CN106873044B - 阵列式squid核磁共振地下水探测装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法，是由计算机经控制单元、大功率电源、大功率发射桥路与预极化线圈连接，控制单元分别与接收机和大功率发射桥路连接，接收机经第1SQUID乃至第20SQUID连接构成。本发明利用预极化场对探测的水体极化，提高了水体的宏观磁化强度，同时采用阵列式的SQUID接收模式，可以探测到极微弱的地电信号，从而获得更大的核磁共振信号初始振幅，得到在强噪声环境下地下核磁共振探测图像。解决了野外接收线圈携带以及接收不便的难题，可根据所要探测地区的地形地貌选择合理的接收铺设方式。提高了寻找地下水的效率，降低了钻井探测所需要成本，有利于在复杂地形地貌和强噪声环境下对探测区域的地下水探测。

Description

阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探在水利水电工程领域的探测装置及成像方法，尤其是阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法。

背景技术：

核磁共振地下水探测方法(Magnetic Resonance Sounding,简称MRS方法)是一种直接的非破坏性的地球物理勘探方法，可以直接得到地下富水体位置及含水量。核磁共振探测方法相比与其它地球物理方法更加精准，同时避免了钻井的昂贵花费，成为地球物理探测方法中的一个重要研究方向。

磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)是目前比较成熟的成像应用手段，并且广泛应用于物理、化学、生物及医学临床检测。

CN 104297807公开了一种“地下灾害水源探测磁共振成像装置及探测和成像方法”，提供一种能够提高成像分辨率的磁共振成像装置和成像方法。实施方式所涉及的磁共振成像装置，是由计算机经接收机分别连接发射接收线圈和相位道线圈组,计算机经主控单元分别连接接收机、脉冲发射机和梯度发射机,脉冲发射机经发射接收线圈与接收机连接,梯度发射机经相位道线圈组与接收机连接, 梯度发射机与频率道线圈组连接构成。计算机分析接收机上传的采集信号进行数据处理,对探测面直接成像,并分析地下灾害水源分布。该发明的有益之处是：增加主动梯度场,提高成像分辨率绕过了反演计算过程,提高了工作效率。但仍有一些不足：如在强噪声环境下，有着核磁共振信号与强背景噪声相比很小，即信噪比很低的问题，对工作环境的适应能力差。

CN102096112公开了一种“基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法”，所述方法包括以下步骤：1)将多个小面积的接收线圈置于大面积的发射线圈之内。2)在过发射线圈中心的直线上等间距铺设接收线圈,用来完成二维地下水探测,或在发射线圈内部和周边铺设阵列式接收线圈,用来完成三维地下水探测。该发明的有益之处是：用阵列线圈作为接收单元的天线,并且每个天线配备独立的接收单元,不但可以实现高灵敏度采集和远距离的数据传输,而且可以在复杂地形地貌上进行铺设,提高了核磁共振探测在水平面上的精度,可以实现维和维地下水成像,能够高效准确地确定打井井位,减少打干井的风险。

上述发明的核磁共振找水装置针对特殊的需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果,但都存在一些不足：如在强噪声环境下，有着核磁共振信号与强背景噪声相比很小，即信噪比很低的问题，对工作环境的适应能力差。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于强背景噪声环境的阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置；

本发明的另一目的是提供一种阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置的成像方法。

利用预极化线圈产生的磁场强度远远大于天然地磁场的预极化磁场，从而提高水体的整体磁化强度，采用磁场灵敏度极高的SQUID代替接收线圈采集信号，能够探测到极微弱的地电信号，采集到更加精确的磁场信号，进而提高了信噪比，实现可在强噪声环境下进行地下核磁共振探测的成像方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置，是由计算机1经控制单元2、输出可调的大功率电源3、大功率发射桥路5与预极化线圈6连接，控制单元2 分别与接收机4和大功率发射桥路5连接，接收机4经第1SQUID、第2SQUID、第3SQUID、第4SQUID与第5SQUID连接，第6SQUID经第7SQUID、第 8SQUID、第9SQUID与第10SQUID连接，第11SQUID经第12SQUID、第13SQUID、第14SQUID与第15SQUID连接，第1SQUID经第6SQUID、第11SQUID、第16SQUID、第17SQUID、第18SQUID、第19SQUID 与第20SQUID连接构成。

阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置的成像方法，包括以下步骤:

a、在测区内选择一探测点,以该探测点为中心铺设预极化线圈6，在预极化线圈6的中心线上横向等距地布置第1SQUID，第2SQUID，……第20 SQUID；

b、计算机1通过串口线经控制单元2控制输出可调的大功率电源3，通过改变其输出电压的大小，来改变在预极化线圈6上的输出脉冲矩的大小，即产生不同强度的预极化磁场，通过不同强度磁场的极化，实现距离预极化线圈6不同远近水体的探测；

c、接收机4将核磁共振信号传输给计算机1，计算机1对核磁共振信号进行参数提取，获得弛豫时间、初始振幅e₀和频率参数；

d、运用商用软件COMSOL对地下3D空间进行四面体形式剖分，将探测区域分为三个部分，A区域为探测重点区域的表面，该区域的分辨率半径<1m，网格尺寸为1.08m；B区域为探测重点区域，浅层分辨率高，网格尺寸随深度由小到大变化，最大生长率为1.1，并设置网格横向尺寸与纵向尺寸的比例为 20：1；C区域为探测区域的外围区域，分辨率半径较大，且随着深度和横向距离逐渐变大；

e、根据所铺设的阵列式SQUID线圈计算出线圈的灵敏度核函数K；

f、地面MRS信号表达式利用线性矩阵形式表示：e₀＝Kw

其中，K为地面MRS响应核函数；w为地下空间位置的含水量；e₀为核磁共振信号的初始振幅；

g、为寻找最优的含水量分布，使其正演信号Kw与观测信号的初始振幅e₀的差值最小，能够用二阶范数表示为：

其中，D_ε是数据的权值，能够用观测数据噪声的不确定度计算获得；

h、为获得高分辨率且稳定的成像结果，还需引入平滑限制条件：

其中，C是平滑度矩阵，因此，最终优化问题能表述为：ψ＝ψ_d+λψ_m→min

其中，λ为正则化参数；

i、为解决优化问题，将e₀＝Kw重新表示成迭代格式：w_k+1＝w_k+η_kΔw_k

其中，k是当前迭代次数，η_k是搜索步长；

j、新的模型增量Δw_k能用高斯牛顿方法求解，对ψ求导可得：

其中，T代表矩阵的转置；

k、每次迭代过程中，搜索步长η_k的选择用来防止反演过程迭代过度，首先建立含有η_k值的正演计算表达式：f(η)＝K·(w_k+ηΔw_k)

然后通过对ψ_d(f(η))+λψ_m(η)求解最优化子问题得到当前迭代的最优搜索步长η_k；

l、当计算一系列λ时，数据吻合误差Ψ_d与模型平滑度Ψ_m曲线呈现出L形状，L曲线的“拐点”对应的λ应是权衡ψ_d与ψ_m的最优值，而“拐点”的位置能由L曲线的最大曲率获得，对于两个函数(ψ_d(λ),ψ_m(λ))的曲率能由下式计算：

其中，ψ'和ψ”分别代表ψ_d与ψ_m对的一阶λ导数和二阶导数；

m、根据计算出的地下空间含水量矩阵w在Matlab上进行成像。

有益效果：本发明公开的新型地面核磁共振探测装置及方法，适用于环境噪声强以及复杂地形地貌进行地下水的探测。首先，利用预极化线圈产生预极化磁场的磁场强度是地磁场强度的几十倍，从而对探测水体的整体磁化强度进行增强，从根本上增大核磁共振信号；其次，采用磁场灵敏度极高的SQUID代替接收线圈采集信号，能够探测到极微弱的地电信号，采集到更加精确的磁场信号。由于SQUID具有小型化的特点，这里铺设多个接收SQUID来弥补SQUID接收信号截面积不足的缺点，同时，小型化解决了野外接收线圈携带以及接收不便的难题，并且可以根据所要探测地区的地形地貌选择合理的接收铺设方式。本发明的提出，解决了在强噪声干扰情况下提取核磁共振信号难的问题，同时对野外接收方式进行更合理的选择，具有很大的现实意义。

