本發(fā)明涉及一種地球物理勘探在水利水電工程領(lǐng)域的探測裝置及成像方法，尤其是陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置及成像方法。

背景技術(shù)：
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核磁共振地下水探測方法(Magnetic Resonance Sounding,簡稱MRS方法)是一種直接的非破壞性的地球物理勘探方法，可以直接得到地下富水體位置及含水量。核磁共振探測方法相比與其它地球物理方法更加精準(zhǔn)，同時避免了鉆井的昂貴花費，成為地球物理探測方法中的一個重要研究方向。

磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)是目前比較成熟的成像應(yīng)用手段，并且廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)臨床檢測。

CN 104297807公開了一種“地下災(zāi)害水源探測磁共振成像裝置及探測和成像方法”，提供一種能夠提高成像分辨率的磁共振成像裝置和成像方法。實施方式所涉及的磁共振成像裝置，是由計算機(jī)經(jīng)接收機(jī)分別連接發(fā)射接收線圈和相位道線圈組,計算機(jī)經(jīng)主控單元分別連接接收機(jī)、脈沖發(fā)射機(jī)和梯度發(fā)射機(jī),脈沖發(fā)射機(jī)經(jīng)發(fā)射接收線圈與接收機(jī)連接,梯度發(fā)射機(jī)經(jīng)相位道線圈組與接收機(jī)連接,梯度發(fā)射機(jī)與頻率道線圈組連接構(gòu)成。計算機(jī)分析接收機(jī)上傳的采集信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對探測面直接成像,并分析地下災(zāi)害水源分布。該發(fā)明的有益之處是：增加主動梯度場,提高成像分辨率繞過了反演計算過程,提高了工作效率。但仍有一些不足：如在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，有著核磁共振信號與強(qiáng)背景噪聲相比很小，即信噪比很低的問題，對工作環(huán)境的適應(yīng)能力差。

CN102096112公開了一種“基于陣列線圈的核磁共振地下水探測儀及野外探測方法”，所述方法包括以下步驟：1)將多個小面積的接收線圈置于大面積的發(fā)射線圈之內(nèi)。2)在過發(fā)射線圈中心的直線上等間距鋪設(shè)接收線圈,用來完成二維地下水探測,或在發(fā)射線圈內(nèi)部和周邊鋪設(shè)陣列式接收線圈,用來完成三維地下水探測。該發(fā)明的有益之處是：用陣列線圈作為接收單元的天線,并且每個天線配備獨立的接收單元,不但可以實現(xiàn)高靈敏度采集和遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸,而且可以在復(fù)雜地形地貌上進(jìn)行鋪設(shè),提高了核磁共振探測在水平面上的精度,可以實現(xiàn)維和維地下水成像,能夠高效準(zhǔn)確地確定打井井位,減少打干井的風(fēng)險。

上述發(fā)明的核磁共振找水裝置針對特殊的需要和應(yīng)用場合均具有較高的測量精度和良好的測量效果,但都存在一些不足：如在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，有著核磁共振信號與強(qiáng)背景噪聲相比很小，即信噪比很低的問題，對工作環(huán)境的適應(yīng)能力差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于強(qiáng)背景噪聲環(huán)境的陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置；

本發(fā)明的另一目的是提供一種陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置的成像方法。

利用預(yù)極化線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然地磁場的預(yù)極化磁場，從而提高水體的整體磁化強(qiáng)度，采用磁場靈敏度極高的SQUID代替接收線圈采集信號，能夠探測到極微弱的地電信號，采集到更加精確的磁場信號，進(jìn)而提高了信噪比，實現(xiàn)可在強(qiáng)噪聲環(huán)境下進(jìn)行地下核磁共振探測的成像方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置，是由計算機(jī)1經(jīng)控制單元2、輸出可調(diào)的大功率電源3、大功率發(fā)射橋路5與預(yù)極化線圈6連接，控制單元2分別與接收機(jī)4和大功率發(fā)射橋路5連接，接收機(jī)4經(jīng)第1SQUID、第2SQUID、第3SQUID、第4SQUID與第5SQUID連接，第6SQUID經(jīng)第7SQUID、第8SQUID、第9SQUID與第10SQUID連接，第11SQUID經(jīng)第12SQUID、第13SQUID、第14SQUID與第15SQUID連接，第1SQUID經(jīng)第6SQUID、第11SQUID、第16SQUID、第17SQUID、第18SQUID、第19SQUID與第20SQUID連接構(gòu)成。

陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置的成像方法，包括以下步驟:

a、在測區(qū)內(nèi)選擇一探測點,以該探測點為中心鋪設(shè)預(yù)極化線圈6，在預(yù)極化線圈4的中心線上橫向等距地布置第1SQUID，第2SQUID，……第20SQUID；

b、計算機(jī)1通過串口線經(jīng)控制單元2控制輸出可調(diào)的大功率電源3，通過改變其輸出電壓的大小，來改變在預(yù)極化線圈4上的輸出脈沖矩的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的預(yù)極化磁場，通過不同強(qiáng)度磁場的極化，實現(xiàn)距離預(yù)極化線圈4不同遠(yuǎn)近水體的探測；

c、接收機(jī)4將核磁共振信號傳輸給計算機(jī)1，計算機(jī)1對核磁共振信號進(jìn)行參數(shù)提取，獲得弛豫時間、初始振幅e₀和頻率參數(shù)；

d、運用商用軟件COMSOL對地下3D空間進(jìn)行四面體形式剖分，將探測區(qū)域分為3個部分，A區(qū)域為探測重點區(qū)域的表面，該區(qū)域的分辨率半徑<1m，網(wǎng)格尺寸為1.08m；B區(qū)域為探測重點區(qū)域，淺層分辨率高，網(wǎng)格尺寸隨深度由小到大變化，最大生長率為1.1，并設(shè)置網(wǎng)格橫向尺寸與縱向尺寸的比例為20：1；C區(qū)域為探測區(qū)域的外圍區(qū)域，分辨率半徑較大，且隨著深度和橫向距離逐漸變大；

e、根據(jù)所鋪設(shè)的陣列式SQUID線圈計算出線圈的靈敏度核函數(shù)K；

f、地面MRS信號表達(dá)式利用線性矩陣形式表示：e₀＝Kw

其中，K為地面MRS響應(yīng)核函數(shù)；w為地下空間位置的含水量；e₀為核磁共振信號的初始振幅；

g、為尋找最優(yōu)的含水量分布，使其正演信號Kw與觀測信號的初始振幅e₀的差值最小，可用二階范數(shù)表示為：

其中，ψ_ε是數(shù)據(jù)的權(quán)值，可用觀測數(shù)據(jù)噪聲的不確定度計算獲得；

h、為獲得高分辨率且穩(wěn)定的成像結(jié)果，還需引入平滑限制條件：

其中，C是平滑度矩陣。因此，最終優(yōu)化問題可表述為：ψ＝ψ_d+λψ_m→min

其中，λ為正則化參數(shù)；

i、為解決優(yōu)化問題，將e₀＝Kw重新表示成迭代格式：w_k+1＝w_k+η_kΔw_k

其中，k是當(dāng)前迭代次數(shù)，η_k是搜索步長；

j、新的模型增量Δw_k可用高斯牛頓方法求解，對ψ求導(dǎo)可得：

其中，T代表矩陣的轉(zhuǎn)置；

k、每次迭代過程中，搜索步長η_k的選擇用來防止反演過程迭代過度。首先建立含有η_k值的正演計算表達(dá)式：f(η)＝K·(w_k+ηΔw_k)

然后通過對ψ_d(f(η))+λψ_m(η)求解最優(yōu)化子問題得到當(dāng)前迭代的最優(yōu)搜索步長η_k；

l、當(dāng)計算一系列λ時，數(shù)據(jù)吻合誤差Ψ_d與模型平滑度Ψ_m曲線呈現(xiàn)出L形狀，L曲線的“拐點”對應(yīng)的λ應(yīng)是權(quán)衡ψ_d與ψ_m的最優(yōu)值，而“拐點”的位置可由L曲線的最大曲率獲得。對于兩個函數(shù)(ψ_d(λ),ψ_m(λ))的曲率可由下式計算：

其中，ψ'和ψ”分別代表ψ_d與ψ_m對的一階λ導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)；

m、根據(jù)計算出的地下空間含水量矩陣w在Matlab上進(jìn)行成像。

有益效果：本發(fā)明公開的新型地面核磁共振探測裝置及方法，適用于環(huán)境噪聲強(qiáng)以及復(fù)雜地形地貌進(jìn)行地下水的探測。首先，利用預(yù)極化線圈產(chǎn)生預(yù)極化磁場的磁場強(qiáng)度是地磁場強(qiáng)度的幾十倍，從而對探測水體的整體磁化強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)，從根本上增大核磁共振信號；其次，采用磁場靈敏度極高的SQUID代替接收線圈采集信號，能夠探測到極微弱的地電信號，采集到更加精確的磁場信號。由于SQUID具有小型化的特點，這里鋪設(shè)多個接收SQUID來彌補(bǔ)SQUID接收信號截面積不足的缺點，同時，小型化解決了野外接收線圈攜帶以及接收不便的難題，并且可以根據(jù)所要探測地區(qū)的地形地貌選擇合理的接收鋪設(shè)方式。本發(fā)明的提出，解決了在強(qiáng)噪聲干擾情況下提取核磁共振信號難的問題，同時對野外接收方式進(jìn)行更合理的選擇，具有很大的現(xiàn)實意義。

附圖說明：

圖1是L曲線和對應(yīng)的曲率簡圖

圖2是陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置的結(jié)構(gòu)框圖

圖3是地下3D剖分區(qū)域示意圖

圖4是Einersberger湖的3D核磁共振地下水探測成像圖

1計算機(jī)，2控制單元，3大功率電源，4接收機(jī)，5大功率發(fā)射橋路，6預(yù)極化線圈。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

利用預(yù)極化線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然地磁場的預(yù)極化磁場，提高水體的整體磁化強(qiáng)度，采用磁場靈敏度極高的SQUID代替接收線圈采集信號，能夠探測到極微弱的地電信號，采集到更加精確的磁場信號，進(jìn)而提高了信噪比，反演得到在強(qiáng)噪聲環(huán)境下進(jìn)行的地下核磁共振探測圖像。

