[发明专利]阵列式SQUID核磁共振地下水探测装置及成像方法

摘要

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。

主权项

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。