地面磁共振工频谐波噪声消减及全波信号提取方法研究
随着人口快速增长、经济社会迅速发展和城市化进程不断加快，中国各类用水需求持续攀升。为了避免水资源短缺所引发的工业停产、粮食危机以及生态系统恶化等问题，地下水的开发与利用成为了人们关注的焦点。地面磁共振探测方法（Magnetic resonance sounding，MRS）由于对氢原子具有直接敏感性，能够实现非侵入式探测和定量评估地下水体赋存状态，而成为地下水勘探领域中广泛应用的技术手段。然而，由于该方法应用的背景场强度低导致MRS信号微弱（通常为nV级），以及野外测量环境中以工频谐波为主的噪声干扰严重，使较低的信噪比成为限制地面磁共振探测方法在城市和村镇地区进行工作的主要瓶颈。为了应对噪声快速变化且来源复杂的探测环境，解决MRS探测过程中工频谐波噪声普遍存在且干扰严重、同频噪声与信号混叠难以正确分离以及MRS信号提取准确性低的问题，本文在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“磁共振地下水探测技术”的资助下开展地面磁共振工频谐波噪声消减及全波信号提取方法研究，主要研究内容如下： （1）基于地面磁共振探测原理建立了MRS信号在接收线圈中的感应电动势数学表达形式，并阐述了全波信号与包络信号的区别；研究了不同等级的工频谐波噪声对信号提取和数据反演解释产生的影响，分析了信号提取过程中传统同步检测方法受低通滤波器参数选择、参考信号频率偏移和MRS信号初始相位的影响，并讨论了数据拟合方式受残余噪声和初值选择制约而引入误差的情况，强调了深入研究MRS数据处理方法的必要性，为设计整体研究方案提供思路。 （2）针对工频谐波噪声干扰严重且来源密集化的问题，提出了频域对称算法。利用工频谐波噪声经过傅里叶变换和解调等过程产生的虚部频谱，估计与MRS信号混叠在一起的实部频谱从而消除噪声。数值实验结果证实频域对称法消噪性能优于常规建模法，能够更准确地消除数据中的工频谐波噪声。此外，分析发现当谐波频率关于拉莫尔频率对称时，频域对称法可能会出现失效、低效或者不需要进行频谱校正的情况，但受地理位置影响此类特殊情况出现的可能性往往不高。 （3）针对同频噪声与信号混叠难以正确分离导致信号失真的问题，提出了相关建模算法。利用正交矢量型相频检测器的相关检测原理，对含有同频噪声的MRS信号的检测结果建立数学模型，然后对模型进行数学变换消去同频噪声干扰项，最后恢复MRS信号。仿真实验结果表明相关建模法可以有效消除不同水平的同频噪声，提高MRS信号提取结果的准确性。 （4）针对常规包络检测会引入误差以及残留噪声会降低信号提取准确性的问题，提出了整形普罗尼全波信号提取方法。通过推导MRS信号的复指数形式与整形普罗尼分量的参数对应关系，在信号的有效频带范围内唯一确定有用分量并计算信号参数。仿真实验结果表明：分解数量的多少对整形普罗尼算法的性能具有决定性作用，合理的分解数量能够平衡算法的提取精度和计算时间；整形普罗尼算法能够不受工频谐波噪声干扰，准确提取MRS全波信号，但是随机噪声的增大会降低算法性能，当MRS信号与随机噪声的信噪比不小于?13dB时，提取参数的相对误差不超过10%；与常规同步检测方法相比，整形普罗尼算法能够提供更准确的信号参数估计结果。 （5）利用本文研究算法改进常规MRS数据处理流程，在长春市烧锅镇野外实验测试场开展实测数据采集及其解释实验。对比常规流程和改进流程的数据处理结果以及反演得到的含水量信息，结果表明改进流程比常规流程对噪声的压制程度更高，提取MRS信号的结果更准确，得到的反演解释结果与钻探获得的地质资料更加吻合。
地下水勘探;地面磁共振工频;谐波噪声消减;全波信号提取
吉林大学
博士
测试计量技术及仪器
林婷婷
2022
中文
P641.7
2023-04-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）