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基于自旋回波探测的地面磁共振T_(2)谱正反演策略

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物理学报 2021年第6期70卷 79-89页

作者：杨玉晶叶瑞赵汗青万玲林婷婷吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130061 地球信息探测仪器教育部重点实验室(吉林大学) 长春130061

作为新兴地球物理方法之一,地面磁共振技术具有直接探测优势.但由于其发展时间较短,相关建模及反演方法介绍较少,传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限,且适应性较差.近年来,应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域... 详细信息

作为新兴地球物理方法之一,地面磁共振技术具有直接探测优势.但由于其发展时间较短,相关建模及反演方法介绍较少,传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限,且适应性较差.近年来,应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域的研究热点.本文推导了其灵敏度核函数及正演公式,引入线性空间反演方案,即通过奇异值分解将含噪自旋回波信号由时间域变换至空间域.为避免矩阵病态问题,采用奇异值滤波法抑制分解病态程度,并联合同时迭代重建技术进一步提升空间域矩阵求解精度.结合非线性拟合对空间域矩阵参数进行提取,实现含水层对应含水量、横向弛豫时间的有效估计.通过模拟野外实验并进行数据解释,证实了该方案能够有效降低浅层含水量至1.5%,横向弛豫时间估测误差至0.02 s.本文的研究成果,将为地面横向弛豫时间探测及相关理论发展及方法在水文地质调查方面的推广应用提供有力支撑.

关键词：地面磁共振自旋回波 T2 谱正反演线性空间反演

基于Hammer积分的三维地面磁共振高精度正演方法

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吉林大学学报（工学版） 2016年第2期46卷 609-615页

作者：林君赵越蒋川东李同刘孝男吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130026 吉林建筑大学计算机科学与工程学院长春130118 中国信息安全测评中心北京100085

为满足三维地面磁共振正演计算的精度要求,本文提出了基于非结构不均匀四面体网格的Hammer积分算法。首先利用有限元方法实现了对地下空间的三维磁场计算,完成了地面磁共振灵敏度核函数表达式的推导。针对现有地面磁共振正演方法中常规... 详细信息

为满足三维地面磁共振正演计算的精度要求,本文提出了基于非结构不均匀四面体网格的Hammer积分算法。首先利用有限元方法实现了对地下空间的三维磁场计算,完成了地面磁共振灵敏度核函数表达式的推导。针对现有地面磁共振正演方法中常规网格尺寸大、计算精度差、细化网格尺寸小、但是数量大的问题,应用Hammer积分在常规网格中完成核函数的高精度计算。三维核函数和3个含水模型的正演仿真实验表明:基于Hammer积分的地面磁共振正演方法具有网格少、计算节点少、积分精度高的特点,能够高效解决核函数的正演计算问题。

关键词：仪器仪表技术 Hammer积分地面磁共振高精度正演核函数

浅层地面磁共振匀场预极化线圈多源探测阵列研究

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地球物理学报 2024年第12期67卷 4535-4543页

作者：林婷婷赵汗青安芷毓常天琦地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130061 吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130061

地面磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR)技术是唯一能够实现地下水定性定量探测的地球物理方法,在水资源勘探、灾害水调查等领域有较好发展潜力.通过直流线圈发射预极化脉冲能够有效提升信号幅度,然而其布设配置及磁场均... 详细信息

地面磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR)技术是唯一能够实现地下水定性定量探测的地球物理方法,在水资源勘探、灾害水调查等领域有较好发展潜力.通过直流线圈发射预极化脉冲能够有效提升信号幅度,然而其布设配置及磁场均匀性直接影响激发及探测效果,探测阵列的配置方案少有讨论.针对上述问题,本文基于磁偶极子法构建了探测目标水体的均匀目标磁场方程,以线圈功耗为约束求解了规则的地面电流分布,在此基础上引入流函数法实现电流分布与线圈实际布设的等效转换,获取了匀场预极化线圈配置.分别构建方形及长方形分层目标水体模型求解匀场线圈配置进行验证,求解配置与常规方案相比磁场均匀性及分辨率有明显提升,证明了方案的有效性.结果表明:基于目标场法的配置求解方案与常规方案相比,可以根据不同探测目标获取针对性的匀场线圈布设方案并具有良好的探测分辨率和工程应用效率,能够弥补匀场预极化线圈配置设计空白.本文的研究成果,将为浅层多源预极化技术在复杂应用环境下的工程应用提供有力支撑.

