磁共振地下水探測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)發(fā)展,已經(jīng)成為地球物理探測(cè)中不可缺少的重要方法,其主要應(yīng)用集中在干旱地區(qū)找水,滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),堤壩滲漏檢測(cè)和地下工程水害隱患探測(cè)等。特別的是,隨著磁共振地下水探測(cè)由地面向地下發(fā)展,探測(cè)儀器也發(fā)生了變化,主要體現(xiàn)在探測(cè)線圈的改變,由百米級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)槊准?jí)和亞米級(jí),如何在有限的尺寸下開發(fā)更高靈敏度及更低噪聲的線圈傳感器是磁共振地下水探測(cè)技術(shù)發(fā)展的難題。目前磁共振線圈存在的問(wèn)題主要包含:地下探測(cè)線圈由大變小導(dǎo)致探測(cè)深度淺,靈敏度低,噪聲水平難以降低。高阻抗小線圈帶來(lái)的振鈴導(dǎo)致磁共振信號(hào)失真。陣列線圈存在互感導(dǎo)致采集信號(hào)異常。采集信號(hào)中尖峰和諧波同時(shí)存在,諧波建模導(dǎo)致尖峰重復(fù)出現(xiàn)。本文針對(duì)上述問(wèn)題,提出了基于冷線圈的磁共振地下水探測(cè)關(guān)鍵技術(shù),利用液氮制冷,降低線圈本底噪聲,提升靈敏度,提高探測(cè)精度和深度。同時(shí),根據(jù)磁共振地下水探測(cè)理論正演和反演,首次將磁共振信號(hào)推導(dǎo)過(guò)程與線圈傳感器特性相結(jié)合,提出了冷線圈傳感器的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了冷線圈的有效性,信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)線圈。在此基礎(chǔ)上,研制了能夠抑制振鈴的冷線圈磁共振探測(cè)儀器系統(tǒng),以及開發(fā)了能夠抑制尖峰及諧波噪聲的數(shù)據(jù)處理算法。論文主要的研究工作及取得的成果如下:1、針對(duì)冷線圈傳感器進(jìn)行建模分析,引入了磁共振地下水探測(cè)核函數(shù)正演模型,提出了新型冷線圈傳感器信噪比的定義方法,即磁共振信號(hào)大小與冷線圈傳感器噪聲之比,結(jié)合冷線圈傳感器的靈敏度分析結(jié)果,得到冷線圈匝數(shù)和前置放大器。2、通過(guò)磁共振地下水探測(cè)反演模型,得出冷線圈傳感器的帶寬大小,結(jié)合已有的LC諧振和3階巴特沃斯帶通前端形式,提出了線圈耦合型無(wú)源帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法,將冷線圈傳感器中線圈參數(shù)作為無(wú)源帶通濾波器設(shè)計(jì)的一部分,簡(jiǎn)化了前端電路形式,減少了插入損耗,提高了冷線圈傳感器的帶寬。3、利用低溫條件,對(duì)冷線圈傳感器后續(xù)有源電路進(jìn)行制冷,降低其噪聲,使用FET型運(yùn)放替代雙極型運(yùn)放,實(shí)現(xiàn)了冷線圈傳感器的短路噪聲降低1 nV/(?)。4、針對(duì)冷線圈傳感器測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象,提出了雙極性相位脈沖的方法抑制振鈴。從產(chǎn)生磁共振信號(hào)的機(jī)理層面對(duì)振鈴進(jìn)行抑制,采用兩個(gè)初始相位相差180°的脈沖進(jìn)行激發(fā),得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正反相疊加,可消除由硬件導(dǎo)致的固定相位的振鈴。5、針對(duì)冷線圈磁共振地下水探測(cè)中存在的噪聲,提出了基于自回歸模型(AR)的二次尖峰噪聲處理方法,當(dāng)尖峰噪聲和工頻諧波同時(shí)存在時(shí),使用兩次AR算法能夠最大程度去除尖峰噪聲,同時(shí)不會(huì)受到諧波建模(HNC)的影響,避免了尖峰和諧波對(duì)冷線圈傳感器的影響,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了AR算法,分步HNC和同頻HNC處理流程的優(yōu)越性。6、基于上述硬件實(shí)現(xiàn)并整合,研發(fā)了冷線圈磁共振探測(cè)儀器系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了高集成化設(shè)計(jì),對(duì)JLMRS系列儀器進(jìn)行小型化改進(jìn),體積降低為1/4,重量降低至1/7,可單人攜帶操作,性能指標(biāo)優(yōu)于目前隧道和礦井磁共振地下水探測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的研究,本文實(shí)現(xiàn)了冷線圈傳感器的設(shè)計(jì)和冷線圈磁共振地下水探測(cè)儀器的研發(fā),主要的創(chuàng)新工作如下:1、針對(duì)磁共振地下水探測(cè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,探測(cè)線圈由百米級(jí)變到亞米級(jí)的難題,結(jié)合磁共振理論正演方法,提出了利用冷線圈傳感器獲取地面磁共振地下水探測(cè)信號(hào)的新方法,利用低溫條件,優(yōu)化冷線圈傳感器的傳遞函數(shù),并大幅降低了熱噪聲,提高了小尺寸線圈的探測(cè)能力。2、將磁共振地下水探測(cè)理論融入到冷線圈測(cè)量?jī)x器研發(fā)中,設(shè)計(jì)了一款線圈耦合型無(wú)源帶通濾波器,保證了磁共振信號(hào)短馳豫時(shí)間對(duì)帶寬的需求,同時(shí)可以為二維和三維磁共振地下水探測(cè)解決線圈互感問(wèn)題。3、針對(duì)冷線圈磁共振探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象,從磁共振信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),提出了雙極性相位脈沖方法抑制振鈴,利用兩個(gè)初始相位相差180°的脈沖得到的磁共振數(shù)據(jù)正反相疊加,消除機(jī)械硬件導(dǎo)致的固定相位的振鈴,將高阻抗冷線圈的振鈴過(guò)程控制在5 ms以內(nèi)。4、針對(duì)冷線圈磁共振探測(cè)過(guò)程采集到的尖峰噪聲和工頻諧波噪聲,提出了基于自回歸模型的二次尖峰處理方法避免了諧波建模對(duì)去除尖峰后重新產(chǎn)生小尖峰的影響及尖峰和諧波對(duì)冷線圈傳感器的影響。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P631;P641.7
【部分圖文】：

