基於頻率環激發序列的地下水核磁偏共振探測方法研究

《基於頻率環激發序列的地下水核磁偏共振探測方法研究》是依託吉林大學，由蔣川東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於頻率環激發序列的地下水核磁偏共振探測方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔣川東
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

核磁共振（MRS）技術以其直接定量探測地下水的優勢被廣泛套用於水資源評價和災害水探查等領域。但是，由於地磁場時空分布不均、磁性干擾及強環境噪聲影響，偏共振現象普遍存在，導致共振信號幅度和相位發生改變，引起水文信息解釋不準確和深層解析度嚴重受限等問題。本項目針對複雜地質條件下難以實施有效MRS探測的瓶頸，突破共振條件的約束，提出基於頻率環激發序列的MRS偏共振探測方法。在建立完備的偏共振模型基礎上，分析信號回響特徵，提出L1範數線性搜尋算法，解決激發序列的參數選擇和最佳化問題；同時，開展SVD解析度分析及複數域反演評價方法研究；最後，通過仿真模型和野外實測驗證偏共振探測方法的有效性和實用性。本項目的研究擺脫了傳統MRS探測對Larmor頻率的依賴，實現複雜環境下MRS偏共振信號的精確獲取，提高對深部含水層的分辨能力和水文參數解釋的準確度，為MRS探測理論拓展和方法套用開闢了一個新的發展方向。

結題摘要

由於地磁場在空間上分布不均勻，以及存在外界磁性干擾等問題，產生磁共振現象的拉莫爾頻率難以準確確定，導致存在未知頻率偏量的偏共振激發。本項目針對未知拉莫爾頻率情況下準確探測地下水問題，提出地面雙頻磁共振探測方法。在估計的拉莫爾頻率兩側，根據設定頻率偏量發射進行兩次偏共振激發，利用設定頻率偏量計算偏共振核函式，對雙頻磁共振探測數據進行反演，從而消除未知頻率偏量對含水量和T2*反演結果的影響。本項目針對地面核磁偏共振模型，提出了基於系統相位自動搜尋和信號實部與虛部同時參與的複數QT反演方法，通過與幅度反演方法的對比分析，證明了基於複數QT反演方法的二維地面磁共振成像方法適用於複雜的地質環境。針對3D磁共振成像的研究和套用仍然受限於較低的測量效率和成像解析度。本項目出一種新型的用於3D磁共振的陣列線圈布局，包含一個發射和接收同一線圈和一組接收線圈陣列，以實現高效地數據採集和成像。本項目還提出目基於探地雷達結構約束的二維磁共振成像方法，以實現MRS的高精度反演成像。通過長春市燒鍋鎮太平池水庫和德國Schillerslage地區採集數據的反演結果與已知鑽探資料進行對比，驗證了雙頻磁共振探測方法的有效性和準確性，以及本項目提出的核磁偏共振模型和復包絡反演方法的有效性和準確性，為地下水探測領域提供了新的技術手段。基於本項目的研究內容，任務執行期間發表SCI 論文15 篇，EI論文1篇，獲得授權發明專利7 項。任務執行期間形成雙頻磁共振探測方法1套，完成DataProcessor數據處理和JLMRSInversion反演解釋軟體2 套，培養博士研究生3 名，碩士研究生3名。通過本項目的研究，有效改善了磁共振方法在隧道和礦井等極端地下工程套用中災害水體的探測能力，使磁共振方法能夠在更加複雜的環境下開展工作，無論對於提高磁共振方法的套用範圍，還是為礦井安全生產提供可靠預警方面，都具有重要的實用價值。