基于预极化场的地面磁共振探测原理样机研制

论文摘要

我国正面临着淡水资源短缺的困境,如何利用科学合理的地球物理方法探测地下水是有效解决缺水问题的关键。传统地面磁共振探测方法（Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR）作为近几年发展起来的地下水勘探方法,能够实现非开挖式、定性定量的探测。但由于磁共振信号仅为纳伏级,因此有效信号极易被噪声淹没,尤其在城市环境应用中。本文针对城市高噪声环境下有效探测地下水的问题,将预极化场用于地面磁共振技术中。从预极化场地面磁共振探测原理着手,对预极化场地面磁共振探测原理样机进行研制,解决了接收系统和发射系统研发过程的系列关键技术。所研制的原理样机可以从根本上增强探测水体的磁共振信号,提高含水量及含水位置的解释精度,为城市高噪声环境下探测地下水源提供硬件支持。本文完成了以下研究工作:（1）研究了基于预极化场的地面磁共振地下水探测工作原理。介绍了预极化场探测方式下氢质子宏观磁化强度详细变化过程,推导了宏观磁化强度计算公式。此外,对预极化场地面磁共振探测的仿真模型进行数值计算,包括剖分地下空间结构,计算地下空间磁场分布,求解磁共振灵敏度核函数,仿真不同含水层深度的磁共振响应曲线。在此基础之上,设计了预极化场地面磁共振探测原理样机的整体结构、控制结构及通讯方式。（2）设计了预极化场地面磁共振探测原理样机发射系统的总体结构及关键部分硬件电路。针对预极化电流与交变电流在共用线圈时出现的电流独立性问题,提出了发射电流隔离技术;针对预极化场绝热关断的要求,提出了预极化电流快速平稳关断技术。实测表明,所设计的发射系统能够实现预极化电流和交变电流的独立输出,同时关断电路能够实现91A的预极化电流在3ms内平稳关断,保证极化后的氢质子保持完全的磁化强度。（3）设计了预极化场地面磁共振探测原理样机的接收系统,研制了LC谐振传感器和信号接收电路。实际探测时发现不同环境下LC谐振传感器本底噪声不同,且该现象会影响磁共振信号质量。对这一发现进行分析,最终验证振铃效应是导致该现象的原因。针对振铃效应影响信号质量这一问题,提出了灵敏度优化技术,优化后的实测结果表明,改进的LC谐振传感器信噪比达到-4.2dB。（4）对预极化场地面磁共振探测原理样机实际寻找地下水的能力进行测试。详细介绍了测试步骤及所需仪器设备,分别在电磁屏蔽室内和城市空间环境下对原理样机进行测试。试验结果表明该原理样机在电磁屏蔽室低噪声环境下和城市空间高噪声环境下均能够测得有效磁共振信号,且通过数据反演得到冰面0.6m以下为自由水的结果与实际情况基本相符。验证了预极化场应用于SNMR的实用性。综上所述,本文完成了预极化场地面磁共振探测原理样机的研制。通过电磁屏蔽室以及城市空间环境下的测试,验证了原理样机的有效性。本文研究的预极化场将继续扩大地面磁共振探测地下水的应用范围,同时原理样机将成为城市高噪声环境下探测地下水源的重要工具。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 磁共振探水仪器研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 课题研究目的与意义
•   1.4 课题研究内容与结构安排
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 结构安排
• 第2章 预极化场地面磁共振地下水探测基本原理
•   2.1 地面磁共振探测基本原理
•     2.1.1 核磁共振现象
•     2.1.2 地面磁共振探测原理
•   2.2 预极化场地面磁共振探测原理
•     2.2.1 预极化场探测地下水基本原理
•     2.2.2 预极化场增强宏观磁化强度推导
•   2.3 预极化场地面磁共振探测的数值模拟
•     2.3.1 磁场分布仿真
•     2.3.2 灵敏度核函数计算
•     2.3.3 磁共振信号响应
•   2.4 本章小结
• 第3章 预极化场地面磁共振探测原理样机总体方案设计
•   3.1 预极化场地面磁共振探测原理样机总体结构
•     3.1.1 发射系统结构
•     3.1.2 接收系统结构
•   3.2 预极化场地面磁共振探测原理样机控制方式
•     3.2.1 主控制器+从控制器控制架构
•     3.2.2 多端口串行通信策略
•   3.3 本章小结
• 第4章 预极化场地面磁共振探测发射系统关键技术
•   4.1 预极化场地面磁共振探测原理样机发射电路设计
•     4.1.1 交变电流输出电路设计
•     4.1.2 预极化电流输出电路设计
•   4.2 交变电流与预极化电流隔离输出关键技术
•     4.2.1 电流独立性分析
•     4.2.2 基于隔离二极管的电流独立性实现
•   4.3 预极化电流快速平稳关断关键技术
•     4.3.1 关断电路设计
•     4.3.2 关断过程模型分析
•   4.4 发射系统性能验证
•   4.5 本章小结
• 第5章 预极化场地面磁共振探测接收系统关键技术
•   5.1 预极化场磁共振接收电路设计
•     5.1.1 LC谐振传感器设计
•     5.1.2 信号调理单元及采集单元设计
•     5.1.3 接收电路幅频特性测试
•   5.2 LC谐振传感器本底噪声研究
•     5.2.1 不同环境下LC谐振传感器本底噪声测试
•     5.2.2 本底噪声随环境变化原因分析
•   5.3 LC谐振传感器灵敏度匹配关键技术
•     5.3.1 基于并联式匹配电阻的LC谐振传感器优化
•     5.3.2 优化后LC谐振传感器测试
•   5.4 本章小结
• 第6章 预极化场地面磁共振探测原理样机应用实例
•   6.1 方案介绍
•     6.1.1 测试工作流程
•     6.1.2 测试设备介绍
•   6.2 屏蔽室内测试
•     6.2.1 试验环境介绍
•     6.2.2 屏蔽室内试验
•   6.3 长春市市区探测实例
•     6.3.1 区域地质信息
•     6.3.2 实际测试结果
•   6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 创新点
•   7.3 后续工作展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周坤

导师: 林婷婷

关键词: 地下水探测,磁共振,预极化场,原理样机,城市复杂噪声环境

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 吉林大学

分类号: P641.7

总页数: 74

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