地下水探測(cè)和測(cè)井等領(lǐng)域。使用磁共振技術(shù)來(lái)探測(cè)地下水是一種新型的地球物理探測(cè)技術(shù)，同時(shí)是一種非入侵形式的而且定量的地下水探測(cè)技術(shù)[1]，也被稱為磁共振地下水探測(cè)（MRS，Magnetic Resonance Sounding）或者地面/地下磁共振地下水探測(cè)（SNMR/UNMR，Surface/Underground Nuclear MagneticResonance）。我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，2018 年淡水資源總量為 27462.5 億立方米，其中，地表水資源量 26323.2 億立方米，地下水資源量 8246.5 億立方米，地下水與地表水資源不重復(fù)量為 1139.3 億立方米，全國(guó)人均綜合用水量 432 立方米[2]，我國(guó)人口眾多，人均水資源占有量?jī)H有2.3 千立方米，不到世界平均水平的四分之一，處在世界人均水資源占有量排序的末端，被聯(lián)合國(guó)列為 13 個(gè)貧水國(guó)家之一。2017 年全國(guó) 26 省市受到干旱影響，受影響的農(nóng)作物面積達(dá)18227.56 千公頃，造成 477.78 萬(wàn)人和 514.29 萬(wàn)頭大牲畜的飲用水困難，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到 437.88 億元，占當(dāng)年 GDP 的 0.05%[3]。

由地下水引起的水害隱患與破壞

(b)地下磁共振地下水探測(cè)場(chǎng)景。地下水中的氫質(zhì)子可以看作一個(gè)自旋的球體，每個(gè)氫質(zhì)子自旋都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小磁矩m，如圖 1.4a 所示。不同的氫質(zhì)子的小磁矩方向是不同的，隨機(jī)的。但是如果有一個(gè)被動(dòng)的磁場(chǎng)作用于地下水時(shí)，比如地磁場(chǎng)，那么大量的氫質(zhì)子各自的小磁矩會(huì)產(chǎn)生一個(gè)宏觀磁矩M ，這稱為縱磁化，當(dāng)然，并不是所有的氫質(zhì)子的小磁矩都是M 矢量方向，也存在與M 矢量方向相反的小磁矩，這部分氫質(zhì)子占總體的少數(shù)并處于高能級(jí)，地下水中的大部分氫質(zhì)子小磁矩m的方向都是M 矢量方向，這部分氫質(zhì)子占多數(shù)并處于低能級(jí)。宏觀磁矩M 像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，進(jìn)動(dòng)頻率由地磁場(chǎng)決定，地磁場(chǎng)越大，進(jìn)動(dòng)頻率越快，進(jìn)動(dòng)頻率也稱為 Larmor 頻率，如圖 1.4b 所示。通過(guò)在地表鋪設(shè)的線圈中通入頻率為 Larmor 頻率的正弦電流時(shí)，地下水中的氫質(zhì)子會(huì)吸收能量，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，在圖中的表示為M 正方向向 M 的反方向翻轉(zhuǎn)，如果發(fā)射的能量足夠大，就會(huì)有 50%的氫質(zhì)子處

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