关键词：地面磁共振预极化目标场法数值模拟

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地面磁共振变间隔自旋回波序列控制及测量方法研究

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地面磁共振变间隔自旋回波序列控制及测量方法研究

作者：刘骏妍吉林大学

学位级别：硕士

随着经济和社会高速发展,我国对淡水资源的依赖越来越严重,导致水资源问题越来越突出,尤其是淡水资源缺乏和水灾害频发,这两个问题已严重制约我国经济发展和社会进步。地面磁共振探测技术以其直接定量探测地下水的优势广泛应用于水资源... 详细信息

随着经济和社会高速发展,我国对淡水资源的依赖越来越严重,导致水资源问题越来越突出,尤其是淡水资源缺乏和水灾害频发,这两个问题已严重制约我国经济发展和社会进步。地面磁共振探测技术以其直接定量探测地下水的优势广泛应用于水资源评价和灾害水探查等领域。横向弛豫时间T是磁共振信号重要的特征参数,包括丰富的水文地质信息。目前传统地面磁共振探测通常采用单脉冲激发序列测量平均弛豫时间T,但因地磁场的不均匀性,造成T远小于横向弛豫时间T,因而无法准确计算孔隙度、渗透率和孔径分布等水文地质参数,严重制约了地面磁共振技术的发展。针对在外磁场不均匀情况下单脉冲激发序列无法准确测量T的问题,本文以精确测量横向弛豫时间T为目的,对地面磁共振变间隔自旋回波序列控制及测量方法进行研究。在地面磁共振探测原理的基础上,阐述了地磁场不均匀性对氢原子核横向弛豫过程的影响,并给出T≤T关系。结合单脉冲激发序列,引入自旋回波序列探测方法,为提高横向弛豫时间T探测精度,提出变间隔自旋回波序列测量方案。为实现高精度和高效率的磁共振探测,对回波时间和回波个数进行研究,根据磁共振信号衰减特征,设计了按对数等分分布的变间隔回波时间,需设置最小回波时间temin、最大回波时间temax和回波个数N。建立含水层仿真模型进行仿真实验,仿真结果表明:在保证高精度和高效率探测前提下,最佳回波个数N选取7～10个;最大回波时间temax接近或大于真实橫向弛豫时间T时,T探测精度高。为实现变间隔自旋回波序列探测,在已有磁共振仪器硬件基础上,设计了变间隔自旋回波序列控制软件。本文利用LabVIEW软件平台进行上位机控制软件设计,包括控制参数设置、仪器运行监测、信号波形显示等功能。下位机控制模块基于ARM+CPLD构架,能够产生高精度控制信号。本文设计的变间隔自旋回波序列控制软件具有自动化程度高、操作简易、系统稳定可靠、控制精度和效率高的特点。对变间隔自旋回波序列控制及测量方法进行测试,通过测试结果可得:本文所设计的控制软件可产生高精度发射电流,发射频率误差低于0.06%,发射时间误差范围在1.33%之内,90°脉冲与180°脉冲持续时间关系为τ=2τ,满足自旋回波信号产生原理,并且多次发射电流初始相位一致,使多次探测MRS信号极性相同,保证信号叠加的有效性,从而提高信噪比;高压继电器控制信号切换时间实测值范围为9.45～10ms,有效避免接收线圈中感应高电压对接收系统的冲击;H桥桥臂切换死区时间为10.1μs,与设置值误差为0.5μs,能够保护H逆变桥路安全;整机测试验证了控制软件的稳定性和可靠性,最后通过物理模拟实验,验证了变间隔自旋回波序列测量方法的可行性。

