（一）核磁共振找水仪的结构
吉林大学自主研制的JLMRS型地下水探测仪原理框图如图6－5－1所示，主要由发射系统、接收系统两部分组成。发射系统的作用是向地下发射大功率正弦交变脉冲产生激发磁场，激发地下水中氢质子，使之产生核磁共振现象；接收系统的作用是对MRS信号进行调理和检测。发射系统包括：直流电瓶、高压瞬态电源、发射装置及控制部分、配谐电容、高压继电器；接收系统包括：发射电流采集、MRS信号采集、放大器、微处理器等；发射和接收采用同一线圈。高压继电器是切换发/收状态的开关。在发射状态时，继电器断开，将信号接收装置与大功率发射部分隔离，即此时高压瞬态电源、发射控制装置、配谐电容、二极管模块、电流传感器、发射电流采集等模块工作，通过线圈将大电流发射出去，以激发地下水。发射完毕后转入接收状态，继电器吸合，使接收回路接通线圈，信号通过放大器和MRS信号采集模块，获取MRS的FID（衰减正弦波包络）信号，并实时传送给PC控制系统，完成对数据的处理和显示。
图6－5－1 JLMRS型核磁共振地下水探测仪系统原理框图
（二）核磁共振找水仪的工作原理
利用核磁共振方法探测地下含水层模型加图6－5－2所示。野外实际工作时.利用发射单元往铺设在地面上的回线中通以频率等于拉莫尔频率的交变电流，使地下含水层中的氢质子产生核磁共振现象。然后切断电流，用同一回线作接收天线测量MRS信号。这一过程在野外一般被重复几十到几百次，以记录MRS信号并进行平均以提高信噪比。由发射电流强度、测得信号的幅度和衰减时间常数经过反演后即可得到含水层深度、厚度、含水率等信息。核磁共振测试数据特征参数与水文地质参数对比结果见表6－5－1。
图6－5－2 地面MRS找水方法原理示意图
表6－5－1 MRS找水系统实测参数和对应的地质解释
野外试验归纳出的平均衰减时间T*2与含水地层的岩性之间有一定的近似关系，见表6－5－2。可以看出，平均衰减时间越长，含水层的孔隙也就越大。平均衰减时间与含水层颗粒大小的关系是间接的。对于具有同一大小的球状颗粒的沉积岩层来说弛豫时间直接与颗粒大小以及孔隙大小有关；而对于不同颗粒大小的混合物来说，平均衰减时间与颗粒大小之间的关系比较复杂。
表6－5－2 实测平均衰减时间与含水地层岩性的近似关系
核磁共振地下水探测仪的工作过程是：大电流发射、能量释放、切换和采集。大电流发射即发射瞬时大电流，激发地下水产生核磁共振现象的过程；能量释放即释放发射时存储在发射天线和配谐电容中的能量；切换是利用切换开关将天线由发射回路切换到接收回路。
通过PC机向发射控制模块MCU设置发射参数，包括激发时长、激发频率、能释时长、切换时长、采集时长。发射控制MCU根据所设置的激发频率，通过控制时序产生激发基准信号，其余各参数均以该基准频率为标准获得；控制时序依次产生发射桥路所需的发射控制时序、继电器吸合同步、电流采集同步、信号采集同步等控制信号。
在核磁共振地下水探测方法中，需要测量MRS信号的平均弛豫时间 和纵向弛豫时间T1。其工作模式有两种： 测量模式和T1测量模式。测量原理如图6－5－3所示。
图6－5－3 与T1测量原理
测量模式的探测过程为：首先将高压瞬态电源充电至所需发射电压，采集噪声，发射系统发射频率与当地拉莫尔频率相等的正弦脉冲。由于技术上的限制，仪器在野外实际工作时，在发射和接收之间需要30～40ms的间歇时间。发射电流产生激发场，经过继电器吸合的间歇时间后，切换开关切换至接收系统，采集MRS信号，传送给PC机。PC机经过滤除噪声处理后，与上一次测量数据相叠加平均，实时显示，并计算出信号的初始振幅（E0）和平均衰减时间 循环此过程，直到获得满意的信号为止。循环次数也称为叠加次数。因此在接收天线上实际测试信号的初始振幅是激发脉冲终止后到测量开始时刻的自由感应衰减信号。若要得到脉冲终止瞬间的信号振幅，可对FID衰减曲线进行零时外延处理。
每个脉冲矩（发射电流幅度与持续时间之积）对应一条核磁共振信号随时间按指数规律变化的衰减曲线，由此曲线可以求出该激发脉冲矩探测深度内含水层的平均衰减时间 计算公式为：
地球物理找水方法技术与仪器
式中：Em、Tm分别为某个激发脉冲矩qi分别对应的信号的振幅值、信号衰减时间（m＝1，2，…，M）。t＝0时刻的FID信号的初始振幅可以用下式计算：
地球物理找水方法技术与仪器
Ei为接收机接收到的第i个激发脉冲矩的自由感应衰减信号振幅；te为外延时间，应接近激发脉冲终止时间；E0i（qi）为第i个激发脉冲矩的MRS信号的初始振幅。T1测量模式的探测过程：首先将高压瞬态电源充电至所需发射电压，采集噪声，发射正弦脉冲，产生激发场，经过继电器吸合的间歇时间后，切换开关至接收系统，采集一次MRS信号。高压瞬态电源在不充电的情况下，发射系统继续发射正弦脉冲，再经过间歇时间后切换开关至接收系统采集第二次MRS信号，传送给PC机，PC机经过噪声滤除处理后，与上一次测量数据相叠加，实时显示，并计算出两次采集信号的初始振幅E01和E02，循环此过程直到获得满意的信号为止。计算T1表达式如下：
地球物理找水方法技术与仪器
式中：Δt为两个脉冲之间的时间间隔。
为实现仪器两种测量模式，采用循环测量方法，如图6－5－4所示。在 和T1测量模式中都要先测量一次噪声；在测量噪声时，采用测量信号的时序测量噪声，但发射不是真正的发射，只是占用发射时间，而没有发射电流，称为伪发射。在测量 时，将测量时序循环两次，在测量T1时，将采集时序循环三次，就完成了该仪器的多模式测量。
图6－5－4 多模式测量过程