分离线圈地面核磁共振找水正演

分离线圈地面核磁共振找水方法是将激发线圈与接收线圈分离开来的找水探测方法.文中阐释分离线圈地面核磁共振找水方法正演表达式;利用高斯积分方法计算了分离线圈正演公式中的核函数.通过分析核函数的变化规律,得出分离线圈地面核磁共振方法具有较高的横向分辨率.通过计算全空间的核函数矩阵,将地下含水模型离散化,实现分离线圈地面核磁共振找水3D模型正演快速计算.通过对比计算1D含水模型响应,本文的计算选取网格的越小,正演精度越高.文中计算装置对模型的响应,分析正演曲线随着模型的埋深与装置的不同呈现的变化规律,研究分离线圈地面核磁共振的分辨特性及探测特点.     

地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验

很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时,经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术,在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式,分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明,在限定空间内,利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时,对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后,为了验证本研究所采用的方法,利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测,探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明,6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.     

层状导电介质中地面核磁共振响应特征理论研究

水平层状导电大地中层状含水层地面核磁共振响应的数值计算技术涉及到导电介质中回线源 磁场的计算以及地下含水层中质子磁矩在线圈中产生感应信号的体积积分. 文中采用直接数 值积分技术,对具有振荡核函数的Hankel变换进行积分,以求取回线源磁场的径向与垂向分 量,计算并研究了回线产生的径向与垂向磁场分量随空间位置的变化规律. 基于磁场空间分 布特点,利用不等间距空间剖分技术计算地面核磁共振的体积积分,模拟了不同模型的地面 核磁共振响应并讨论了其影响因素. 结果表明,结合能对任意层状导电介质中磁场进行稳定 快速计算的直接数值积分技术与不等距空间模型剖分技术,可正确模拟地面核磁共振响应. 导电性是产生地面核磁共振信号相位的先决条件,但影响响应振幅强度与相位的因素还有含 水层的埋深、厚度以及装置大小等.     

地面核磁共振找水反演

简要介绍了地面核磁共振找水的正演理论方法,采用高斯求积并结合连分式展开的方法对核磁共振核函数中包含双重贝塞尔函数的积分核进行了数值积分,进而计算出精度较高的核函数值,在此基础之上,讨论了导电性对地面核磁共振信号的影响.基于奇异值分解算法,对核磁共振找水理论模型进行了反演研究,在不导电的情况下,重构出了比较理想的含水率分布.总结并改进了模拟退火算法,用改进的模拟退火算法分别对覆盖层高阻和导电条件下的核磁共振人工合成数据进行了反演,试验结果表明,利用改进的模拟退火算法反演地面核磁共振是可行的,而且反演结果较稳定,收敛速度较快.     

地面磁共振测深分布式探测方法与关键技术

地面核磁共振方法(MRS)因具有对地下水探测定性、定量的特点而备受地球物理工作者关注.传统研究中,人们局限于一维探测方法,假设层状含水构造,导致复杂地质环境下难以确定井位、不均匀含水层小水体难以分辨的反演解释瓶颈.针对现有测量中的不足,本文提出了MRS二维分布式探测模式,依据激发场不均匀特性,定义了实际测量中的测线方位角α,推导了分布式接收线圈MRS响应核函数表达式,实现了二维正演计算,探索了α角与探测灵敏度之间的关系.在此基础上,首次将Occam方法用于MRS二维反演解释中,实现了磁共振断层成像MRT(magnetic resonance tomography).模型试算中,根据含水层位置以及环境噪声变化的磁共振响应,客观评价了分布式MRS探测适用范围.理论先行可推动仪器完善,本文通过分布式接收单元设计、接收线圈数量和匝数增加与调整、放大器参数自适应设置与矫正,成功研制了地面分布式磁共振探测系统,并进行了野外验证.本文的研究成果将为基岩裂隙水定位、堤坝渗漏灾害水源评价,喀斯特溶洞含水构造精确探测提供有力的科学支撑.     