关键词：地面磁共振自旋回波序列横向弛豫时间控制软件

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基于变分模态分解的地面磁共振谐波消噪方法

吉林大学学报(理学版) 2024年

作者：王琦刘钊闻杜海龙玄玉波刁庶吉林大学通信工程学院吉林大学仪器科学与电气工程学院无锡职业技术学院控制工程学院

地面磁共振是一种直接探测地下水的地球物理探测方法，但磁共振信号非常微弱，极易受电磁噪声干扰．本文采用基于改进变分模态分解的工频谐波消除方法，并根据频谱分析设定模态分量数与初始中心频率，解决了常规谐波建模消噪方法仅能处... 详细信息

地面磁共振是一种直接探测地下水的地球物理探测方法，但磁共振信号非常微弱，极易受电磁噪声干扰．本文采用基于改进变分模态分解的工频谐波消除方法，并根据频谱分析设定模态分量数与初始中心频率，解决了常规谐波建模消噪方法仅能处理单次采集数据而导致的运算效率慢等问题．该方法在多基频或者基频随时间变化等复杂噪声场景中，得到了良好的谐波分量估计效果．本文所提方法可快速有效地消除工频谐波干扰，大幅提升地面磁共振探测数据信噪比．

关键词：变分模态分解地面磁共振谐波干扰基频变化

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预极化场地面磁共振发射系统关键技术研究

预极化场地面磁共振发射系统关键技术研究

作者：陈超吉林大学

学位级别：硕士

地面磁共振技术已经被广泛应用于地下水勘探中。在城市、隧道、矿区等复杂噪声环境下,使用米级小线圈进行浅层地下水探测时,施加预极化场可以增强磁共振信号的幅值。预极化场的发射强度和关断方式对磁共振信号幅值的增强程度极其重要。... 详细信息

地面磁共振技术已经被广泛应用于地下水勘探中。在城市、隧道、矿区等复杂噪声环境下,使用米级小线圈进行浅层地下水探测时,施加预极化场可以增强磁共振信号的幅值。预极化场的发射强度和关断方式对磁共振信号幅值的增强程度极其重要。针对预极化电流发射时间长、发射强度大和叠加次数多的大功率循环发射特点,本文提出了IGBT并联预极化电流均流发射技术,实现了大功率直流脉冲的发射;针对预极化场的空间分布特点和关断条件,提出了预极化场可控绝热关断技术,实现了预极化场关断过程的可控性和一致性;结合预极化场地面磁共振发射系统整体结构,进一步设计了交流场发射电路和发射控制系统,并且最终完成了预极化场地面磁共振发射系统的研制。本文的主要研究内容如下:(1)研究了预极化场地面磁共振探测的基本原理。通过数值计算和有限元仿真,分析了预极化场的空间分布特点。对氢质子的磁化强度和灵敏度核函数进行了计算,得出了提高预极化场的发射强度可以增强磁共振信号幅值的结论。分析了预极化场关断过程中磁化强度的进动过程,并结合其空间分布特点,研究了预极化场的关断条件。(2)设计了预极化场直流脉冲发射电路。通过数值计算和仿真分析了IGBT并联预极化电流发射不均流的影响因素。提出了预极化电流均流发射技术,介绍了发射原理和实现方案,进行了仿真验证。设计了预极化场发射电路,并且进行了实验测试,当主功率开关管采用两个IGBT并联时,可以实现预极化电流的均流发射。(3)设计了预极化场可控绝热关断电路。研究了预极化场关断电路的特点,并对几种传统的关断电路进行了介绍。针对传统关断电路的不足,提出了预极化场可控绝热关断技术。设计了基于半控型全桥和电容组的可控绝热关断电路,研究了关断电路的工作时序,并对关断进程进行了数值计算。同时设计了相应的控制电路和关断电容组电压检测电路等。对预极化场关断过程的可控性和一致性进行了仿真验证和实验测试,当电容组电压从65V到300V变化时,预极化电流关断末期指数衰减的初始振幅从15A到48A增加,关断时间从1.4ms到1ms改变,可以实现关断波形和关断时间的优化,并且当发射参数不同时可以实现相同的指数衰减波形和相同的关断时间。(4)完成了预极化场地面磁共振发射系统的研制,并且进行了野外磁共振实验。针对预极化场地面磁共振探测的要求,设计了交流场发射电路,包括全桥逆变电路和电流检测电路等。并且设计了发射控制系统,对控制系统结构、通信单元以及发射控制流程等进行了详细的介绍。最后对发射系统进行了整机测试和野外磁共振实验,在城市复杂噪声环境下对冰下含水层进行了测量,获得了有效的磁共振信号,验证了该系统实际探测地下水的性能及有效性。本文完成了预极化场地面磁共振发射系统的研制,通过大量的实验室测试和城市空间环境下的磁共振探测实验,验证了发射系统的有效性。本文的研究将促进预极化技术在城市、隧道、矿区等复杂噪声环境下的应用与发展。

