基于预极化场的地面磁共振接收系统研制

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1、分类号：ＴＨ７６３单位代码：１０１８３：２０１５５５２０１３密级研究生学号：公开吉林大学硕士学位论文学术学位（）基于预极化场的地面磁共振接收系统研制Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍａｎｅｔｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｒｅｃｅｖｎｐｇｉｉｉｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｐｒｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ作者姓名：杜文元专业：测试计量技术及仪器研究方向：磁共振探测技术及仪器指导教师：林婷婷教授培养单位：仪器科学与电气工程学院２０１８年６月未经本论文作者的书面授权，

2、依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、、修改发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则。，应承担侵权的法律责任吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法

3、律结果由本人承担。学位论文作者签名Ｉ日期：：＾丨？年欠月Ｍ日—————————————————————基于预极化场的地面磁共振接收系统研制—————————————————————Developmentofsurfacemagneticresonancereceivingsystembasedonprepolarizationfield作者姓名：杜文元专业名称：测试计量技术及仪器指导教师：林婷婷教授学位类别：工学硕士答辩日期：2018年6月摘要摘要基于预极化场的地面磁共振接收系统研制我国淡水资源极为匮乏，高效准确地探测地下可

4、利用的淡水资源是解决水资源匮乏的有效途径。磁共振探测地下水方法是唯一针对地下水直接探测的地球物理方法，通过非侵入的探测方式直接获取地下水文地质信息。然而，磁共振信号极其微弱，仅能达到nV级（10-9V），难以适应城市周边等高噪声探测环境，探测信噪比及灵敏度严重不足，可靠磁共振信号的获取是地面磁共振技术亟待解决的难点与瓶颈。本文针对地面磁共振探测信噪比低的问题，首次提出了基于预极化场的地面磁共振探测方法，通过人工施加预极化场，大幅度提高了地下水的宏观磁化强度，进而增强磁共振信号。同时，为实现高信噪比的磁共振信号采集，本文研制了低噪声、高灵

5、敏度的预极化场磁共振传感器（magneticresonancesensorbasedonprepolarizationfield，MSBP），有效提高系统灵敏度，降低系统噪声，抑制振铃现象。基于以上研究，搭建了高灵敏度的预极化场地面磁共振接收系统，并通过屏蔽室内外的实验结果和应用实例，证明了该系统在高噪声干扰地区的实测能力。本论文主要完成了以下研究工作：(1)阐述了基于预极化场的磁共振探测原理。给出了在预极化场激发下，地下水宏观磁化强度的计算公式，理论上说明了预极化场可以提高地下水磁共振信号强度的可行性。通过对比预极化场磁共振探测和传统

6、磁共振探测的一维灵敏度正演核函数，证明了预极化场磁共振探测方法在含水情况相同时能够产生更大的磁共振信号。(2)为了提高预极化场磁共振探测方法米级探测线圈的灵敏度，提出高灵敏度的MSBP结构设计思想。基于法拉第电磁感应定律，针对MSBP灵敏度进行优化。同时，针对MSBP上产生的振铃现象，设计了基于场效应管的Q开关电路进行抑制。通过以上研究工作，完成了MSBP的设计，其灵敏度可达9.7fTHz。(3)针对探测地区的高噪声干扰问题，提出了本底噪声低、增益动态范围广和滤波能力强的预极化场地面磁共振接收系统总体设计方案，具体包括前置放大器，二级放

7、大器和程控放大器等放大电路以及带通滤波器，工频陷波器和低通滤I摘要波器等滤波电路。同时，完成了接收系统的供电电源模块设计。通过对以上关键电路的设计，完成了预极化场地面磁共振接收系统的设计，其本底噪声低至0.87nVHz。(4)应用自主研制的预极化场地面磁共振接收系统，进行了屏蔽室内及室外实验。通过在低噪声屏蔽室内模拟地磁场环境，获取有效磁共振信号，验证了接收系统的有效性。同时，在城市中心高噪声环境（在通带内平均噪声幅度在5μV以上）中，通过人工搭建水体进行实验，与传统交变磁场磁共振探测作对比，进一步验证了接收系统在高噪声干扰地区的有效性

8、。对比理论模型与实测数据反演结果，证明了预极化场地面磁共振接收系统在实测方面达到了研制要求。综上所述，本文完成了基于预极化场的地面磁共振接收系统的研制，并通过室内外的实测验证了系统的有效性。本文提出的理论方