基于优化动态核极化效应的高精度磁力仪研究

发布时间：2020-10-25 04:18

　　 Overhauser磁力仪是一种基于动态核极化效应的弱磁测量仪器,由于其具有高精度、高灵敏度、低功耗和可连续测量的特点,被广泛应用于地球物理、航磁测量、卫星测磁、军事和各类工程领域,是目前对地磁场进行高精度测量的主要仪器之一。但随着勘探领域的扩展与加深,传统Overhauser磁力仪已不能满足需求,研究高精度、高分辨率的Overhauser磁力仪尤为重要。本论文围绕这一主题,针对国内外现有Overhauser磁力仪采用自发极化转移技术造成的质子极化强度无法达到最优的缺陷,首次提出基于Hartmann-Hahn双共振受激极化转移技术的Overhauser磁力仪,利用Hartmann-Hahn交叉极化条件,结合传统极化方式,进一步优化动态核极化效应,使质子极化转移强度提高数倍,从而增加传感器输出FID信号信噪比,提高磁场测量精度。同时,针对FID信号的噪声特性和指数衰减特点,提出快速调谐方法和高精度频率测量算法。基于此,研制优化动态核极化效应的高精度磁力仪。本论文完成的主要研究工作和取得的成果如下:1、在动态核极化效应物理原理的基础上,分析了电子-质子双共振现象,描述了电子共振对质子共振信号增强原理,并推导了正、负电子-质子共振信号增强公式。在此基础上研究Hartmann-Hahn双共振受激极化转移技术,建立双磁场极化数学模型,得到相应布洛赫方程稳态解,以及磁化强度峰值与双激发磁场、弛豫时间之间的关系。最终证明基于Hartmann-Hahn的双共振受激极化转移技术相比于自发极化转移,可有效增强质子磁化强度,从而进一步提升FID信号强度。2、在实现优化动态核极化方法的基础上,分析了白噪声、窄带噪声、相位噪声等对FID信号频率测量精度的影响,从而构建FID信号信噪比与测频精度的数学模型,并推导得出二者之间的理论关系表达式。通过对野外不同信噪比的FID信号进行频率测量,得到二者之间的实际关系曲线与理论曲线变化趋势相符,验证了FID信号信噪比-测频精度量化模型的准确性。3、针对FID信号现有调谐算法普遍存在的调谐速度慢、精度低、环境适应能力差等问题,提出一种基于奇异值分解(SVD)和短时傅里叶变换(STFT)的高速、高精度二次调谐算法,首次将STFT引入FID信号的特征分析领域。通过理论分析、仿真建模和实际测试,所提出的二次调谐算法在调谐精度和调谐速度(不大于1s)方面整体优于目前常用的峰值检波法和自相关FFT法,同时解决了高噪声背景下Overhauser磁力仪测量过程中的失调问题。4、针对FID信号现有测频算法存在的测频时间较长、精度较低等不足,提出一种优化的多通道同步等精度测频算法,探讨了FID信号频率测量时的主要误差来源,并设计一种抑制触发误差的毛刺滤波方案。通过室内小信号以及野外实际测试,验证了多通道同步测频算法能够有效降低相位噪声、触发误差等带来的频率测量误差,从而提高FID信号测频精度。5、对优化动态核极化效应的磁力仪硬件电路和软件系统进行了详细设计,并最终制作原理样机。通过建立数学模型,分析仪器本底噪声来源,如器件电器特性、传感器热噪声等。设计一种适用于激发所选自由基物质的谐振腔和提高传感器抗干扰能力的双线圈并串联差分结构,在此基础上研制传感器测试装置,能够准确测量激发频率、频率带宽以及品质因数,还可用于在磁力仪设计过程中对激发功率和激发时间的确定。6、系统地测试并分析了优化动态核极化效应的磁力仪原理样机各项参数指标,测试的主要内容包括:样机本底噪声测试、FID信号强度对比测试、绝对精度测试、与国外商用仪器地磁场观测对比测试和磁异常目标定位测试。实验结果表明,本文所研制优化动态核极化效应的磁力仪原理样机,在磁场测量绝对精度和分辨率等方面整体得到提升,验证了Hartmann-Hahn双磁场极化模型、FID信号信噪比-测频精度量化模型等理论推导结果,为进一步研究优化动态核极化技术的高精度、高灵敏度磁力仪提供研究基础。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P631.23
【部分图文】：

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