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.     

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.     

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论：当探测目标前方地层的电阻率小于10 Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10 Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.     

地下工程灾害水源的磁共振探测研究

地面磁共振探测(Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS)是近年来发展起来的一种地球物理新方法,这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术,不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价,还可以在地下水引起的堤坝渗漏、滑坡、海水入侵等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用.本文首次提出了地下磁共振探测方法(Underground Magnetic Resonance Sounding,UMRS),将SMRS方法引入到地下工程领域,实现隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间极端环境的探测.为应用UMRS方法,需要深入研究地下水超前探测理论、准全空间处理与反演方法、旋转多匝小线圈探测模式,强电磁干扰环境自适应噪声压制策略、以及复杂地质环境磁共振与瞬变电磁联合探测关键技术等难题.论文还简要介绍了超导磁探测技术和工程盾构及掘进实时探测等新技术在地下工程生产安全探测预警中的应用前景.     

隧道磁共振全弛豫信号三维反演研究

磁共振探测反演近些年得到较多的关注.传统的磁共振反演多为基于地面大线圈采集,基于初始振幅的反演,这种方法未考虑地下复杂的多孔地质环境,且限制了磁共振方法的应用范围.针对上述问题,本文尝试建立了基于隧道磁共振全弛豫信号的三维反演方法,在传统的磁共振三维正演核函数基础上,加入指数衰减项,在充分考虑地下电阻率不均匀体的情况下,采用有限元方法模拟了磁共振全弛豫信号响应.针对三维磁共振灵敏度矩阵的病态性和隧道中的电磁干扰,建立了考虑罚项的最小二乘目标函数,并结合实际对函数的解加以约束,利用基于不等式约束的最优化算法实现了三维反演.模型计算表明:本文的三维反演效果良好,不仅能实现掌子面前方含水异常体定位,而且能给出不同弛豫时间下的含水量信息,从而间接获知灾害水赋存状态,为隧道磁共振数据处理提供了一个可供借鉴的方法.     

大容量气枪震源子波激发特性分析

大容量气枪水库激发作为陆地震源的可行性与有效性已经得到成功验证.为进一步提高气枪震源激发效果,本文通过水库气枪激发试验对单枪容量为2000 in³的气枪震源激发子波特征及规律进行了研究.依据近场水听器和远场短周期地震仪记录数据,分析气枪震源沉放深度、工作压力等不同激发条件对压力脉冲和气泡脉冲的影响.有助于人们根据不同尺度地下结构探测对震源激发信号的要求,调整气枪激发参数和激发环境,获得最佳激发效果.试验结果表明：（1）沉放深度对压力脉冲波形影响较小,其优势频率不随沉放深度而改变;（2）随着沉放深度从5 m增加到11 m,气泡脉冲的优势频率由5 Hz增加至7 Hz,其最大振幅亦近线性递增;（3）工作压力越大,激发压力脉冲能量越强,而对气泡脉冲的影响主要体现在主频降低.适合远距离深穿透地下结构探测的低频信号主要来自大容量气枪所激发气泡的反复振荡,由于气枪振荡过程非常复杂,本文通过较为简洁的数学和物理模型进行了解释.     

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.     

我国工程多波地震勘探研究与应用现状

从矿井和隧道超前探测、工程地质灾害勘探和工程抗震、工程质量无损检测以及岩石物性测定几个方面对工程多波地震勘探思想、理论和方法的研究和应用现状作了详细的综述和评价．具体内容包括:煤田陷落柱、地下巷道、地下空洞及隧道前方断层的探测；地面岩溶塌陷、活动断裂的探测、地下生命线工程抗震；桩基质量与承载力动态无损检测、混凝土道路路面强度、厚度、缺陷的无损检测、水底隧道工程质量无损检测和高温高压下岩石物性测定、异形标本物性测定．并对目前存在的问题进行了讨论，提出了今后发展的方向.      

