基于冷线圈的地面磁共振地下水探测关键技术研究

发布时间：2020-09-15 11:16

　　磁共振地下水探测技术经过多年的持续发展,已经成为地球物理探测中不可缺少的重要方法,其主要应用集中在干旱地区找水,滑坡动态监测,堤坝渗漏检测和地下工程水害隐患探测等。特别的是,随着磁共振地下水探测由地面向地下发展,探测仪器也发生了变化,主要体现在探测线圈的改变,由百米级转变为米级和亚米级,如何在有限的尺寸下开发更高灵敏度及更低噪声的线圈传感器是磁共振地下水探测技术发展的难题。目前磁共振线圈存在的问题主要包含:地下探测线圈由大变小导致探测深度浅,灵敏度低,噪声水平难以降低。高阻抗小线圈带来的振铃导致磁共振信号失真。阵列线圈存在互感导致采集信号异常。采集信号中尖峰和谐波同时存在,谐波建模导致尖峰重复出现。本文针对上述问题,提出了基于冷线圈的磁共振地下水探测关键技术,利用液氮制冷,降低线圈本底噪声,提升灵敏度,提高探测精度和深度。同时,根据磁共振地下水探测理论正演和反演,首次将磁共振信号推导过程与线圈传感器特性相结合,提出了冷线圈传感器的设计方法,并通过野外实验验证了冷线圈的有效性,信噪比优于传统线圈。在此基础上,研制了能够抑制振铃的冷线圈磁共振探测仪器系统,以及开发了能够抑制尖峰及谐波噪声的数据处理算法。论文主要的研究工作及取得的成果如下:1、针对冷线圈传感器进行建模分析,引入了磁共振地下水探测核函数正演模型,提出了新型冷线圈传感器信噪比的定义方法,即磁共振信号大小与冷线圈传感器噪声之比,结合冷线圈传感器的灵敏度分析结果,得到冷线圈匝数和前置放大器。2、通过磁共振地下水探测反演模型,得出冷线圈传感器的带宽大小,结合已有的LC谐振和3阶巴特沃斯带通前端形式,提出了线圈耦合型无源带通滤波器的设计方法,将冷线圈传感器中线圈参数作为无源带通滤波器设计的一部分,简化了前端电路形式,减少了插入损耗,提高了冷线圈传感器的带宽。3、利用低温条件,对冷线圈传感器后续有源电路进行制冷,降低其噪声,使用FET型运放替代双极型运放,实现了冷线圈传感器的短路噪声降低1 nV/(?)。4、针对冷线圈传感器测量过程中出现的振铃现象,提出了双极性相位脉冲的方法抑制振铃。从产生磁共振信号的机理层面对振铃进行抑制,采用两个初始相位相差180°的脉冲进行激发,得到的数据进行正反相叠加,可消除由硬件导致的固定相位的振铃。5、针对冷线圈磁共振地下水探测中存在的噪声,提出了基于自回归模型(AR)的二次尖峰噪声处理方法,当尖峰噪声和工频谐波同时存在时,使用两次AR算法能够最大程度去除尖峰噪声,同时不会受到谐波建模(HNC)的影响,避免了尖峰和谐波对冷线圈传感器的影响,通过实测数据验证了AR算法,分步HNC和同频HNC处理流程的优越性。6、基于上述硬件实现并整合,研发了冷线圈磁共振探测仪器系统,该系统采用了高集成化设计,对JLMRS系列仪器进行小型化改进,体积降低为1/4,重量降低至1/7,可单人携带操作,性能指标优于目前隧道和矿井磁共振地下水探测系统。通过对上述内容的研究,本文实现了冷线圈传感器的设计和冷线圈磁共振地下水探测仪器的研发,主要的创新工作如下:1、针对磁共振地下水探测技术发展过程中,探测线圈由百米级变到亚米级的难题,结合磁共振理论正演方法,提出了利用冷线圈传感器获取地面磁共振地下水探测信号的新方法,利用低温条件,优化冷线圈传感器的传递函数,并大幅降低了热噪声,提高了小尺寸线圈的探测能力。2、将磁共振地下水探测理论融入到冷线圈测量仪器研发中,设计了一款线圈耦合型无源带通滤波器,保证了磁共振信号短驰豫时间对带宽的需求,同时可以为二维和三维磁共振地下水探测解决线圈互感问题。3、针对冷线圈磁共振探测过程中出现的振铃现象,从磁共振信号产生机理出发,提出了双极性相位脉冲方法抑制振铃,利用两个初始相位相差180°的脉冲得到的磁共振数据正反相叠加,消除机械硬件导致的固定相位的振铃,将高阻抗冷线圈的振铃过程控制在5 ms以内。4、针对冷线圈磁共振探测过程采集到的尖峰噪声和工频谐波噪声,提出了基于自回归模型的二次尖峰处理方法避免了谐波建模对去除尖峰后重新产生小尖峰的影响及尖峰和谐波对冷线圈传感器的影响。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P631;P641.7
【部分图文】：

分布图,等值图,降水量,分布图

地下水探测和测井等领域。使用磁共振技术来探测地下水是一种新型的地球物理探测技术，同时是一种非入侵形式的而且定量的地下水探测技术[1]，也被称为磁共振地下水探测（MRS，Magnetic Resonance Sounding）或者地面/地下磁共振地下水探测（SNMR/UNMR，Surface/Underground Nuclear MagneticResonance）。我国是一个干旱缺水严重的国家，2018 年淡水资源总量为 27462.5 亿立方米，其中，地表水资源量 26323.2 亿立方米，地下水资源量 8246.5 亿立方米，地下水与地表水资源不重复量为 1139.3 亿立方米，全国人均综合用水量 432 立方米[2]，我国人口众多，人均水资源占有量仅有2.3 千立方米，不到世界平均水平的四分之一，处在世界人均水资源占有量排序的末端，被联合国列为 13 个贫水国家之一。2017 年全国 26 省市受到干旱影响，受影响的农作物面积达18227.56 千公顷，造成 477.78 万人和 514.29 万头大牲畜的饮用水困难，直接经济损失达到 437.88 亿元，占当年 GDP 的 0.05%[3]。

水害,隐患问题,矿井水害,堤坝渗漏

由地下水引起的水害隐患与破坏

磁共振,磁共振,地面,方式

(b)地下磁共振地下水探测场景。地下水中的氢质子可以看作一个自旋的球体，每个氢质子自旋都会产生一个小磁矩m，如图 1.4a 所示。不同的氢质子的小磁矩方向是不同的，随机的。但是如果有一个被动的磁场作用于地下水时，比如地磁场，那么大量的氢质子各自的小磁矩会产生一个宏观磁矩M ，这称为纵磁化，当然，并不是所有的氢质子的小磁矩都是M 矢量方向，也存在与M 矢量方向相反的小磁矩，这部分氢质子占总体的少数并处于高能级，地下水中的大部分氢质子小磁矩m的方向都是M 矢量方向，这部分氢质子占多数并处于低能级。宏观磁矩M 像一个旋转的陀螺，进动频率由地磁场决定，地磁场越大，进动频率越快，进动频率也称为 Larmor 频率，如图 1.4b 所示。通过在地表铺设的线圈中通入频率为 Larmor 频率的正弦电流时，地下水中的氢质子会吸收能量，由低能级向高能级跃迁，在图中的表示为M 正方向向 M 的反方向翻转，如果发射的能量足够大，就会有 50%的氢质子处

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