摘要
在近地表水文勘探领域，磁共振(Magnetic Resonance Sounding,MRS)技术具有定性定量探测地下水的优势，能够反演解释含水量、介质孔隙度等水文地质参数。近年来，该项技术在城市工程建设、地下工程水源性地质灾害预警方面显示出良好的应用前景。然而，MRS技术受限于地磁场（~0.05mT）测量环境以及交变电流场的激励方式（AC），信号极其微弱，仅达到纳伏级（10-9V）。“低信噪比难题”是MRS技术进一步发展与应用的瓶颈。国内外大量的文献均采用噪声压制的方法提高信噪比，然而，受限于传统方法在时频域识别有效信号的难度，特别是在复杂环境下，噪声压制效果并不理想。因此，如何从原理上提升MRS探测信噪比及分辨率，是该技术向更多领域拓展的关键。 近年来，本课题组提出了地面MRS预极化技术，通过直流（DC）激发的方式增加背景场强，突破地磁场测量环境限制，显著提高了信号幅度，并搭建了仪器原理样机。然而，地下水体存在预极化场不均匀激励的各向异性，在高精度正演建模及增强有效勘探范围等方面仍需深入的研究与探索。因此，本文以完善预极化MRS正演理论、研发适应强噪声干扰环境的高分辨率探测方法为核心，探索了预极化MRS信号响应机理，提出了系列预极化MRS正演模拟算法，实现了相应的信号增强关键技术，通过野外实测结果验证了相关研究内容的有效性及可靠性。具体如下： (1)发展了基于预极化场的MRS高精度正演建模方法，为正反演方法的实施提供理论支撑。结合有限元及Curie定律，推导并构建了预极化MRS信号响应表达式及正演模拟方法。为了缓解预极化系统散热问题、充分利用预极化发射功率，同时根据热功率原理推导了系统生热与探测配置关系，提出了多源预极化测量模式，能够更大程度提升MRS探测灵敏度及分辨率。 (2)推导了预极化场发射系统平稳及非平稳关断方程，为系统设计提供理论指导。由于预极化场关断过程直接影响MRS信号提升幅度，基于非均匀预极化场分布情况，推导了其硬件关断控制需满足的条件，证实了仅通过硬件电路设计难以实现理想关断状态。针对该问题，本文基于现有仪器系统关断电路设计，引入地下水磁化强度随磁场衰减的Bloch方程，结合该方程求解结果计算地下水磁化强度分布，实现预极化MRS正演建模，能够有效提升预极化MRS浅层建模及数据解释精度。 (3)提出了直流预极化与交流场扫频变幅的绝热脉冲联合探测方案，攻克了单独使用预极化场作用范围浅的技术瓶颈。结合非均匀预极化场与绝热脉冲变幅、变频特性，推导并构建了其信号响应公式及正演计算方法。由于绝热激发磁化强度扳倒动力学过程复杂、计算量过大，同时引入实时旋转矩阵技术及插值方案有效提升正演计算效率。最终，基于上述理论推导，验证了预极化与绝热联合探测能够进一步提升探测深度及信号增强幅度，在高噪声情况下具有更为理想的分辨率。 最后，利用本文提出的预极化MRS信号增强关键技术在长春市郊区、市中心环境进行了实测实验，通过与传统方法对比，验证了预极化MRS明显提升了数据信噪比，能够实现强干扰环境下的有效探测，解释结果与真实情况相符。综上所述，本文研究内容进一步提升了MRS技术的可靠性及实用性，对该技术进一步拓展、应用具有重要意义。
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