一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法技术

本发明专利技术涉及一种地球物理探测方法及其数据的反演解释，能够提高自由衰减信号单指数拟合的精确度，并且避免了多指数拟合数据量过大的问题，通过令地磁场方向为x轴，水平面上与地磁场方向垂直为y轴，垂直地面向下为z轴，由初始振幅数据计算地下空间位置的灵敏度核函数K，利用核磁共振全波信号进行正反演，通过吉洪诺夫法搜索正则化参数，对目标函数进行高斯牛顿迭代法求解，利用共轭梯度方法来求取每次迭代的模型增量，利用线性搜索来获取最优搜索步长。

A forward and inverse method of pre polarized magnetic resonance based on broadening Index C

【技术实现步骤摘要】
一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法
：本专利技术涉及一种地球物理探测方法及其数据的反演解释，能够提高自由衰减信号单指数拟合的精确度，并且避免了多指数拟合数据量过大的问题，利用磁共振技术(MagneticResonanceSounding，MRS)可以高效精确的进行层状地下水结构的探测。
技术介绍
：地面核磁共振(SurfaceNuclearMagneticResonance，简称SNMR)是国际上发展起来的一种新的地球物理直接探测地下水的方法，这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术，不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价，还可以在地下水引起的堤坝渗漏、矿井突水、隧道涌水、滑坡等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用。MikeMueller-Petke和UgurYaramanci在论文QTinversion-ComprehensiveuseofthecompletesurfaceNMRdataset(GEOPHYSICS卷：75期：4页WA199-WA209)中提出了一种新的反演方式，即QT反演，是利用全部核磁共振包络信号一次性带入反演算法当中，提取含水构造的局部含水量分布信息和平均弛豫时间T2*分布信息，再进行综合，得到地下不同位置、不同弛豫时间下的总含水量赋存情况，实现含水量w和弛豫时间T2*两个参数的高精度二维成像，提高了地下弛豫时间分布的空间分辨率和反演问题的稳定性。O.Mohnke和U.Yaramanci在论文PoresizedistributionsandhydraulicconductivitiesofrocksderivedfromMagneticResonanceSoundingrelaxationdatausingmulti-exponentialdecaytimeinversion(JOURNALOFAPPLIEDGEOPHYSICS卷：66期：3-4页：73-81特刊：SI)提出了用多指数衰减时间反演磁共振测深弛豫资料反演岩石的孔径分布和磁共振孔隙度以及衰减时间的方法，比较和讨论了目前水文地质学和核磁共振实验中用于估算磁共振孔隙度以及衰减时间的关系式及其在磁共振波谱中的适用性，并考虑了各种实验室核磁共振和磁共振波谱实验的结果，即岩石比定标系数。上述论文QTinversion-ComprehensiveuseofthecompletesurfaceNMRdataset中QT(GEOPHYSICS卷：75期：4页WA199-WA209)反演解决了一维地面核磁共振反演问题，并且是目前稳定性最好的一维核磁共振反演方法，但是其为全波反演，在单指数反演时其数据量较大，若采用多指数反演，计算难度会大大提高，在三维二维反演中很难实现。上述论文PoresizedistributionsandhydraulicconductivitiesofrocksderivedfromMagneticResonanceSoundingrelaxationdatausingmulti-exponentialdecaytimeinversion(JOURNALOFAPPLIEDGEOPHYSICS卷：66期：3-4页：73-81特刊：SI)采用多指数拟合的方式，反演数据量过大，计算速度慢，在实际应用中并不实用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于层状水体的高效率高分辨率探测，既能节省反演时间，又能得到高精度平滑反演结果，针对复杂孔隙情况产生多个T2*的FID信号时能够得到更加精确地孔隙度解释结果，是对层状水的一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法，该方法包括：1)根据预探测地实际情况设置材料电阻率，建立三维可视化模型；2)先向极化线圈通入极化电流，产生预极化场，计算预极化场的氢质子净磁化强度；3)根据步骤2)