二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究

核磁共振法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,目前只能对水平层状的含水层进行一维测深,对于尺寸小于线圈直径的二维或三维含水构造成像时,其灵敏度和横向分辨率很低.本文从研究二维阵列线圈核磁共振地下水探测方式的可行性出发,推导了地面发射线圈产生的椭圆极化激发...     

地下磁共振响应特征与超前探测

地下（矿井和隧道内）超前探测灾害水源是磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding,MRS）方法应用的新领域,在地球物理方法中是一个难题.本文在地面磁共振探测理论的基础上,建立地下全空间模型,推导直立线圈的磁共振响应信号表达式,对比国际标准模型验证了数值计算的准确性.引入旋转系数矩阵,计算任意地磁场方向和线圈方向的激发场垂直分量.研究了磁共振响应信号与线圈法向偏角和倾角的关系,指出当线圈法向方向垂直于地磁场方向时,磁共振响应信号最大.同时,研究表明磁共振超前探测距离与激发脉冲矩和接收灵敏度紧密相关,激发脉冲矩越大,接收灵敏度越高,则超前探测距离越大,但存在极限距离.在地下线圈尺寸受限的情况下,为使检测信号灵敏度为5 nV时,超前探测距离达到30 m,提出了边长2 m线圈的匝数优化方案,共圈模式最少需要100匝,分离线圈模式最少需要10匝发射线圈和160匝接收线圈.仿真模型试验结果证明,随着噪声水平增大,磁共振超前探测距离和反演分辨率均减小.泽雅隧道探测实践表明,本文提出的地下空间磁共振理论在矿井和隧道环境中进行超前探测是可行的.     

地面核磁共振信号相位求取电阻率

椭圆极化现象是电磁场在导电介质中传播时产生的,为得到准确的相位信息,在计算激发磁场时应考虑椭圆极化。本文研究了地面核磁共振(SNMR)信号相位求取电阻率的基本方法,利用SNMR信号通过广义逆反演法得到电阻率未知情况下的含水率及层位分布,作为相位反演电阻率的先验值,通过模拟退火法实现对电阻率的反演。对SNMR的研究解决了通过相位对电阻率的求取,有利于进一步利用相位信息提高含水层和含水率反演的精度。      

核磁共振坑道水探测中的激发场研究

研究利用线圈在地下坑道中进行涌水超前探测的激发场计算方法,分析了地磁场倾角和线圈朝向对激发场计算的影响,推演出了线圈在任意地磁场倾角、任意水平朝向、任意垂直朝向、任意线圈半径和匝数时辐射空间内任意点激发场的计算方法;推演出了距离线圈不同位置点激发场数值随线圈旋转角度的变化规律.通过比较1m半径圆形线圈超前探测50m深度与100m边长方形平铺线圈向下探测100m深度的激发场,计算出了探测50m深度时,1m半径圆形线圈顺时针旋转时不同位置处激发场的大小,得出了线圈匝数的设计方法.仿真结果可为实际应用中根据线圈摆放角度与探测深度设计匝数提供参考.     

基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法

基于等值反磁通原理的瞬变电磁法是一种新的探测地下纯二次场的方法.该方法采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源,且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上,测量对地中心耦合的纯二次场.理论计算和物理实验论证了该方法能够有效消除接收线圈本身的感应电动势,从而获得地下纯二次场的响应.理论推导和数值计算证明了该方法采用的双线圈源比传统瞬变电磁法采用的单线圈源对地中心耦合场能量更集中,因而有利于减少旁侧影响、提高探测的横向分辨率.实测试验表明该方法是浅层探测的一种有效方法.     