陣列式SQUID核磁共振地下水探測裝置，是由計算機(jī)1經(jīng)控制單元2、輸出可調(diào)的大功率電源3、大功率發(fā)射橋路5與預(yù)極化線圈6連接，控制單元2分別與接收機(jī)4和大功率發(fā)射橋路5連接，接收機(jī)4經(jīng)第1SQUID、第2SQUID、第3SQUID、第4SQUID與第5SQUID連接，第6SQUID經(jīng)第7SQUID、第8SQUID、第9SQUID與第10SQUID連接，第11SQUID經(jīng)第12SQUID、第13SQUID、第14SQUID與第15SQUID連接，第1SQUID經(jīng)第6SQUID、第11SQUID、第16SQUID、第17SQUID、第18SQUID、第19SQUID與第20SQUID連接構(gòu)成。

陣列式SQUID核磁共振地下水探測成像方法，包括以下步驟：

a、在測區(qū)內(nèi)選擇一探測點,以該探測點為中心鋪設(shè)預(yù)極化線圈4，在預(yù)極化線圈4的中心線上橫向等距地布置第1SQUID，第2SQUID，……直至第20SQUID；

b、計算機(jī)1通過串口線經(jīng)控制單元2控制輸出可調(diào)的大功率電源3，通過改變其輸出電壓的大小，來改變在預(yù)極化線圈4上的輸出脈沖矩的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的預(yù)極化磁場，通過不同強(qiáng)度磁場的極化，實現(xiàn)距離預(yù)極化線圈4不同遠(yuǎn)近水體的探測；

c、接收機(jī)4強(qiáng)將核磁共振信號傳輸給計算機(jī)1，計算機(jī)1對核磁共振信號進(jìn)行特征參數(shù)提取，獲得弛豫時間、初始振幅e₀、頻率參數(shù)；

d、運用商用軟件COMSOL對地下3D空間進(jìn)行四面體形式剖分。為保證反演精度，將探測區(qū)域分為3個部分。其中A區(qū)域為探測重點區(qū)域的表面，該區(qū)域的分辨率半徑最小(<1m)因此采用均分剖分，網(wǎng)格尺寸為1.08m；

B區(qū)域為探測重點區(qū)域，淺層分辨率高，網(wǎng)格尺寸隨深度由小到大變化，最大生長率為1.1，并設(shè)置網(wǎng)格橫向尺寸與縱向尺寸的比例為20：1；

C區(qū)域為探測區(qū)域的外圍區(qū)域，分辨率半徑較大，且隨著深度和橫向距離逐漸變大；

e、根據(jù)所鋪設(shè)的陣列式SQUID線圈計算出線圈的靈敏度核函數(shù)K；

f、地面MRS信號表達(dá)式利用線性矩陣形式表示：e₀＝Kw

其中，K為地面MRS響應(yīng)核函數(shù)；w為地下空間位置的含水量；e₀為核磁共振信號的初始振幅；

g、為尋找最優(yōu)的含水量分布，使其正演信號Kw與觀測信號的初始振幅e0的差值最小，可用二階范數(shù)表示為：

其中，ψ_ε是數(shù)據(jù)的權(quán)值，可用觀測數(shù)據(jù)噪聲的不確定度計算獲得；

h、為獲得高分辨率且穩(wěn)定的成像結(jié)果，還需引入平滑限制條件：其中，C是平滑度矩陣。因此，最終優(yōu)化問題可表述為ψ＝ψ_d+λψ_m→min，λ為正則化參數(shù)；

i、為解決優(yōu)化問題，將e₀＝Kw重新表示成迭代格式：w_k+1＝w_k+η_kΔw_k

其中，k是當(dāng)前迭代次數(shù)，η_k是搜索步長；

j、新的模型增量Δw_k可用高斯牛頓方法求解，對ψ求導(dǎo)可得：

其中，T代表矩陣的轉(zhuǎn)置；

k、每次迭代過程中，搜索步長η_k的選擇用來防止反演過程迭代過度。首先建立含有η_k值的正演計算表達(dá)式：f(η)＝K·(w_k+ηΔw_k)，然后通過對ψ_d(f(η))+λψ_m(η)求解最優(yōu)化子問題得到當(dāng)前迭代的最優(yōu)搜索步長η_k；

l、當(dāng)計算一系列λ時，數(shù)據(jù)吻合誤差Ψ_d與模型平滑度Ψ_m曲線呈現(xiàn)出L形狀，L曲線的“拐點”對應(yīng)的λ應(yīng)是權(quán)衡ψ_d與ψ_m的最優(yōu)值，而“拐點”的位置可由L曲線的最大曲率獲得。對于兩個函數(shù)(ψ_d(λ),ψ_m(λ))的曲率可由下式計算：

其中，ψ'和ψ”分別代表ψ_d與ψ_m對的一階λ導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)；

m、根據(jù)計算出的地下空間含水量矩陣w在Matlab上進(jìn)行成像。