基于差分结构的地面核磁共振数据噪声压制技术

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术是一种可直接定性定量探测地下水的非侵害式地球物理方法,已广泛应用于资源勘探、地质灾害预警和环境检测等方面。但在实际应用中,复杂的环境噪声导致微弱的SNMR信号常常被淹没,很难获取有效的SNMR信号。针对这一问题,本文提出了一种基于差分结构的SNMR数据噪声压制技术,采用两个接收线圈等距设置在发射线圈上下位置。这种分布可以实时抵消大部分环境噪声以及消除收发线圈耦合影响。理论建模和仿真结果验证了新方法能够有效压制噪声,并可靠获取到早期自由感应衰减(free induction decay,FID)信号。

用于可移动量子重力仪的光纤拉曼激光源研究

基于两个窄线宽光纤激光器和自制的锁相控制系统,研制了一个低相位噪声窄线宽拉曼光纤激光源,建立了拉曼光纤激光系统的相位噪声模型,研究了拍频光功率、不同频率参考源对拉曼激光相位噪声的影响。实验结果表明,该拉曼光纤激光源在10 Hz~1 MHz范围内相位噪声功率谱密度可达到^(-11)8 dBc/√Hz,相应的相位噪声为22.7 mrad,将其应用到重力仪中获得的重力测量灵敏度为10.93μGal/√Hz。对拉曼激光源进行连续3 h的相位噪声稳定性测试和连续25 min的频率稳定性测试,得到的相位噪声标准差为0.734 mrad,相应的重力灵敏度标准差仅为0.349μGal/√Hz。当积分时间为1 s时,相位锁定时频率稳定度为2.675×10^(-11),验证了该激光源具有低相位噪声和高稳定性。利用相位噪声模型得到的理论结果与实验结果一致,证实了理论模型的正确性。

大动态范围磁通门磁力仪及其在定向误差校正中的应用

仪器定向误差会影响地磁矢量观测数据的准确性,现有的校正方法需要已知地磁场模量或参考标准仪器,且难以应用在井下和海洋等无法手动安装调整仪器的情况。本文提出了大动态磁通门磁力仪和在此基础上的欧拉旋转变换的矢量校正方法。该方法可在无需参考标准仪器的情况下,获得磁通门的定向角度误差并进行自校正测量。在地磁观测台站进行了实验,结果表明,当实验仪器定向误差分别设置为4个不同象限区间的大角度时,校正后与台站比测仪器对应分量的相关系数仍达到0.99以上,B-A图中置信区间长度减小了86%以上,RMS误差降低至15%以下,论证了该校正方法的有效性,能够提高地磁台站的观测数据质量,并为井下和海洋地磁观测的定向提供参考解决方案。

基于鲁棒马氏距离统计量的多源融合抗差估计方法

为了有效抵御复杂多变城市环境下的全球卫星导航系统(GNSS)信号干扰、增强多源融合定位可靠性,提出一种基于鲁棒马氏距离的多源融合抗差估计方法。该方法在分析观测值故障传播特点以及典型方差膨胀抗差估计模型基础上,基于相邻新息序列构造鲁棒马氏距离检验统计量。历史新息的引入能够提高系统观测冗余,同时不同观测量间的新息交互增强了异常检验统计量的鲁棒性。根据鲁棒马氏距离的统计特性,给出抗差关键门限取值规则并分别结合两种典型加权策略自适应调节观测值噪声矩阵。利用典型城市峡谷环境下惯性导航系统(INS)/GNSS/激光雷达(LiDAR)/VINS多源融合车载数据进行相关实验,与现有方法相较,所提方法能够将三维均方根定位误差最低限制在3.37 m。通过对比不同组显著性水平下的定位结果,进一步说明所提方法在城市峡谷环境下定位的优越性。

CPT原子磁力仪转向差及其标定补偿

CPT原子磁力仪具有无方向盲区,并且在磁感应强度方向变化时可连续测量无需模式切换的特点,特别适合搭载在卫星、直升机等平台进行拖曳式探测。但是CPT原子磁力仪存在转向差问题,且探头剩磁干扰会影响转向差的补偿精度,进而影响其使用性能。本文针对CPT原子磁力仪转向差问题,分析了转向差机理,建立了探头剩磁补偿模型并进行了补偿,使用粒子群算法估计了剩磁参数,并使用剩磁补偿后的转向差离散点进行三次样条插值得到转向差曲线。试验结果表明:算法估计的探头剩磁在旋转面的投影分量大小为0.344 nT,方向与探头轴线垂直。在剩磁补偿前后,转向差补偿后的残差标准差由0.288 nT减小到0.132 nT,标准差减小了54%,有效提高了CPT原子磁力仪的使用性能。