基于多匝环形线圈的核磁共振信号响应计算与试验研究

核磁共振接收信号的质量主要受探测天线的传递特性影响,当传递特性较差时,严重影响测量效果.结合目前国内外核磁共振找水仪天线的研制情况,给出了接收天线传递特性的计算方法,根据数值计算结果讨论了影响传递特性的天线参数.利用吉林大学研制的核磁共振找水仪进行实际测试,结果证明与讨论结果一致.本文得出的传递特性影响因素和接收信号质量评估方法,可以为不同类型核磁共振找水仪天线的设计提供依据,将促使核磁共振方法在复杂地形环境找水及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

磁性条件下频率域航空电磁正演计算和成像研究

频率域航空电磁响应计算中,如何计算积分方程是频率域航空电磁法正演计算的难点,本文把电磁响应计算公式分解成汉克尔变换式和普通积分或者超几何函数的两项之和,然后分析核函数中反射系数的衰减规律,通过对比线性滤波算法和直接数值积分法的积分效果,选择了120点线性滤波算法计算汉克尔变换,采用高密度方法在确保计算精度的条件下显著提高了频率域航空电磁响应计算效率.针对强磁性区域频率域航空电磁法反演问题,在传统相位矢量图只包含电阻率和飞行高度两个参数的基础上,添加了磁导率的计算,绘制了包含磁导率、电阻率、飞机飞行高度三个参数的三维相位矢量图,计算结果表明,三维相位矢量图插值可以用于简单的一维模型,反演速度快、效率高,有助于提高磁性区域地下目标体的探测准确率,对于强磁性区域航空电磁法视电阻率填图是一种行之有效的勘探方法.     

瞬变电磁测井原理研究——瞬态感应测井

本文提出的瞬态感应测井是一种以瞬变电磁激发为基础的感应测井方法.其工作波形是瞬态的:有一个主频并有一定的带宽.发射探头是线圈,激发的感应电动势与感应测井一样沿圆周方向.具体激发频谱取决于与其配合的声波测井压电换能器参数.当换能器是宽带时,激发的瞬变电磁场是宽带的,激发波形的电震荡周期比较少,测量的电磁感应波形的震荡周期也比较少.这些震荡波形从激发时刻便开始出现,只能够用同轴的线圈进行接收.同样,接收信号中也包含直接耦合信号和二次场信号,两者相差90°.当地层的电导率随频率改变时,接收波形中二次场的响应波形幅度和相位均发生改变.对接收波形可以参考感应或阵列感应测井的处理方法,用Doll几何因子进行设计.但是,需要面对不同频率的幅度和相位,增加解耦处理方法.相对于阵列感应测井,该测井方法有两个优点:能够测量一个频带内地层的电阻率,能够与阵列声波测井从探头结构上进行组合,便于测井系统的集成.     

含水溶洞的地面核磁共振响应数值模拟研究

针对目前水平层状含水层的地面核磁共振响应特征已研究的比较透彻,而含水溶洞的响应特征却鲜有涉及的现状,本文给出含水溶洞地面核磁共振响应的计算方法.在文中,作者使用华军对双重Bessel函数无限积分的计算方法,实现了大回线源激发磁场的快速计算.再通过对地面核磁共振正演公式的离散化,实现了三维结构含水体的地面核磁共振正演计算...     

均匀介质中MRS方法三维模型的核磁共振响应

MRS方法三维含水体的核磁共振正演计算涉及两个难点：①激发场表达式的快速计算,该表达式为包含双重Bessel函数乘积的积分式,将该表达式分为两个积分区间,第一积分区间应用贝塞尔函数的汉克尔函数表述式及其大宗量渐近特性,将其转化为Fourier正（余）弦变换,采用快速计算方法实现数值计算;另一积分区间的计算直接应用一般的数值积分算法即能获得较高的计算精度。②三维含水体的空间离散化,提供柱坐标和直角坐标中的两种离散方法,可对任意形状的三维含水体进行构建。在此基础上,开发出相应的正演程序,并进行几种常见的三维含水体的MRS正演,对其初始振幅曲线进行规律总结。结果表明,三维含水体的MRS振幅响应与层状含水层振幅响应类似,使用收发共圈的工作模式将难以辨别地下含水体的空间形态。     

