地面磁共振早期信号检测及频域分段噪声消减方法研究

发布时间：2017-04-20 15:23

  本文关键词：地面磁共振早期信号检测及频域分段噪声消减方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国工业化、城镇化快速发展，城市地下水资源的供需矛盾日益尖锐，在城区周边寻找地下水的需求十分迫切，地面磁共振探测方法（Magnetic ResonanceSounding, MRS）以其对地下含水体的位置、含水量、赋存状态等信息进行直接探测的优势，在我国的地下水勘探领域取得了广泛的应用。由于受到城市周边区域噪声水平高的影响，目前已有的地面磁共振探测仪器获取的信号信噪比低，反演解释结果可靠性差，因此开展强噪声背景下实现MRS信号的有效获取和地下水分布的有效反演是地面磁共振探测应用领域的迫切需求。本文针对上述技术难题，从MRS信号参数提取误差分析，采集系统延迟关键参数匹配，频域分段消噪策略，室内模拟试验验证方法及强噪声环境下实测消噪等方面开展工作，主要的研究工作及成果如下： 1.针对地面磁共振地下水探测方法建立正演模型，研究了磁共振激发场分解方法，建立了理想目标水体模型，针对不同的含水构造埋深、含水量大小、岩性进行了MRS信号响应仿真计算，分析探讨了信号提取关键参数代表的含水构造水文地质信息，为地面磁共振探测地下水提供理论基础。 2.针对地面磁共振探测的实际应用环境，围绕磁场均匀性、含水构造围岩电性、噪声水平分别建立正演模型，计算了磁共振早期信号缺失对信号幅度水平及初始振幅拟合误差的影响。针对含水体赋存状态模型进行反演解释，分析早期信号缺失对平均弛豫时间及水层分辨率的影响，得到获取磁共振早期信号可以提高信噪比及增强反演结果可靠性的结论。 3.针对磁共振采集系统延迟时间长的问题，围绕同一线圈与分离线圈探测模式仿真了激发场能量的衰减规律，计算了采集系统内部的震荡响应，结合磁共振野外实验的经验分析了分离线圈探测时采集线圈对激发电流的抑制效应，提出了基于Q值切换的采集控制方法，缩短采集系统的延迟时间至5ms。 4.针对磁共振早期信号检测方法进行实验室试验与野外验证，采集信号的信噪比平均提高比例达到53.87%（3.74dB），包含早期信号的数据解释结果与钻井资料的一致性更高，反演结果确定了小孔隙含水层信息。 5.针对磁共振地下水探测的强环境噪声抑制问题，讨论了磁共振信号面临的主要噪声干扰类型，推出了基于参考噪声的传递系数矩阵分段计算表达式。结合实际应用环境建立了不同噪声复杂程度的干扰模型，总结了消噪后残余噪声水平与随分段个数的变化规律。针对Larmor频率附近频点干扰问题，提出将多参考通道数据一并纳入计算，有效去除了距离目标频率5Hz以外的噪声干扰。 6.进行了实验室及城区内的环境噪声消减试验，验证了频域分段\噪声消减方法的有效性，实测的噪声水平下降16.52-28.07dB。开展了加入磁共振信号的参考消噪试验，噪声水平经处理后衰减10.47-16.05dB，单一频点的噪声水平最大衰减45.59dB。消噪后提取了有效的磁共振全波信号，验证了该消噪方法对MRS信号的还原效果。 本文取得的创新性研究成果主要包括以下几点： 1.建立了磁共振早期信号缺失时数据处理误差分析模型，仿真了不同含水层深度、含水量大小、含水构造岩性的磁共振响应信号，总结了激发时间、数字滤波器带宽对磁共振信号衰减形态的影响。结合磁场均匀性、围岩电性、噪声水平等关键因素，推算了缺失早期信号的磁共振初始振幅拟合误差。针对含水构造赋存状态建立了精确的正演模型，分析了解释结果对含水体信息的还原程度，确定了MRS早期信号对反演精确性的影响。 2.针对磁共振仪器采集系统的能量衰减局限，仿真分析了多种线圈模型中的能量传递特性，研究了由激发场能量导致的采集系统中的动态响应，提出了基于Q值切换的采集控制方法，，通过对切换模块的震荡抑制使野外试验时的早期信号采集起始时间提前至5ms，信噪比提高53.87%（3.74dB），实测结果经反演解释给出了与钻井资料一致性更好的含水体位置与孔隙度参数，为精确获取含水体信息提供了有效保障。 3.针对磁共振地下水探测信号被强背景噪声湮没的问题，提出了基于参考噪声的频域传递系数矩阵计算方法。对噪声复杂程度不同的仿真模型进行消噪计算，通过研究残余噪声水平确定了分段计算最优参数。针对Larmor频点附近噪声干扰问题，提出采用多参考通道数据的传递系数矩阵计算方法，有效压制了距目标频率5Hz以外的噪声干扰。应用该方法对实验室及城区内环境噪声进行消噪计算，噪声水平衰减16.52-28.07dB，对含有磁共振信号数据进行消噪计算，噪声水平衰减10.47-16.05dB，对能量较强的单一频点噪声干扰衰减45.59dB，为强干扰环境下的磁共振探测奠定基础。