基于安卓手机App开发的核辐射自动检测系统设计与实现

日本核污染水排海导致海洋生态系统污染,核污水中的放射性物质在海洋生物体内富集,人们对海产品核辐射检测的需求正在逐渐增加。为了满足非接触式核辐射测量的需求,本文设计了基于Android手机的核辐射自动检测系统,该系统的主要功能包括数据采集、数据处理及核污染环境预警。选用MR-10-J型盖革计数器进行传感数据采集,实现了Arduino IDE对MODBUS通信协议的编写,完成以Arduino UNO为下位机的核辐射传感器数据采集与处理;选用HC-06蓝牙无线通信模块进行数据传输,完成基于Android手机App客户端的上位机和数据库开发。本文所提核辐射无线检测系统具有非接触准确测量、携带方便、远端实时监测、使用便捷、预警提示等优点,对于居家应用具有广泛的市场前景。

面向深部位移监测的无线数传系统研制

针对目前地质体内深部位移监测系统广泛使用的RS485总线等有线通信方式存在的线缆易老化、易拉断等问题,设计一种基于磁感应(magnetic induction,MI)和远距离无线电(long range radio,LoRa)的面向深部位移监测的无线数传节点。系统基于STM32低功耗控制器和AS3933磁感应唤醒接收芯片以及E22-400T22S通信模组,采用链式拓扑网络与星型拓扑网络组合方式,实现高稳定性、远距离、低功耗的透地通信链路,以解决深部位移监测中的数据传输问题。测试结果表明,该数传系统可实现无线透地通信(单一通信节点至少2.6 m),通信节点功耗低(电压3.6 V,休眠状态工作电流0.13 mA,正常工作状态20.50 mA,连续发射状态372.03 mA)。能够有效解决深部位移监测装置数据传输问题。

小回线瞬变电磁探测线圈的耦合影响因素分析

为减小浅层探测盲区,研究了小回线瞬变电磁探测线圈的主要参数对发射、探测线圈之间的耦合效果和自感的影响规律。构建了不同的探测线圈模型,对导线半径、绝缘层厚度、线圈半径、匝数、相对位置等关键参数进行扫描,获取了参数变化时互感和自感的情况。通过对仿真数据的分析,发现增加导线半径和绝缘层厚度可以在几乎不影响互感的同时有效降低自感,线圈半径、匝数的增大则会使自感、互感急剧上升;将发射线圈和探测线圈调整至合适的相对位置可以使互感趋近于零。该研究可为设计低自感线圈、实现弱耦合提供技术参考。

基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统

为解决地震地磁矢量观测中质子矢量磁力仪噪声大,长期观测中存在明显漂移,磁通门磁力仪温度效应明显,保温磁房投入大等问题,研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统,本文详细介绍了其测量原理及仪器结构,设计了混合分量线圈装置,并开展了稳定性分析。研制的样机在蒙城地震台开展了观测实验。结果表明,实验期内记录良好,采样率达到1 Hz,1月份总强度、水平分量和磁偏角月噪声分别为0.01 nT、0.02 nT和0.003′,优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪最好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其实验期内水平分量和磁偏角最大漂移分别为1.3 nT和0.16′,小于座钟式质子矢量磁力仪基线漂移,具有良好的稳定性。

