán)保。有機的結合了超導量子干涉器件，極大地提高了信噪比，為之后反演提供了良好的基礎。采用“空中發(fā)射—空中接收”的工作模式，操作簡單，極大地提高了探測范圍。本發(fā)明的提出，不僅減少了探測時間，增大探測面積，還能獲得高信噪比高精度的檢測結果，解決了傳統(tǒng)儀器檢測分辨率低下的難題，將為提高我國的地下油氣探測能力奠定重要的基礎，具有良好的推廣前景和推廣價值，現(xiàn)實意義巨大。

附圖說明

圖1為機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置及探測方法工作示意圖

圖2為附圖1中機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置結構框圖；

圖3為附圖2中squid讀出電路15電路圖；

1直升機，2上位機，3機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置，4杜瓦瓶，5squid，6飛行軌跡，7預極化線圈，8主控制模塊，9驅動模塊，10大功率發(fā)射橋路，11電流采集模塊，12可調大功率電源，13ni采集卡，14信號調理電路，15squid讀出電路，16直流偏置電源，17放大器，18反饋電阻。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。

一種機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置，是由直升機1內裝有上位機2和低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3，預極化線圈7和杜瓦瓶4通過繩索吊裝在直升機1下方，且杜瓦瓶4吊掛在預極化線圈7中央，杜瓦瓶4軸線垂直于地面，杜瓦瓶4內裝有squid5，杜瓦瓶4和預極化線圈7通過導線與低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3連接構成。

低溫超導機載核磁共振淺層油滲漏探測裝置3是由上位機2經(jīng)主控制模塊8、驅動模塊9和大功率發(fā)射橋路10與預極化線圈7連接，主控制模塊8經(jīng)squid5、squid讀出電路15、信號調理電路14和ni采集卡13與上位機2連接，主控制模塊8與信號調理電路14連接，上位機2經(jīng)電流采集模塊11與大功率發(fā)射橋路10連接，ni采集卡13經(jīng)主控制模塊8和輸出可調大功率電源12與大功率發(fā)射橋路10連接構成。

squid讀出電路15是由直流偏置電源16經(jīng)放大器17與反饋電阻18連接構成。

機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置的探測方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)檢測區(qū)域工作要求，采用直升機1搭載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置3和上位機2，直升機1下方吊載杜瓦瓶4和預極化線圈7，杜瓦瓶中裝有液氮和squid5，杜瓦瓶置于預極化線圈7的中心，杜瓦瓶4的軸線垂直于地面，預極化線圈7平行于地面，直升機1沿預定的飛行軌跡飛行，控制飛行高度，盡可能地接近地表；

b、在檢測區(qū)域內選擇監(jiān)測點，直升機1飛行到檢測點后在空中保持停留，記錄該檢測點的位置；

c、在上位機2中設置工作參數(shù),參數(shù)包括預極化電流值、預極化時間、交流電流值和交流電流發(fā)射時間等，通過主控制模塊8對各模塊進行協(xié)調工作，通過調節(jié)直流偏置電,16，確定squid5的最佳工作點，使其輸出信號信噪比最大，通過squid讀出電路15鎖定工作點；

d、主控制模塊8通過驅動模塊9對大功率發(fā)射橋路10進行控制，向預極化線圈7發(fā)射直流電產生預極化磁場，對淺層滲漏油中的氫核進行磁化；預極化電流為150a，預極化時間為7s；所述交變電流為1a-20a，發(fā)射時間為50ms。

e、預極化過程完成后，主控制模塊8根據(jù)上位機2設置的交變電流值參數(shù)，由驅動模塊9控制大功率發(fā)射橋路10向預極化線圈7中通入頻率為當?shù)乩獱栴l率的交變電流，同時通過電流采集模塊11采集實際的發(fā)射電流值，并傳至上位機；

f、電流發(fā)射完成后，氫核由于進動而產生磁場的變化，squid5接收到通入其中的磁通量的變化，并通過squid讀出電路15將磁通量變化轉化為電信號，經(jīng)過信號調理電路14后被ni采集卡13采集；