关键词：地面磁共振预极化场直流脉冲发射可控绝热关断

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地面磁共振方法探测地下水研究

内蒙古煤炭经济 2019年第20期 217-218页

作者：李聪吉林工程技术师范学院吉林长春130052

磁共振技术是重要的地下水探测方法和手段,具有原理可操作性强、可以反演量化的优点,不用打钻可以轻松获得地下水各含水层的厚度、渗透系数、含水量、深度、孔隙度等相关地下水参数,因此得到了广泛应用。文中分析了地面磁共振原理,探讨... 详细信息

磁共振技术是重要的地下水探测方法和手段,具有原理可操作性强、可以反演量化的优点,不用打钻可以轻松获得地下水各含水层的厚度、渗透系数、含水量、深度、孔隙度等相关地下水参数,因此得到了广泛应用。文中分析了地面磁共振原理,探讨了地面磁共振方法在探测地下水的应用,为磁共振方法在地下水中的应用提供重要的参考。

关键词：地面磁共振探测地下水研究

压缩小波变换和非线性阈值技术压制磁共振尖峰噪声方法研究

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地球物理学报 2017年第7期60卷 2858-2868页

作者：林婷婷杜文元徐洋龙云林君吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130026

地面磁共振是一种新的地球物理探测方法,能够通过探测地下水中氢质子丰度获取地下水含量、孔隙度等水文地质信息.然而,磁共振信号甚为微弱,仅达到纳伏级(10^(-9)V),极易受到噪声干扰.其中,尖峰噪声对磁共振信号影响最为严重,亟待研究有... 详细信息

地面磁共振是一种新的地球物理探测方法,能够通过探测地下水中氢质子丰度获取地下水含量、孔隙度等水文地质信息.然而,磁共振信号甚为微弱,仅达到纳伏级(10^(-9)V),极易受到噪声干扰.其中,尖峰噪声对磁共振信号影响最为严重,亟待研究有效的噪声抑制方法.小波多尺度分解硬阈值是近两年国际磁共振领域专家提出的尖峰噪声有效消除方法,但硬阈值算法设定阈值的固有缺陷会引发信号震荡,出现伪吉布斯效应,导致信号损失.基于此,本文提出压缩小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform,SWT)和非线性國值处理(Nonlinear Thresholding,NT)算法联合消除磁共振信号尖峰噪声干扰.首先选择Morlet小波作为基小波,使得信号与噪声数据具有更高的时频集中性,利于尖峰噪声消除.其次,基于压缩小波系数进行非线性处理,可以弥补利用硬阈值和软阈值进行噪声消除时所引起的信号损失.仿真数据和实际数据结果表明,SWT联合NT方法可以利用单次采集数据有效消除尖峰噪声干扰并还原信号.本文提出的消噪方法将为磁共振数据后续反演解释,如多指数弛豫反演,奠定坚实的基础.