【关键词】：地面磁共振 地下水 早期信号 信噪比 参考消噪
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P641.72
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-20
• 第1章 绪论20-34
• 1.1 研究背景20-26
• 1.1.1 水资源现状20-21
• 1.1.2 传统地球物理地下水探测方法21-22
• 1.1.3 磁共振方法的优势22-23
• 1.1.4 地面磁共振仪器的发展历史23-26
• 1.2 本文的研究目的与意义26-27
• 1.3 国内外研究现状27-31
• 1.4 本文的研究内容与结构安排31-34
• 第2章 地面磁共振地下水探测原理及信号仿真分析34-72
• 2.1 地面磁共振地下水探测原理34-44
• 2.1.1 地面磁共振正演计算34-41
• 2.1.2 地面磁共振响应信号41-44
• 2.2 地面磁共振信号数值计算44-53
• 2.2.1 目标水体的磁共振信号仿真44-48
• 2.2.2 磁共振信号衰减特性分析48-53
• 2.3 采集延迟对磁共振响应的影响53-70
• 2.3.1 非均匀磁场环境模型53-58
• 2.3.2 含水体围岩电性模型58-62
• 2.3.3 强背景噪声模型62-66
• 2.3.4 含水体赋存状态模型66-70
• 2.4 本章小结70-72
• 第3章 磁共振早期信号检测方法研究72-90
• 3.1 采集系统的延迟效应72-82
• 3.1.1 激发场能量衰减仿真72-76
• 3.1.2 继电器响应时间仿真76-79
• 3.1.3 放大器动态响应仿真79-82
• 3.2 磁共振早期信号采集控制方法82-88
• 3.2.1 接收回路的品质因数82-85
• 3.2.2 继电器控制策略85-86
• 3.2.3 分离线圈探测控制方法86-88
• 3.3 本章小结88-90
• 第4章 磁共振早期信号检测试验研究90-102
• 4.1 实验室测试90-93
• 4.1.1 激发场能量衰减特性测试90-91
• 4.1.2 继电器响应时间测试91-92
• 4.1.3 放大器动态响应测试92-93
• 4.2 野外试验93-100
• 4.2.1 试验环境水文地质条件93-94
• 4.2.2 试验实施与结果分析94-100
• 4.3 本章小结100-102
• 第5章 磁共振频域分段噪声消减方法研究102-126
• 5.1 磁共振信号频域分段特征分析方法102-116
• 5.1.1 磁共振信号的噪声成分102-103
• 5.1.2 频域传递系数矩阵的分段计算方法103-107
• 5.1.3 单参考通道消噪方法仿真107-111
• 5.1.4 多参考通道消噪方法仿真111-116
• 5.2 磁共振全波数据处理软件的设计116-124
• 5.2.1 磁共振全波数据处理辅助方法116-121
• 5.2.2 数据处理软件设计121-124
• 5.3 本章小结124-126
• 第6章 磁共振频域分段参考消噪试验研究126-144
• 6.1 环境噪声消减试验126-133
• 6.1.1 实验室内噪声消减试验126-129
• 6.1.2 城区环境噪声消减试验129-133
• 6.2 加入磁共振信号的消噪试验133-143
• 6.2.1 实验室内加入磁共振信号消噪试验133-135
• 6.2.2 城区环境加入磁共振信号消噪试验135-143
• 6.3 本章小结143-144
• 第7章 全文总结144-148
• 7.1 本文的主要工作和研究成果144-145
• 7.2 本文的创新点145-146
• 7.3 后续工作展望146-148
• 参考文献148-156
• 攻读博士学位期间取得的研究成果156-157
• 致谢157

【参考文献】

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本文编号：318988