g、ni采集卡13將采集到的核磁共振信號發(fā)送給上位機2進行存儲；

h、按照c步驟設置的工作參數(shù)，多次重復d-g步驟，得到多組核磁共振信號；

i、改變發(fā)射電流，多次重復d-h步驟，得到不同深度地下滲漏油實測信號；

j、直升機沿飛行軌跡繼續(xù)飛行，飛到下一個檢測點后在空中保持停留，記錄該測點的位置，重復i步驟，得到下一個檢測點的實測信號；

k、重復上述j過程，進行多次檢測，將多次得到的核磁共振信號在matlab上進行反演解釋，得到地下滲漏油數(shù)據(jù)。

如圖1所示，包括預極化線圈7和裝載有squid5的杜瓦瓶4吊載在直升機1下方，squid器件工作在液氮所提供的溫度為77k的環(huán)境中，杜瓦瓶4是存儲液氮的低溫保持器，用于冷卻squid5，杜瓦4放置在預極化線圈7中心位置，預極化線圈7不僅產生預極化磁場，還產生交流磁場，由基于低溫超導的核磁共振預極化裝置負責切換，通過在預極化線圈中通入直流電流產生預極化磁場，對淺層油中的氫核進行磁化，增加油體的宏觀磁化強度。預極化過程完成后，通過預極化線圈7向地下發(fā)射頻率為當?shù)乩獱栴l率的激發(fā)電流，激發(fā)地下淺層油中的氫核形成宏觀磁矩，激發(fā)停止后，氫核自旋產生弛豫現(xiàn)象，通過squid器件5感應宏觀磁矩進動引起的磁通量變化，并通過squid讀出電路15讀取出核磁共振信號，經(jīng)過信號調理電路14和后，被ni采集卡采集，最后傳至上位機進行存儲。

一種基于低溫超導的機載核磁共振淺層油滲漏探測方法，包括以下步驟：

a、如圖1所示，直升機1內部搭載機載低溫超導核磁共振淺層油滲漏探測裝置3和上位機2，直升機1下方吊載裝載有squid器件5的杜瓦4和預極化線圈7，杜瓦瓶4吊載在預極化線圈7中心位置，預極化線圈7的邊長為6m，匝數(shù)為15匝，線圈平面均平行于地面，直升機1沿飛行軌跡6飛行，控制飛行高度，使線圈在不接觸地表障礙物的情況下盡可能地接近地表，使采集的信號幅度最大；

b、如圖2所示，連接檢測裝置，上位機2與主控制模塊8連接，主控制模塊8分別與驅動模塊9、squid5、輸出可調的大功率電源12、信號調理電路14及ni采集卡13連接，驅動模塊9與大功率發(fā)射橋路10連接，大功率發(fā)射橋路10分別與輸出可調的大功率電源12，電流采集模塊11和預極化線圈7連接，電流采集模塊11和上位機2連接，squid器件5與squid讀出電路15連接，squid讀出電路15與信號調理電路14連接，信號調理電路14與ni采集卡13連接，ni采集卡13與上位機2連接。

c、根據(jù)工作要求選擇檢測區(qū)域，在檢測區(qū)域內選擇監(jiān)測點，直升機1飛行到檢測點后在空中保持停留，記錄該檢測點的位置；

d、開啟低溫超導核磁共振預極化裝置3后，在上位機2中設置工作參數(shù)，通過主控制模塊8對各模塊進行協(xié)調工作；

e、主控制模塊8通過驅動模塊9對大功率發(fā)射橋路10進行控制，向預極化線圈7發(fā)射直流電流，產生預極化磁場，對油中的氫核進行磁化，增加油體的宏觀磁化強度，通常預極化電流為150a，預極化時間為7s。輸出可調的大功率電源12為大功率發(fā)射橋路10驅動預極化線圈7提供能量；

f、預極化過程完成后，主控制模塊8根據(jù)上位機2設置的交變電流值參數(shù)，由驅動模塊9控制大功率發(fā)射橋路10向預極化線圈7中通入頻率為當?shù)乩獱栴l率的交變電流，通常發(fā)射時間為50ms，同時通過電流采集模塊11采集實際的發(fā)射電流值，傳至上位機2；

g、電流發(fā)射完成后，氫核由于進動而產生磁場的變化，squid5接收到通入其中磁通量的變化，并通過squid讀出電路15將磁通量變化轉化為電信號，經(jīng)過信號調理電路14后被ni采集卡13采集。

h、ni采集卡13將采集到的核磁共振信號發(fā)送給上位機2進行存儲。

i、按照c過程中設置的工作參數(shù)，多次重復e-h過程，得到多組磁共振信號；

j、改變發(fā)射電流，由小到大地設置不同脈沖矩的交變電流場，激發(fā)電流的大小由探測深度而定，通常為1a到20a，多次重復e-i過程，得到不同探測深度的核磁共振信號；