中的氢质子净磁化强度计算灵敏度核函数K(q,r)，并根据灵敏度核函数K(q,r)计算z方向的一维核函数；4)利用步骤3)中z方向的一维核函数计算核磁共振包络曲线，将核磁共振包络曲线表达式离散为矩阵形式，并采用共轭梯度求解器缩小数据矩阵；5)利用步骤4)的离散为矩阵形式的核磁共振包络曲线构建基于展宽指数C的总体目标函数；6)利用吉洪诺夫法搜索最优正则化参数；7)将步骤5)中的总体目标函数重新表示成迭代格式，采用步骤6)中的最优正则化参数，对总体目标函数进行高斯牛顿迭代求解，利用共轭梯度法来求取每次迭代的模型增量，利用线性搜索获得搜索步长；8)对搜索步长进行误差判断，若大于设定误差则返回步骤7)；若是，则进行下一步；9)输出最佳搜索步长，根据最佳搜索步长得到反演结果，快速成像。进一步地，步骤2)中，氢质子净磁化强度为：其中Bp0为氢质子的静态磁场的强度大小，N为单位体积氢原子数量，N＝6.692×1028；Bp0为预极化场的磁场强度；γ为氢原子旋磁比,大小为0.267518×109；为约化普朗克常数；KB为玻尔兹曼常数，其大小为1.3805×10-23；T为开氏温度，通常为293K。进一步地，步骤2)求取氢质子的静态磁场的强度大小的方法为：21)利用毕奥萨伐定理计算磁场，其中地磁场为记为B0，由预极化线圈激发的预极化磁场记Bp，预极化磁场按三分量形式表示为：式中，Bp为预极化磁场；Bpx为沿x方向的矢量磁场；Bpy为沿y方向的矢量磁场；Bpz为沿在z方向的矢量磁场；和为直角坐标系的方向向量；22)地磁场同时包含地磁倾角I和地磁偏角D，为了简化磁场计算，对坐标系进行旋转，引入旋转坐标系，旋转前的原始坐标系记为坐标系x、y、z，首先，坐标系以z轴为轴，沿顺时针方向水平旋转角度D，水平旋转后的坐标系记为坐标系x′、y′、z′；其次，以y′轴为轴，沿顺时针方向垂直旋转角度I，垂直旋转后的坐标系为坐标系x"、y"、z"，预极化磁场Bp在新坐标系x"、y"、z"之下为：Bp"与Bp的关系为B"p＝RIRDBp其中，I为地磁倾角与，D为地磁偏角；当预极化线圈为矩形时，预极化磁场Bp随预极化线圈法向偏度αn及法向倾度βn的变化而变化，原始坐标系下，沿顺时针方向水平旋转角度αn，再沿顺时针方向垂直旋转角度βn，坐标旋转后磁场记为Bp"'，坐标旋转后磁场Bp"'与原坐标系下Bp的关系为：Bp"'＝RαRβBp其中，对坐标系进行法向倾角和法向偏角的逆旋转，有：则由预极化线圈所在坐标系下的磁场Bp"'得到地磁场所在坐标系下的等效磁场：23)旋转坐标系之后的预极化磁场Bp"的x轴方向与地磁场方向重合，作用于氢质子的静态磁场的强度大小为：进一步地，步骤5)具体包括：三维灵敏度核函数记为K(q,r)，计算过程为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法，其特征在于，该方法包括：/n1)根据预探测地实际情况设置材料电阻率，建立三维可视化模型；/n2)先向极化线圈通入极化电流，产生预极化场，计算预极化场的氢质子净磁化强度；/n3)根据步骤2)中的氢质子净磁化强度计算灵敏度核函数K(q,r)，并根据灵敏度核函数K(q,r)计算z方向的一维核函数；/n4)利用步骤3)中z方向的一维核函数计算核磁共振包络曲线，将核磁共振包络曲线表达式离散为矩阵形式，并采用共轭梯度求解器缩小数据矩阵；/n5)利用步骤4)的离散为矩阵形式的核磁共振包络曲线构建基于展宽指数C的总体目标函数；/n6)利用吉洪诺夫法搜索最优正则化参数；/n7)将步骤5)中的总体目标函数重新表示成迭代格式，采用步骤6)中的最优正则化参数，对总体目标函数进行高斯牛顿迭代求解，利用共轭梯度法来求取每次迭代的模型增量，利用线性搜索获得搜索步长；/n8)对搜索步长进行误差判断，若大于设定误差则返回步骤7)；若是，则进行下一步；/n9)输出最佳搜索步长，根据最佳搜索步长得到反演结果，快速成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于展宽指数C的预极化场磁共振正反演方法，其特征在于，该方法包括：
1)根据预探测地实际情况设置材料电阻率，建立三维可视化模型；
2)先向极化线圈通入极化电流，产生预极化场，计算预极化场的氢质子净磁化强度；
3)根据步骤2)中的氢质子净磁化强度计算灵敏度核函数K(q,r)，并根据灵敏度核函数K(q,r)计算z方向的一维核函数；
4)利用步骤3)中z方向的一维核函数计算核磁共振包络曲线，将核磁共振包络曲线表达式离散为矩阵形式，并采用共轭梯度求解器缩小数据矩阵；
5)利用步骤4)的离散为矩阵形式的核磁共振包络曲线构建基于展宽指数C的总体目标函数；
6)利用吉洪诺夫法搜索最优正则化参数；
7)将步骤5)中的总体目标函数重新表示成迭代格式，采用步骤6)中的最优正则化参数，对总体目标函数进行高斯牛顿迭代求解，利用共轭梯度法来求取每次迭代的模型增量，利用线性搜索获得搜索步长；
8)对搜索步长进行误差判断，若大于设定误差则返回步骤7)；若是，则进行下一步；
9)输出最佳搜索步长，根据最佳搜索步长得到反演结果，快速成像。