附图说明：

图1是L曲线和对应的曲率简图

图2是阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置的结构框图

图3是地下3D剖分区域示意图

图4是Einersberger湖的3D核磁共振地下水探测成像图

1计算机，2控制单元，3大功率电源，4接收机，5大功率发射桥路，6 预极化线圈。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

利用预极化线圈产生的磁场强度远远大于天然地磁场的预极化磁场，提高水体的整体磁化强度，采用磁场灵敏度极高的SQUID代替接收线圈采集信号，能够探测到极微弱的地电信号，采集到更加精确的磁场信号，进而提高了信噪比，反演得到在强噪声环境下进行的地下核磁共振探测图像。

阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置，是由计算机1经控制单元2、输出可调的大功率电源3、大功率发射桥路5与预极化线圈6连接，控制单元2 分别与接收机4和大功率发射桥路5连接，接收机4经第1SQUID、第2SQUID、第3SQUID、第4SQUID与第5SQUID连接，第6SQUID经第7SQUID、第 8SQUID、第9SQUID与第10SQUID连接，第11SQUID经第12SQUID、第13SQUID、第14SQUID与第15SQUID连接，第1SQUID经第6SQUID、第11SQUID、第16SQUID、第17SQUID、第18SQUID、第19SQUID 与第20SQUID连接构成。

阵列式SQUID核磁共振地下水探测成像方法，包括以下步骤：

a、在测区内选择一探测点,以该探测点为中心铺设预极化线圈6，在预极化线圈6的中心线上横向等距地布置第1SQUID，第2SQUID，……第20 SQUID；

b、计算机1通过串口线经控制单元2控制输出可调的大功率电源3，通过改变其输出电压的大小，来改变在预极化线圈6上的输出脉冲矩的大小，即产生不同强度的预极化磁场，通过不同强度磁场的极化，实现距离预极化线圈6不同远近水体的探测；

c、接收机4将核磁共振信号传输给计算机1，计算机1对核磁共振信号进行参数提取，获得弛豫时间、初始振幅e₀和频率参数；

d、运用商用软件COMSOL对地下3D空间进行四面体形式剖分，将探测区域分为三个部分，A区域为探测重点区域的表面，该区域的分辨率半径<1m，网格尺寸为1.08m；B区域为探测重点区域，浅层分辨率高，网格尺寸随深度由小到大变化，最大生长率为1.1，并设置网格横向尺寸与纵向尺寸的比例为 20：1；C区域为探测区域的外围区域，分辨率半径较大，且随着深度和横向距离逐渐变大；

e、根据所铺设的阵列式SQUID线圈计算出线圈的灵敏度核函数K；

f、地面MRS信号表达式利用线性矩阵形式表示：e₀＝Kw

其中，K为地面MRS响应核函数；w为地下空间位置的含水量；e₀为核磁共振信号的初始振幅；

g、为寻找最优的含水量分布，使其正演信号Kw与观测信号的初始振幅e₀的差值最小，能够用二阶范数表示为：

其中，D_ε是数据的权值，能够用观测数据噪声的不确定度计算获得；

h、为获得高分辨率且稳定的成像结果，还需引入平滑限制条件：

其中，C是平滑度矩阵，因此，最终优化问题能表述为：ψ＝ψ_d+λψ_m→min

其中，λ为正则化参数；

i、为解决优化问题，将e₀＝Kw重新表示成迭代格式：w_k+1＝w_k+η_kΔw_k

其中，k是当前迭代次数，η_k是搜索步长；

j、新的模型增量Δw_k能用高斯牛顿方法求解，对ψ求导可得：

其中，T代表矩阵的转置；

k、每次迭代过程中，搜索步长η_k的选择用来防止反演过程迭代过度，首先建立含有η_k值的正演计算表达式：f(η)＝K·(w_k+ηΔw_k)

然后通过对ψ_d(f(η))+λψ_m(η)求解最优化子问题得到当前迭代的最优搜索步长η_k；

l、当计算一系列λ时，数据吻合误差Ψ_d与模型平滑度Ψ_m曲线呈现出L形状，L曲线的“拐点”对应的λ应是权衡ψ_d与ψ_m的最优值，而“拐点”的位置能由L曲线的最大曲率获得，对于两个函数(ψ_d(λ),ψ_m(λ))的曲率能由下式计算：