瞬变/谐变一体化的大地电磁收发线圈设计

采用瞬变电磁法和谐变电磁法仪器观测地下空间数据并进行融合处理,能够提高探测成像能力,然而现有的瞬变电磁法和谐变电磁法仪器独立成套,必须配置多套仪器分次采集。设计了一种可满足瞬变/谐变两种模式使用的小型、大带宽、高灵敏度大地电磁收发线圈,为便携、浅层高分辨的瞬变/谐变一体化电磁探测系统开发奠定基础。首先,建立了空心线圈传感器等效电路模型,分析了线圈传感器的灵敏度和噪声特性,制作的传感器经过测试表明,在1125 Hz处,灵敏度为23.12 mV/nT,等效磁噪声9.27 pT/√Hz,传感器带宽1 Hz~100 kHz;然后,通过公式和有限元软件对传感线圈偏心放置时收发耦合进行了计算,确定了收发线圈组合的最佳耦合位置,计算和仿真结果与实际位置分别相差0.21%和0.17%,有效对消了发射磁场(一次场)。构建了时间域和频率域电磁法探测系统,测试表明,设计的瞬变/谐变一体化收发线圈能够满足时间域和频率域电磁法两种探测模式使用。

基于张量不变量及避免椭圆误差的定位方法研究

针对目前广泛使用的基于磁梯度张量不变量的磁性目标定位方法未考虑椭圆系数的变化而导致定位精度降低这一问题,提出一种新的单位距离矢量求解方法和距离矢量模求解方法。通过分析磁性目标与测量系统之间的位置关系,构建新的单位距离矢量,并通过麦克劳林公式和磁梯度张量不变量分别构建新的存在一阶误差与二阶误差的距离矢量模,避免未考虑椭圆系数变化而导致定位精度降低。仿真试验验证了所提方法较以前方法定位精度有明显提升,存在一阶误差与二阶误差的距离矢量模对定位精度的影响基本相同。该方法对进行探潜和未爆炸物的检测等方面具有较高的研究和应用价值。

一种宽工作温度范围的高灵敏度铯原子磁传感器

针对航空平台磁异常探测应用需求,研制了一种宽工作温度范围的高灵敏度铯原子磁传感器,解决了现有传感器存在的工作温度范围小、低温下易磁场失锁等问题。利用温度反馈机制对铯原子灯激发源进行实时补偿,提高了原子磁传感器的稳定性和工作温度范围,铯原子灯输出光功率稳定性由2.10(标准差)提升至0.62,传感器工作温度范围由-20℃~60℃提升至-50℃~70℃。基于低噪声铯原子灯和窄线宽铯原子吸收室技术,该文开展了铯原子磁传感器整机设计与参数优化,研制出高灵敏度铯原子磁传感器样机。测试结果表明,在常温及地磁背景下的实际测量灵敏度达 140 fT/√Hz@1 Hz,指标优于同类国际先进水平产品G-824A型铯原子磁传感器。

地电阻率观测中地铁杂散电流特征

在对地铁杂散电流产生机理的讨论的基础上,定量计算了地铁运行时杂散电流在地电阻率观测中所呈现的影响幅度,结果表明地铁杂散电流传播范围可以达到几十甚至上百千米。通过对城市周边的北京通州、天津青光、宝坻、塘沽、江苏江宁和辽宁新城子等六个地电阻率观测台站观测到的该类信号的研究,分析了其幅值、主要频率范围以及空间分布特征,结果表明该类信号的幅值从几mV至几十mV不等,与源距关系密切,周期主要集中在50—200 s范围内,在分析地震异常前兆信号时该类信号可使信噪比降低10—30 dB左右,其相对方差最大超出标准20倍左右。根据地铁运行时杂散电流传播的特征,本文提出了几种压制该类信号的措施,为识别地震前地电阻率异常信息及排除噪声提供依据。

基于车载原子干涉仪的野外流动重力测量

移动重力测量在计量学、地球科学及国防军事等领域有着广泛的应用需求。原子干涉重力仪在可移动高精度重力测量上具有良好的技术潜力,但目前仍很难兼具高集成度与高灵敏度。针对此问题,本文研制了一套基于原子干涉仪的车载重力测量系统,基于小型化、高度集成的仪器设计,实现了高精度的野外重力测量,室外测量灵敏度为520μGal/Hz、测量重复性优于20μGal。在长10 km、高程变化100 m的野外测线上开展了单点调试时间小于5 min、有效测量时间小于15 min的快速重力测量,并与LG-1相对重力仪进行比对。在一般性的野外测试环境下,2种重力仪的测量残差小于100μGal,车载绝对重力仪自身测量残差小于15μGal。因此,该车载重力测量系统极大地提高了野外重力测量效率,方便运输、随停随测、测量准确,为可移动重力测量领域提供了可靠的技术解决方案。