2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，氢质子净磁化强度为：



其中Bp0为氢质子的静态磁场的强度大小，N为单位体积氢原子数量，N＝6.692×1028；Bp0为预极化场的磁场强度；γ为氢原子旋磁比,大小为0.267518×109；为约化普朗克常数；KB为玻尔兹曼常数，其大小为1.3805×10-23；T为开氏温度，通常为293K。


3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)求取氢质子的静态磁场的强度大小的方法为：
21)利用毕奥萨伐定理计算磁场，其中地磁场为记为B0，由预极化线圈激发的预极化磁场记Bp，预极化磁场按三分量形式表示为：



式中，Bp为预极化磁场；Bpx为沿x方向的矢量磁场；Bpy为沿y方向的矢量磁场；Bpz为沿在z方向的矢量磁场；和为直角坐标系的方向向量；
22)地磁场同时包含地磁倾角I和地磁偏角D，为了简化磁场计算，对坐标系进行旋转，引入旋转坐标系，旋转前的原始坐标系记为坐标系x、y、z，首先，坐标系以z轴为轴，沿顺时针方向水平旋转角度D，水平旋转后的坐标系记为坐标系x′、y′、z′；其次，以y′轴为轴，沿顺时针方向垂直旋转角度I，垂直旋转后的坐标系为坐标系x"、y"、z"，预极化磁场Bp在新坐标系x"、y"、z"之下为：
Bp"与Bp的关系为
B"p＝RIRDBp
其中，




I为地磁倾角与，D为地磁偏角；
当预极化线圈为矩形时，预极化磁场Bp随预极化线圈法向偏度αn及法向倾度βn的变化而变化，原始坐标系下，沿顺时针方向水平旋转角度αn，再沿顺时针方向垂直旋转角度βn，坐标旋转后磁场记为Bp"'，坐标旋转后磁场Bp"'与原坐标系下Bp的关系为：
Bp"'＝RαRβBp
其中，






对坐标系进行法向倾角和法向偏角的逆旋转，有：



则由预...

【专利技术属性】
技术研发人员：林婷婷，叶瑞，杨玉晶，赵汗青，周坤，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22