其中，ψ'和ψ”分别代表ψ_d与ψ_m对的一阶λ导数和二阶导数；

m、根据计算出的地下空间含水量矩阵w在Matlab上进行成像。

Claims (1)

1.一种采用阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置的成像方法，其特征在于，所述阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置由计算机(1)经控制单元(2)、输出可调的大功率电源(3)、大功率发射桥路(5)与预极化线圈(6)连接，控制单元(2)分别与接收机(4)和大功率发射桥路(5)连接，接收机(4)经第1SQUID、第2SQUID、第3SQUID、第4SQUID与第5SQUID连接，第6SQUID经第7SQUID、第8SQUID、第9SQUID与第10 SQUID连接，第11 SQUID经第12 SQUID、第13 SQUID、第14 SQUID与第15 SQUID连接，第1SQUID经第6SQUID、第11 SQUID、第16 SQUID、第17 SQUID、第18 SQUID、第19 SQUID与第20 SQUID连接；

所述成像方法包括以下步骤:

a、在测区内选择一探测点,以该探测点为中心铺设预极化线圈(6)，在预极化线圈(6)的中心线上横向等距地布置第1SQUID，第2SQUID，……第20SQUID；

b、计算机(1)通过串口线经控制单元(2)控制输出可调的大功率电源(3)，通过改变其输出电压的大小，来改变在预极化线圈(6)上的输出脉冲矩的大小，即产生不同强度的预极化磁场，通过不同强度磁场的极化，实现距离预极化线圈(6)不同远近水体的探测；

c、接收机(4)将核磁共振信号传输给计算机(1)，计算机(1)对核磁共振信号进行参数提取，获得弛豫时间、初始振幅e₀和频率参数；

d、运用商用软件COMSOL对地下3D空间进行四面体形式剖分，将探测区域分为三个部分，A区域为探测重点区域的表面，该区域的分辨率半径<1m，网格尺寸为1.08m；B区域为探测重点区域，浅层分辨率高，网格尺寸随深度由小到大变化，最大生长率为1.1，并设置网格横向尺寸与纵向尺寸的比例为20：1；C区域为探测区域的外围区域，分辨率半径较大，且随着深度和横向距离逐渐变大；

e、根据所铺设的阵列式SQUID线圈计算出线圈的灵敏度核函数K；

f、地面MRS信号表达式利用线性矩阵形式表示：e₀＝Kw

其中，K为地面MRS响应核函数；w为地下空间位置的含水量；e₀为核磁共振信号的初始振幅；

g、为寻找最优的含水量分布，使其正演信号Kw与观测信号的初始振幅e₀的差值最小，能够用二阶范数表示为：

其中，D_ε是数据的权值，能够用观测数据噪声的不确定度计算获得；

h、为获得高分辨率且稳定的成像结果，还需引入平滑限制条件：

其中，C是平滑度矩阵，因此，最终优化问题能表述为：ψ＝ψ_d+λψ_m→min

其中，λ为正则化参数；

i、为解决优化问题，将e₀＝Kw重新表示成迭代格式：w_k+1＝w_k+η_kΔw_k

其中，k是当前迭代次数，η_k是搜索步长；

j、新的模型增量Δw_k能用高斯牛顿方法求解，对ψ求导得：

其中，T代表矩阵的转置；

k、每次迭代过程中，搜索步长η_k的选择用来防止反演过程迭代过度，首先建立含有η_k值的正演计算表达式：f(η)＝K·(w_k+ηΔw_k)

然后通过对ψ_d(f(η))+λψ_m(η)求解最优化子问题得到当前迭代的最优搜索步长η_k；

l、当计算一系列λ时，数据吻合误差ψ_d与模型平滑度ψ_m曲线呈现出L形状，L曲线的“拐点”对应的λ是权衡ψ_d与ψ_m的最优值，而“拐点”的位置能由L曲线的最大曲率获得，对于两个函数(ψ_d(λ),ψ_m(λ))的曲率能由下式计算：

其中，ψ'和ψ”分别代表ψ_d与ψ_m对的一阶λ导数和二阶导数；

m、根据计算出的地下空间含水量矩阵w在Matlab上进行成像。