林君院士做主旨报告——磁共振地下水探测技术研究新进展

林君院士受邀出席，并作主旨报告

内容：磁共振地下水探测技术研究新进展

林君院士由讲地球的磁场，引出报告的主题——磁共振地下水探测技术研究新进展，接着讲述了这项技术的研究背景及意义，技术创新与进展，典型应用以及未来展望。

例如：地面磁共振技术（Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS）是一种直接获取含水量的地球物理技术，在地磁场环境下，利用与医学核磁相同的质子旋进原理进行地下水探测成像。

意义：

1.建立了地下水核磁共振与瞬变电磁联合波场成像理论，研发了JLMRS系列核磁共振与瞬变电磁地下水探测联用系统，攻克了深层孔隙水探测和基岩裂隙水确定井位的难题，获国家技术发明二等奖。

2.这项技术在地下水资源及灾害水源探测应用方面：①该仪器突破了磁共振单一方法国际上最大探测深度150米的技术瓶颈，与TEM联用探测深度达400米，在我国45个地区及蒙古国内找到地下水源100多处。②发展了波场超前探测与成像技术，预防隧道矿井突水透水事故40多起，解决了重大民生安全问题。

3.复杂地质条件带来应用新挑战：国际上地面核磁仪器主要面向人烟稀少的地区，然而城市空间、矿井隧道以及小直径水文监测井等复杂地质条件均面临新的技术难题。

一、

①强干扰环境地面磁共振探测技术

地下水中氢质子具有敏感性的，地面磁共振地下水探测方法具有定性、定量、非侵入式的优势；而传统地面磁共振仪器抗干扰能力差，难以在强干扰环境下使用。

②预极化磁共振探测技术

为解决磁共振探测信号微弱、信噪比低的这一固有问题，提出了预极化磁共振技术。预极化场和地磁场共同作用于地下水中的氢原子核，增强其宏观磁矩，直接提高了磁共振信号幅度。

③预极化非匀场建模技术是核心难点

为解决传统磁共振磁场建模难以适应预极化场难题，在理论公式推导和模型建构上构建针对预极化场的非匀场建模理论，改进的方法可以有效地避免探测含水层的误估。

④预极化-绝热脉冲连用信号增强技术

综合比较传统、预极化及预极化与绝热联合模式下的探测灵敏度、信号增强幅度及分辨率提升2-3个量级，取得了较好的探测结果。

⑤工频-尖峰-随机的级联式消噪算法

依靠单一方法难以实现强干扰噪声完全剔除，通常需要针对不同噪声类型实施不同处理手段以实现对噪声的全频带压制，然而消噪过程严重依赖人工经验，导致消噪性能难以满足实际探测需求。

⑥强干扰环境智能消噪算法

针对二维核磁共振数据，进一步提出了卷积神经网络与残差学习结合的新型去噪网络，无需手动调整滤波器参数即可噪声抑制，同时优化后的算法计算效率大幅提高，有效缩短了测量时间。

⑦强干扰环境智能消噪算法效果

在长春城区高电磁噪声环境下测试该方法有效性，结果发现所提出的智能消噪方法可以实现最高26dB的噪声压制能力，同时计算总耗时仅需1s。

⑧多脉冲时序发射为稳态高效探测奠定基础

传统磁共振测深仪器发射系统采用电容作为储能电源，以RLC串联电路作为负载，脉冲电流幅度随发射过程持续降低，严重影响探测准确性。

⑨多脉冲时序发射技术

针对发射电流末端衰减问题，提出了一种基于移相角的瞬态调控策略，依据剩余储能逐次计算控制参数，实现了每个脉冲的稳定幅度发射。

二、

①狭窄空间地下磁共振探测技术

地下磁共振探测方法(UMRS)在矿山地质保障方面发挥了巨大作用。轻便化、低成本的探测系统在超前探测、水害预警方面应用前景广阔，逢掘必探成为保障煤矿生产安全的重要手段。

②近端三分量固定参考噪声消减技术

为了验证设计的近端参考线圈和近端参考消噪方法的消噪效果，在城市环境进行三轴近端参考消噪测试。数据原始信噪比为-25.62dB，处理后的信噪比为4.25dB，信噪比提升了 29.87 dB。