瞬变电磁法圆锥型场源特征与电感效应（英文）

应用于煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测的瞬变电磁法常采用多匝小线圈装置,但是多匝线圈装置的互感耦合大,关断时间长,使探测的浅部"盲区"增大。为此,提出了一种圆锥型场源装置,推导了该装置内各匝线圈半径的计算公式。采用理论解析式对均匀介质中圆锥型场源一次场、二次场特征进行了计算分析,对圆锥型场源与多匝线圈互感系数进行了比较;应用快速汉克尔变换和改进的余弦变换数值滤波法,基于叠加原理的思想讨论了圆锥型场源下瞬变电磁正演方法,并以H型和KH型地电模型为例对正演结果进行了"烟圈"反演分析。研究表明:对于等效磁矩为926.1A·m~2的多匝回线和圆锥型场源,前者的互感约为后者的9倍;增大圆锥型场源的高度可减小互感系数,但其底半径的进一步变化对互感影响有限。圆锥型场源一、二次场特征与多匝线圈相似,但其二次场和总场暂态响应强于多匝线圈。所提出的综合视电阻率方法适用于圆锥型场源计算,正演结果和"烟圈"反演结果与初始模型的吻合性良好。本文研究成果为减小瞬变电磁探测"盲区"提供一种选择,也为装置组合形式和非线性反演技术等后续研究提供理论参考。     

矿井瞬变电磁法超前探测合成孔径成像研究

在矿井瞬变电磁超前探测数据处理和解释中,为了更好地识别巷道前方含水体电性分界面,利用扩散场与波动场间的函数关系,将矿井瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场,实现波场转换.同时,为了解决波场转换后信号幅值偏弱,以增加信噪比利于解释,利用雷达的合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理.将矿井瞬变电磁法巷道超前探测的同一测点不同探测方向的数据作为孔径数据进行合成孔径成像,以突出弱异常而提高信噪比,结合应用实例验证了方法的效果.研究表明,矿井瞬变电磁法合成孔径成像方法能够提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率,对矿井瞬变电磁法精细超前探测含水构造具有重要的理论意义和应用价值.     

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.     

The underground application of Magnetic Resonance Soundings

The potential application of MRS technology in locating waterbearing fractures in underground mines is studied. The determination of the presence of water ahead of mining is important to prevent accidents and to ensure higher efficiency in mining operations. In the usual surface based measurements, with horizontal loop and water layer, the geometry of the problem can be summarized by the value of the inclination of the Earth magnetic field. For MRS measurements under the geometric conditions associated with underground mining, where the loop is non-horizontal, the geometry can be described in an effective inclination that can be expressed in terms of the Earth magnetic inclination and declination, together with two further parameters that characterize the orientation of the mine wall. We examine the consequences of the different geometries on the MRS signal. Since the loop size is severely restricted in underground conditions, the feasible target depth is also severely limited. The consequences of the fractured hard rock aquifer conditions, typical of deep mining or tunneling environments, are also examined. The overall conclusion is that in underground MRS applications the signal strength is too small to enable the practical identification of fractures containing large volumes of water ahead of the mining face.     

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.     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

核磁共振测深方法的新进展

核磁共振测深(MRS)方法是目前唯一直接探查地下水的新方法.本文概要介绍了参加第二届核磁共振测深(MRS)国际学术研讨会的主要收获.阐述了核磁共振找水仪的研制和进展以及扩大了MRS方法的应用领域方面的情况.在应用MRS方法探测地下水取得很大成效的此基础上,我们率先用MRS方法进行了三峡滑坡监测和秦始皇陵考古工作,又取得了新成果.     

Inversion of resistivity in Magnetic Resonance Sounding

Magnetic Resonance Sounding (MRS, or Surface Nuclear Magnetic Resonance - SNMR) is used for groundwater exploration and aquifer characterization. Since this is an electromagnetic method, the excitation magnetic field depends on the resistivity of the subsurface. Therefore, the resistivity has to be taken into account in the inversion: either as a priori information or as an inversion parameter during the inversion process, as introduced in the presented paper. Studies with synthetic data show that water content and resistivity can be resolved for a low resistive aquifer even using only the amplitude of the MRS signal. However, the inversion result can be significantly improved using amplitude and phase of the MRS signal. The successful implementation of the inversion for field data shows that the resistivities derived from MRS are comparable to those from conventional geoelectric methods such as DC resistivity and transient electromagnetic. By having information about both the resistivity and the water content, MRS inversions give information about the quality of the water in the aquifer. This is of utmost interest in hydrogeological studies as this specific information cannot be determined solely by geoelectric measurements, due to the nonunique dependence of resistivity on water content and salinity.     

同心补偿式直升机时间域航空电磁法吊舱校准装置研究

直升机间域航空电磁法(Helicopter-borne time-domain electromagnetic method,HTEM)的多次空中仪器校准可消除飞行过程中仪器系统受外界环境的时变影响.吊舱校准装置可解决地面环线方式无法实现的空中飞行过程中仪器校准问题.本文从研究同心补偿吊舱装置模型出发,提出了吊舱装置空...