深井地壳活动综合观测技术略谈

岩石圈在地球内动力作用下,塑造出不同类型的地球表面形态,而通过钻孔地壳活动综合观测技术捕捉地壳应力状态及其动态变化规律,是人类认识地球内动力过程、研究内动力地质灾害机理的重要途径。文章总结了日本、美国等发达国家以及IODP国际合作研究计划在发展钻孔地壳活动综合观测技术方面的贡献,并对中国钻孔应变观测技术及其观测仪器发展历程、研发现状进行了系统性的总结,尤其是“十三五”以来,在深地深海探测国家战略的大背景下,中国地质调查局、中国地震局等单位相继完成井中综合地球物理观测系统研发工作,并在陆域综合观测站中完成野外验证。其中,中国地质科学院地质力学研究所利用系统集成关键技术成功研制的地壳活动综合地球物理观测系统,拥有应变、倾斜、地震、地磁、地温、孔隙压等多种传感器和15个分量,具备观测地壳变形、应力、应变、倾斜、地震及其诱导的地温、水文、地电、地磁等岩石圈地球动力相对变化的能力,已在甘肃山丹(安装深度253 m)、四川平武(WFSD-4,1600 m)观测站投入使用,取得了一定的成效,对中国未来突破3000 m深井地壳活动综合观测技术具有指导意义,可为地球动力学研究、深部矿产和地热资源安全开采、内动力地质灾害预测提供重要地应力动态变化信息。同时,以“十四五”深地深海探测国家战略为契机,提出了深井地壳活动综合观测系统的未来发展方向和构想。

小尺寸随钻方位伽马工具刻度及精度测试

方位伽马测量精度是反映方位伽马随钻测量工具性能优劣的关键技术指标,直接影响其对地层的辨识能力。基于自主研发的小尺寸随钻方位伽马工具,针对国内方位伽马随钻测量工具刻度及精度测试缺乏相关设备、方法、技术标准的现状,研制了方位伽马测试平台,建立了方位伽马随钻测量工具刻度及精度测试方法,完成了小尺寸方位伽马工具刻度和方位伽马测量精度测试室内实验,详细分析了影响刻度系数及方位伽马测量精度的因素,提出了今后的技术发展建议。

磁通门磁力仪背景磁场的自动补偿设计

提出一种在单片机的控制下用逐次渐近反馈比较式的背景磁场自动补偿方法,设计了实现高精度自动补偿的硬件电路和程序实现。仪器经自动补偿后,在大约60000nT的背景地磁场中,能使磁力计探头工作在几个nT左右的真正"零背景场"下。适于井下磁力计或其他不能进行实地操作的磁力计的背景场补偿,并有利于磁力计分辨力的提高。同时也实现了仪器观测的自动化、智能化和远程监控。

瞬变电磁法弱信号检测技术研究

在简要介绍瞬变电磁法原理的基础上 ,总结了电磁噪声特性 ;重点研究 TEM (TransientElectromagnetic Method)信号同步采集与实时处理算法 ,将双极性同步叠加平均算法等效为梳状滤波器 ,经过 N个周期的 2 N次迭加平均 ,对等精度测量的重复信号不奇变 ,对加性白噪声 ,信噪比提高 (2 N ) 1 /2 倍 ;适当选择发射周期 T和周期数 N就可以随意设置梳状滤波器的零传输点 ,有利于消除某些频率的干扰 ;依据拉依达准则 ,剔除测量误差大于 3倍标准差的奇异数据并以算术平均值代替 ,简便易行。

高速、大动态范围瞬变电磁接收机的研制

针对瞬变电磁信号具有早期幅值大、衰减快,晚期信号微弱、衰减缓慢的特点,设计了高速12位A/D和高分辨率16位A/D分段采集的瞬变电磁接收机,解决了以往单A/D采样速率与动态范围不能同时兼顾,无法同时精确记录瞬变电磁早期信号和晚期信号的问题。接收机具有2个并行的采集通道,最高采样率为1M S/s,并采用了浮点放大技术,使探测的有效信号动态范围达到153dB。

VP型垂直摆倾斜仪校准装置的设计

采用压电陶瓷为核心器件设计的校准平台装置对垂直摆倾斜仪进行校准,位移校准精度达10 nm。