基于冷线圈的地面磁共振地下水探测关键技术研究

论文摘要

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。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杜官峰

导师: 林君

关键词: 磁共振,地下水,冷线圈,传感器,无源滤波器,振铃,自回归模型,噪声

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地质学,地球物理学,地球物理学,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P631;P641.7

DOI: 10.27162/d.cnki.gjlin.2019.000344

总页数: 146

文件大小: 9612K

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