k、直升機沿飛行軌跡繼續(xù)飛行，飛到下一個檢測點后在空中保持停留，相鄰的兩個檢測點間距為15m，記錄該測點的位置，重復j過程，得到下一個檢測點的實測信號；

l、可重復上述k過程，將得到的核磁共振信號在matlab上進行反演解釋，得到地下油滲漏情況。

實施例1

一種基于低溫超導的機載核磁共振淺層油滲漏探測方法是一種適用于高噪聲，快速有效的大面積探測，非侵入式檢測方法，對淺層油滲漏檢測具有重要意義。預極化線圈7和載有squid5的杜瓦瓶4吊載在直升機1下方，杜瓦瓶4放置在預極化線圈7中心位置，預極化線圈7不僅產生預極化磁場，還產生交流磁場，由基于低溫超導的核磁共振預極化裝置負責切換，通過在預極化線圈中通入直流電流產生預極化磁場，對淺層油中的氫核進行磁化，增加油體的宏觀磁化強度。預極化過程完成后，通過預極化線圈7向地下發(fā)射頻率為當?shù)乩獱栴l率的激發(fā)電流，激發(fā)地下淺層油中的氫核形成宏觀磁矩，激發(fā)停止后，氫核自旋產生弛豫現(xiàn)象，通過squid器件5感應宏觀磁矩進動引起的磁通量變化，并通過squid讀出電路15讀取出核磁共振信號，經(jīng)過信號調理電路14和后，被ni采集卡采集，最后傳至上位機進行存儲。

上位機2與主控制模塊8連接，主控制模塊8分別與驅動模塊9、squid5、輸出可調的大功率電源12、信號調理電路14及ni采集卡13連接，驅動模塊9與大功率發(fā)射橋路10連接，大功率發(fā)射橋路10分別與輸出可調的大功率電源12，電流采集模塊11和預極化線圈7連接，電流采集模塊11和上位機2連接，squid器件5與squid讀出電路15連接，squid讀出電路15與信號調理電路14連接，信號調理電路14與ni采集卡13連接，ni采集卡13與上位機2連接。

一種基于低溫超導的機載核磁共振淺層油滲漏探測方法，包括以下步驟：

a、直升機1內部搭載低溫超導核磁共振預極化裝置2和上位機2，直升機1下方吊載裝載有squid器件5的杜瓦4和預極化線圈7，杜瓦4吊載在預極化線圈7中心位置，預極化線圈7的邊長為6m，匝數(shù)為15匝，線圈平面均平行于地面，直升機1沿飛行軌跡6飛行，控制飛行高度，使線圈在不接觸地表障礙物的情況下盡可能地接近地表，使采集的信號幅度最大；

b、根據(jù)工作要求選擇檢測區(qū)域，在檢測區(qū)域內選擇監(jiān)測點，直升機1飛行到檢測點后在空中保持停留，記錄該檢測點的位置；

c、開啟低溫超導核磁共振預極化裝置3后，在上位機2中設置工作參數(shù)，通過主控制模塊8對各模塊進行協(xié)調工作；

d、主控制模塊8通過驅動模塊9對大功率發(fā)射橋路10進行控制，向預極化線圈7發(fā)射直流電流，產生預極化磁場，對油中的氫核進行磁化，增加油體的宏觀磁化強度，通常預極化電流為150a，預極化時間為7s。輸出可調的大功率電源12為大功率發(fā)射橋路10驅動預極化線圈7提供能量；

e、預極化過程完成后，主控制模塊8根據(jù)上位機2設置的交變電流值參數(shù)，由驅動模塊9控制大功率發(fā)射橋路10向預極化線圈7中通入頻率為當?shù)乩獱栴l率的交變電流，通常發(fā)射時間為50ms，同時通過電流采集模塊11采集實際的發(fā)射電流值，傳至上位機2；

f、電流發(fā)射完成后，氫核由于進動而產生磁場的變化，squid5接收到通入其中磁通量的變化，并通過squid讀出電路15將磁通量變化轉化為電信號，經(jīng)過信號調理電路14后被ni采集卡13采集。

h、ni采集卡13將采集到的核磁共振信號發(fā)送給上位機2進行存儲。

i、按照c過程中設置的工作參數(shù)，重復d-f過程32次，得到32組磁共振信號；

g、改變發(fā)射電流，從1a到20a設置8組不同脈沖矩的交變電流場，重復d-i過程16次，得到不同探測深度的核磁共振信號；

j、直升機沿飛行軌跡繼續(xù)飛行，飛到下一個檢測點后在空中保持停留，相鄰的兩個檢測點間距為15m，記錄該測點的位置，重復g過程，得到下一個檢測點的實測信號；

k、重復上述j過程4次，將得到的核磁共振信號在matlab上進行反演解釋，得到地下油滲漏情況。