Overhauser磁力儀是一種基于動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的弱磁測(cè)量?jī)x器,由于其具有高精度、高靈敏度、低功耗和可連續(xù)測(cè)量的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地球物理、航磁測(cè)量、衛(wèi)星測(cè)磁、軍事和各類工程領(lǐng)域,是目前對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行高精度測(cè)量的主要儀器之一。但隨著勘探領(lǐng)域的擴(kuò)展與加深,傳統(tǒng)Overhauser磁力儀已不能滿足需求,研究高精度、高分辨率的Overhauser磁力儀尤為重要。本論文圍繞這一主題,針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有Overhauser磁力儀采用自發(fā)極化轉(zhuǎn)移技術(shù)造成的質(zhì)子極化強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的缺陷,首次提出基于Hartmann-Hahn雙共振受激極化轉(zhuǎn)移技術(shù)的Overhauser磁力儀,利用Hartmann-Hahn交叉極化條件,結(jié)合傳統(tǒng)極化方式,進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng),使質(zhì)子極化轉(zhuǎn)移強(qiáng)度提高數(shù)倍,從而增加傳感器輸出FID信號(hào)信噪比,提高磁場(chǎng)測(cè)量精度。同時(shí),針對(duì)FID信號(hào)的噪聲特性和指數(shù)衰減特點(diǎn),提出快速調(diào)諧方法和高精度頻率測(cè)量算法�；诖�,研制優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的高精度磁力儀。本論文完成的主要研究工作和取得的成果如下:1、在動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)物理原理的基礎(chǔ)上,分析了電子-質(zhì)子雙共振現(xiàn)象,描述了電子共振對(duì)質(zhì)子共振信號(hào)增強(qiáng)原理,并推導(dǎo)了正、負(fù)電子-質(zhì)子共振信號(hào)增強(qiáng)公式。在此基礎(chǔ)上研究Hartmann-Hahn雙共振受激極化轉(zhuǎn)移技術(shù),建立雙磁場(chǎng)極化數(shù)學(xué)模型,得到相應(yīng)布洛赫方程穩(wěn)態(tài)解,以及磁化強(qiáng)度峰值與雙激發(fā)磁場(chǎng)、弛豫時(shí)間之間的關(guān)系。最終證明基于Hartmann-Hahn的雙共振受激極化轉(zhuǎn)移技術(shù)相比于自發(fā)極化轉(zhuǎn)移,可有效增強(qiáng)質(zhì)子磁化強(qiáng)度,從而進(jìn)一步提升FID信號(hào)強(qiáng)度。2、在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化方法的基礎(chǔ)上,分析了白噪聲、窄帶噪聲、相位噪聲等對(duì)FID信號(hào)頻率測(cè)量精度的影響,從而構(gòu)建FID信號(hào)信噪比與測(cè)頻精度的數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)得出二者之間的理論關(guān)系表達(dá)式。通過(guò)對(duì)野外不同信噪比的FID信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量,得到二者之間的實(shí)際關(guān)系曲線與理論曲線變化趨勢(shì)相符,驗(yàn)證了FID信號(hào)信噪比-測(cè)頻精度量化模型的準(zhǔn)確性。3、針對(duì)FID信號(hào)現(xiàn)有調(diào)諧算法普遍存在的調(diào)諧速度慢、精度低、環(huán)境適應(yīng)能力差等問(wèn)題,提出一種基于奇異值分解(SVD)和短時(shí)傅里葉變換(STFT)的高速、高精度二次調(diào)諧算法,首次將STFT引入FID信號(hào)的特征分析領(lǐng)域。通過(guò)理論分析、仿真建模和實(shí)際測(cè)試,所提出的二次調(diào)諧算法在調(diào)諧精度和調(diào)諧速度(不大于1s)方面整體優(yōu)于目前常用的峰值檢波法和自相關(guān)FFT法,同時(shí)解決了高噪聲背景下Overhauser磁力儀測(cè)量過(guò)程中的失調(diào)問(wèn)題。4、針對(duì)FID信號(hào)現(xiàn)有測(cè)頻算法存在的測(cè)頻時(shí)間較長(zhǎng)、精度較低等不足,提出一種優(yōu)化的多通道同步等精度測(cè)頻算法,探討了FID信號(hào)頻率測(cè)量時(shí)的主要誤差來(lái)源,并設(shè)計(jì)一種抑制觸發(fā)誤差的毛刺濾波方案。通過(guò)室內(nèi)小信號(hào)以及野外實(shí)際測(cè)試,驗(yàn)證了多通道同步測(cè)頻算法能夠有效降低相位噪聲、觸發(fā)誤差等帶來(lái)的頻率測(cè)量誤差,從而提高FID信號(hào)測(cè)頻精度。5、對(duì)優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的磁力儀硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),并最終制作原理樣機(jī)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型,分析儀器本底噪聲來(lái)源,如器件電器特性、傳感器熱噪聲等。設(shè)計(jì)一種適用于激發(fā)所選自由基物質(zhì)的諧振腔和提高傳感器抗干擾能力的雙線圈并串聯(lián)差分結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上研制傳感器測(cè)試裝置,能夠準(zhǔn)確測(cè)量激發(fā)頻率、頻率帶寬以及品質(zhì)因數(shù),還可用于在磁力儀設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)激發(fā)功率和激發(fā)時(shí)間的確定。6、系統(tǒng)地測(cè)試并分析了優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的磁力儀原理樣機(jī)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),測(cè)試的主要內(nèi)容包括:樣機(jī)本底噪聲測(cè)試、FID信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比測(cè)試、絕對(duì)精度測(cè)試、與國(guó)外商用儀器地磁場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比測(cè)試和磁異常目標(biāo)定位測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所研制優(yōu)化動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的磁力儀原理樣機(jī),在磁場(chǎng)測(cè)量絕對(duì)精度和分辨率等方面整體得到提升,驗(yàn)證了Hartmann-Hahn雙磁場(chǎng)極化模型、FID信號(hào)信噪比-測(cè)頻精度量化模型等理論推導(dǎo)結(jié)果,為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化動(dòng)態(tài)核極化技術(shù)的高精度、高靈敏度磁力儀提供研究基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P631.23
【部分圖文】：

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位論文用于地球物理、空間磁場(chǎng)測(cè)雜且使用前需要預(yù)熱等缺點(diǎn)在地球物理、星載和外太空操作簡(jiǎn)易、穩(wěn)定性出眾、功同，質(zhì)子旋進(jìn)類磁力儀分脈（即 Overhauser 磁力儀）。

常用的FID信號(hào)增強(qiáng)方式

電子自旋與質(zhì)子自旋雙共振的能級(jí)狀態(tài)
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本文編號(hào)：2855452