地面磁共振阵列接收线圈耦合分析与去耦方法研究
我国正面临着淡水资源短缺的困境，科学合理地使用地面磁共振技术探测地下水，可以有效解决淡水资源短缺问题。早期的单通道地面磁共振探测仪只适合用于地下水一维探测，并且探测效率低，分辨率差。经过多年的发展，我国成功研制了多通道地面磁共振探测仪，极大地提高了探测区域的横向分辨率和浅层纵向分辨率，实现了地下水多维探测。使用多通道地面磁共振探测仪进行地下水多维探测时，阵列接收线圈之间由于互感作用的影响，导致线圈中的磁共振信号出现耦合现象。耦合会改变接收线圈中原始信号的强度，进而影响磁共振信号反演解释的含水量大小。本文从地面磁共振阵列接收线圈信号耦合的源头着手，提出了一种由电容和电感组成的Π型去耦电路方法，有效地解决了阵列接收线圈之间的信号耦合问题，提高了地下水多维探测的准确性。 本文的主要研究工作如下： (1)研究了地面磁共振探测的基本原理，分析了磁共振探测方式下地下水中氢质子宏观磁化强度的变化过程，推导了氢质子的宏观磁化强度计算公式，并且构建了磁共振信号的灵敏度核函数。介绍了地面磁共振多维探测技术，并阐述了阵列接收线圈测量方式探测地下水的优势。研究了阵列接收线圈之间信号耦合的原因，列举了几种常用于阵列线圈的去耦方法，通过原理和具体实现过程分析了这些去耦方法的优缺点。 (2)设计了Π型去耦电路。根据接收线圈等效电路模型构建了接收线圈的阻抗矩阵方程，在接收线圈之间添加去耦电路后获得新的阻抗矩阵方程，求解阻抗矩阵方程获得去耦电路的去耦电感和去耦电容参数。通过电路仿真和实验测试，验证了去耦电路的实用性。使用LCR测量仪测量测定了去耦实验使用的接收线圈的阻抗参数，同时通过正串反串法测定了去耦实验中的接收线圈之间的互感。利用MATLAB软件编写了计算线圈之间的互感与线圈之间的相对位置关系的仿真程序，互感仿真结果与实测结果相符。 (3)设计了地面磁共振探测仪的接收系统电路。针对地面磁共振nV级微弱信号探测要求，分别设计了低噪声线圈传感器、信号调理电路、信号采集电路、控制电路以及电源电路。其中前置放大器的本底噪声为1nV/√Hz，信号调理电路的带宽为1.8kHz，整个接收电路的增益为79dB，采集电路的精度为24bit，采样频率最高为156kHz。接收系统采用STM32+FPGA控制架构，完成接收系统与上位机的数据交互任务，实现对数据采集卡的精确控制。对所设计的接收系统进行了室内整机测试和野外磁共振实验，均获取了有效的信号，验证了接收系统的可靠性。 (4)分别在电磁屏蔽室和野外进行了阵列接收线圈的去耦实验，室内与室外实验均取得了良好的去耦效果。其中野外实验结果为：接收线圈边对边铺设时，线圈中的信号强度为原信号的79.16%，去耦后，线圈中的信号强度为原信号的97.25%；接收线圈半覆盖铺设时，线圈中的信号强度为原信号的48.08%，去耦后，线圈中的信号强度为原信号的95.45%。去耦实验结果验证了Π型去耦电路可以有效地抑制接收线圈之间的信号耦合。 综上所述，本文完成了地面磁共振阵列接收线圈去耦研究，并且设计了Π型去耦电路。为展开磁共振信号去耦研究实验，设计了地面磁共振接收系统电路。通过电磁屏蔽室以及野外环境下的去耦实验，验证了Π型去耦电路的有效性。本文的研究对地面磁共振探测的应用和发展具有重要意义。
地下水;地面磁共振探测;阵列接收线圈;互感耦合;去耦方法
吉林大学
硕士
测试计量技术及仪器
万玲
2022
中文
P641.72
2022-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）