③多匝小回线信号增强技术

形成了矿用天线最佳匹配技术，针对2米高匝数接收天线体现的强电感特性，根据谐振选频理论提高接收天线的Q值实现信号增强。系统的Q值从2.7提升至34，获得的信号幅度提高约12.5倍。

④多匝小回线信号增强技术

通过室内物理场实验，隧道超前地质预报物理实验中，基于多匝小回线信号增强技术的实验结果信号信噪比提升明显，综合提升约6dB，进一步验证了该方法的有效性。

⑤浅层小直径核磁测井探测技术

针对现有小直径核磁测井仪信号微弱、抗干扰能力差等问题，研发适用于强干扰环境的小直径核磁测井仪，以满足浅层水文及污染物调查需求。

⑥核磁测井信号原位增强技术

小直径核磁测井仪器受限于线圈等效面积，与传统核磁仪器比较接收信号强度呈指数下降，严重影响了探测结果的准确性。

⑦核磁测井信号补偿磁体增强技术

针对现有小直径核磁测井信号微弱问题，提出了一种基于补偿磁体的核磁测井信号增强技术，通过提升探测区域范围、磁场强度以及线圈传递效率，综合提高信号强度。

⑧核磁测井材料优选技术

利用磁共振信号计算公式，构建磁场与信号函数关系以获取磁体关键性能参数，并据此筛选出钕铁硼作为小直径核磁测井的磁体制备材料。

⑨核磁测井高灵敏接收技术

针对接收线圈灵敏度不足的问题，提出了差分共振线圈方案，在保证发射能量高效输出的同时将输入噪声能量降低约 30%，有效提高接收系统灵敏度。

⑩核磁测井高灵敏接收技术

基于室内标准样品测试，通过分析实验测试结果各项指标计算出，新型接收系统可实现接收信造比约12.9 dB，优于国际商用小直径核磁测井仪器指标。

11.强干扰噪声实时抑制技术

为抑制近端参考引起的近端信号耦合问题，提出了近端参考线圈结构设计方案，将耦合信号幅度抑制在0.1%以下，实现信号无损处理。

1.矿山老空水排查应用示范

针对煤炭龙头企业冀中能源、神华集团等百公里级矿区复杂地质条件奥灰水隐患排查，利用空-地融合探测技术快速判别隐蔽导水通道5处，保障施工安全，累计解放煤炭资源525万吨。

2.煤矿老空水三维探测

针对中煤杨涧煤业集团开展老空水探测应用，通过采用一系列关键技术，成功应用三维磁共振探测技术，探测水量与煤矿揭示情况吻合。

3.城市高噪声空间水文地质调查

针对城市高电磁噪声环境，利用预极化绝热脉冲、双源极化等关键技术，在城市空间环境探测到磁共振有效信号。

4.沪昆高铁(贵州段)隧道探测

利用三分量参考消噪与超导冷线圈等技术，国际上首例获取矿山地下工程高噪声环境磁共振探测信号以《First evidence of the detection of an underground nuclear magnetic resonance signal in a tunnel 》发表于地球物理工程领域有影响力期刊。

5.山西五家沟煤矿垮塌区探测

针对山西华昱集团五家沟煤矿垮塌区探测，利用地下工程磁共振直接探测技术(UMRS)，对垮塌区界限进行了精确描述，为矿方提供了及时预警。

6.川藏铁路隧道超前探测

针对川藏铁路某隧道前方灾害水探测，利用UMRS地下磁共振超前探测技术，在地下复杂噪声环境中成功获取到磁共振有效信号，探测结果与钻探结果一致性良好。

7.长春市太平池水库水文地质调查

针对长春市太平池水库提供水文地质调查服务，采用自主研制的小直径核磁测井仪器进行现场探成功验证了小直径磁共振测井系统在复杂地质条件下探测有效性。

8.GMRS地磁场磁共振技术在国内外影响力

地磁场磁共振探测技术入选应急管理部重大安全事故防治关键技术目录。

团队举办第七届国际磁共振会议(2018，亚洲首次)，拓展我国地面核磁共振探测国际影响力。

结语