关键词：地面磁共振尖峰噪声压缩小波变换非线性阈值处理

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预极化场磁共振展宽指数反演方法研究

预极化场磁共振展宽指数反演方法研究

作者：叶瑞吉林大学

学位级别：硕士

磁共振探测（Magnetic Resonance Sounding,MRS）技术是一种新型地球物理探测方法,该方法利用水中氢质子的顺磁性,实现对地下水的直接探测和定量评估,近年来在近地表水文特征参数分析方面得到广泛应用。传统磁共振探测技术的探测背景场... 详细信息

磁共振探测（Magnetic Resonance Sounding,MRS）技术是一种新型地球物理探测方法,该方法利用水中氢质子的顺磁性,实现对地下水的直接探测和定量评估,近年来在近地表水文特征参数分析方面得到广泛应用。传统磁共振探测技术的探测背景场为天然地磁场,采集到的信号仅为纳伏（n V）级别,易被噪声淹没,信噪比较低。为了从源头解决探测信噪比低的问题,本文提出了预极化场磁共振探测技术,大幅度提高了地下浅层的磁共振信号幅度。此外,对于赋存状态复杂的多孔隙地下水,磁共振信号以多指数自由感应衰减（Free Induce Decay,FID）信号形式存在。目前已有的单指数反演方法较为稳定,但对于复杂含水构造的反演,存在精度不足的问题。多指数反演方法充分考虑了复杂孔隙水磁共振信号的多指数现象,能够实现精确的地下水成像,但是其数据量过大、反演效率低。本文针对此问题,将分形维数理论与含水层孔隙分布结合来描述孔隙大小,引入了展宽指数C作为孔隙分形维数精确模拟磁共振信号,提出展宽指数反演方法。该方法在单指数反演基础上增加了一个展宽指数C,逼近多指数信号的衰减,其优势是反演数据量小、计算速度快,反演精度高。因此,本论文开展了基于预极化场的展宽指数（Stretched-exponential,SE）反演方法研究,对野外实践工程应用有着重要意义。本文完成了以下研究内容和创新性成果:1.实现了预极化场磁共振的正演计算。通过研究预极化场磁共振探测方法的基本原理,利用COMSOL Multiphysics仿真软件实现了对模型空间的三维网格剖分,计算了预极化场、发射磁场以及感应磁场。预极化场磁共振探测背景场为预极化场与地磁场的合场,但两者在空间中的关系较为复杂,本文选用旋转坐标系来简化这一问题。然后根据预极化场磁共振原理推导了预极化场磁共振灵敏度核函数表达式以及正演信号表达式。最后阐述了分辨率矩阵的计算方法及含义,利用分辨率矩阵对中央线圈探测模式与传统重叠线圈探测模式进行对比分析。证明了中央线圈探测模式的优越性。2.针对单指数反演精度不足,多指数反演数据量过大的问题,提出并推导了利用全部磁共振信号波形,并考虑地下多孔隙复杂含水层磁共振信号多指数特性的展宽指数反演方法。运用吉洪诺夫正则化和高斯牛顿迭代法得到地下含水量w、平均弛豫时间T和展宽指数C三种信息的分布情况。对于反演过程中正则化参数选取的问题,采用差异原则法选取最优正则化参数。实现了地下含水量的高精度成像。3.构建了三种含水模型,在重叠线圈和中央线圈两种探测模式下,分别利用数值仿真对三种模型进行了展宽指数反演和QT单指数反演并计算其均方根误差（Root Mean Squared Error,RMSE）。展宽指数反演方法可以实现含水量w、平均弛豫时间T以及展宽指数C的三参数成像,考虑了磁共振信号的多指数特性。QT单指数反演仅可以实现含水量w和平均弛豫时间T的双参数成像,未考虑磁共振信号的多指数特性。综合比较,展宽指数反演对含水量以及平均弛豫时间的反演效果更优。验证了展宽指数反演方法的准确性和有效性。

关键词：地面磁共振预极化场探测配置展宽指数反演