[发明专利]一种核磁共振找水仪磁共振响应信号参数提取方法及系统

说明书

本发明公开一种核磁共振找水仪磁共振响应信号参数提取方法及系统。该方法包括：获取N个时刻的磁共振响应信号数据；分别取前N‑1个时刻和后N‑1个时刻的磁共振响应信号数据组成两个观测向量；将两个观测向量进行合并，形成观测矩阵；结合总体最小二乘法和旋转不变参数法对观测矩阵进行运算，得到旋转算子；旋转算子为平均衰减时间的函数；由旋转算子计算得到平均衰减时间；利用平均衰减时间，将实测磁共振响应信号数据转换成正弦信号加噪声的形式；对正弦信号进行快速傅氏变换得到初始振幅。本发明公开的方法及系统，提高了参数的提取精度。

技术领域

本发明涉及磁共振响应信号领域，特别是涉及一种核磁共振找水仪磁共振响应信号参数提取方法及系统。

背景技术

水资源缺乏是全世界范围内的一个重大问题。在2015年的全球第45届达沃斯世界经济论坛上发布的《2015年全球风险报告》指出，人们对洪水、干旱、水污染和供水不足的担忧已经超过了对核武器或全球性疾病的担忧，水危机已经是全球第一大风险因素。

核磁共振地下水探测技术，是一种直接找水的无损探测技术。与传统的勘探地下水的地球物理方法相比，核磁共振地下水探测技术具有高分辨率、高效率、信息量丰富和解唯一性等优点。1996年，诞生了世界上第一个核磁共振地下水探测技术的商业化版本即法国地质调查局研制的核磁感应系统(NUMIS，Nuclearmagnetic induction system)。我国有关单位利用购入的法国的NUMIS和NUMIS^plus(NUMIS^plus为1999年法国推出的NUMIS升级版)在内蒙古等多个缺水省份和地区进行了相关实验，其中NUMIS探测最大深度为100米、NUMIS^plus为150米，并成功找到了地下水，促进了我国核磁共振地下水探测技术的发展。目前，我国吉林大学自行研制开发了型号为JLMRS的核磁共振找水仪，在性能指标上也已达到了法国NUMIS的技术水平。

核磁共振找水仪的基本原理是通过发射线圈向地下水激发能量，使地下水中的氢质子核外电子发生能级跃迁，然后再用接收线圈接收核外电子由高能级向低能级回迁时释放的能量，从而获取磁共振响应(Magnetic Resonance Sounding，MRS)信号，由该磁共振响应信号即可反演得到地下水的相关信息。

核磁共振找水仪磁共振响应信号的复数信号模型如下：

其中，n为采样时刻，E₀为初始振幅，初始振幅的大小和地下含水量成正比，也包含了地下含水层深度、厚度、单位体积含水量等信息。T₂为平均衰减时间(也称驰豫时间)，平均衰减时间反映了地下含水层平均孔隙度的信息。磁共振响应信号的初始相位反映了含水层的导电率，是一个常数，ω₀＝2πf_l(f_l为拉摩尔频率)为地磁场的角频率。只需将提取到的初始振幅E₀和平均衰减时间T₂这两个参数，进行反演就能够获得地下水含量、深度、含水层孔隙度等信息。由于核磁共振找水仪的自身灵敏度较高，磁共振响应信号的有用信号极其微弱，极易受到来自电力线等人造噪声和铁矿石层等自然噪声的干扰。如何从带有噪声的磁共振响应信号中提取出初始振幅E₀和平均衰减时间T₂这两个参数就成为一个关键问题。

目前对于核磁共振找水仪的磁共振响应信号的参数的提取多采用先消噪来提高信噪比，再进行曲线参数拟合的策略。采用的消噪方法有很多，如叠加法、数字滤波、小波、自适应滤波、高阶累积量等，经过消噪处理后，核磁共振找水仪的磁共振响应信号的信噪比得到一定提升，再利用线性拟合、非线性拟合等数值拟合方法，拟合出磁共振响应曲线，继而求出找水仪磁共振响应信号的参数。