直升机航空TEM中心回线线圈姿态校正的理论研究

在直升机航空电磁测量时,固定在吊舱内的发射-接收线圈受飞行速度、飞机颠簸、风向等影响,会发生旋转,导致线圈与大地之间的耦合发生变化,给测量的电磁数据带来姿态误差,因此,研究航空线圈姿态校正非常重要.本文在建立吊舱和大地系统双坐标系的基础上,确定了吊舱旋转时,双坐标系之间变量变换的旋转矩阵,推导出层状大地垂直圆线圈姿态变化时航空电磁响应的计算表达式,以及线圈发生摇摆、俯仰旋转时的电磁响应系数,仿真研究了线圈姿态变化对电磁测量的影响,提出了姿态误差的几何校正方法,为航空电磁测量数据的精确处理和解释奠定了理论基础.     

多面函数拟合区域垂直形变场中核函数的优化选择

应用4种核函数对3个不同地区的垂直形变场进行多面函数拟合比较,并通过外符合精度以及得到的实际等值线图来综合选择较优核函数。通过对比发现,锥面函数是一种很好的核函数,适应性较强,能较好地拟合出区域垂直形变场的升降变化,具有一定的实际应用价值。     

虚拟波场降速条件下电性源瞬变电磁垂直磁场分量的波场反变换方法

通过波场反变换从瞬变电磁信号中提取虚拟波场是定位电性界面和刻画地下导电目标形态的有效手段.波场反变换过程中,降低虚拟波场速度有利于改善虚拟波场对电性界面的分辨能力.然而,波场变换核函数随时间、虚拟时间以及虚拟波场速度变化的动态范围极大,且随虚拟波场降速而进一步扩大,造成波场反变换问题高度不适定,制约了虚拟波场提取的精度和效果.对此,在虚拟波场降速的条件下,本文以核函数在无穷区间上积分的解析解为准绳,通过最优化与数据拟合得到了经验公式,确定了波场反变换所需的最优积分区间;在适应采集时间与虚拟波场速度的同时,最大限度缩短了积分区间长度,降低了核函数变化的动态范围,压制了波场反变换方程的病态程度.此外,通过引入精细积分方法求解波场反变换方程,提高了波场反变换方程的求解精度.为验证方法的有效性与可靠性,对正演模拟的电性源瞬变电磁垂直磁场分量及其时间导数分量进行了波场反变换;结果回代后的拟合数据与正演数据的相对误差小于5%.在所提取的虚拟波场记录中观察到了合理的运动学特征,如实反映了低阻目标层深度、厚度和二次场观测时间范围的变化.在计算条件相同的前提下,通过降低虚拟波场速度,改善了波场反变换的精...     

阻尼系数对瞬变电磁观测信号的影响特征

通过对瞬变电磁接收线圈等效电路的深入分析,研究了接收系统分布参数与阻尼系数之间的关系,研究了不同阻尼系数瞬变电磁接收系统的性能特征：幅频特性、截止频率、冲激响应及阶跃响应,探讨了接收系统对地下地质体瞬变响应信号的影响特征,最后给出了实时计算临界阻尼电阻的方法.     

浅海底瞬变电磁法接收天线频率特性研究——带宽对浅层分辨的影响

运用电路理论建立接收线圈的等效电路;分析接收线圈的频率特性;探讨多匝小线圈的带宽对探测效果的影响,线圈的谐振频率较高,截止频率也相应较高,可以提高地下浅层的分辨率;设计一种高带宽多匝接收小线圈,通过对比高、低带宽接收线圈对同一断层进行的实测结果,阐明了接收线圈带宽在浅层瞬变电磁探测中的重要性.实验表明,高带宽的接收线圈会提高探测结果的浅层分辨率.