一种用于地下水勘查的设备及勘查方法

本发明涉及地下水勘查，特别涉及一种用于地下水勘查的设备及勘查方法。

背景技术：

1、地下水资源勘查是为查明区域地下水水文地质条件及区域地下水资源评价等所进行的综合性水文地质工作。通过野外路线踏勘及布置适量的勘探试验，对地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件做出科学的、全面的分析和评价；磁共振探测方法作为一种新兴的地球物理探测方法，因其对地下含水层的位置、含水量以及介质孔隙度等非侵入性直接定量探测的优势，已成为重要的地球物理找水方法；相比于激发极化和瞬变电磁等其他物探方法，mrs具有快速高效探测地下水中氢质子丰度及水体含量的能力，在水文水资源勘测和水源性灾害监测及预警等领域展现出广阔的应用前景。

2、然而现有的地下水勘查的设备及勘查方法在使用时存在一些弊端，比如：

3、磁共振探测信号微弱，仅为纳伏级，在野外探测时极易受到各种电磁噪声干扰，导致原始数据的信噪比低，现有的磁共振信号噪声处理方法和仪器难以完全满足磁共振探测技术在复杂噪声环境中探测应用，因此，在复杂强噪声环境中，抑制噪声干扰并获取可靠磁共振探测信号参数已成为磁共振探测方法需要解决的问题，为此，我们提出一种用于地下水勘查的设备及勘查方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于地下水勘查的设备及勘查方法，以解决然而现有的地下水勘查的设备及勘查方法中的磁共振探测信号降噪效果差的问题。

2、基于上述目的，本发明提供了一种用于地下水勘查的设备，包括磁共振探测发射机、磁共振探测接收机以及上位机，所述上位机与所述磁共振探测发射机之间连接有第一导线，所述上位机与所述磁共振探测接收机之间连接有第二导线，所述磁共振发射机1电性连接有发射线圈，所述磁共振接收机电性连接有接收线圈。

3、一种用于地下水勘查方法，所述勘查方法包括以下步骤：

4、s1：所述磁共振探测发射机向所述发射线圈中通入激发脉冲电流，并产生磁共振探测信号，所述磁共振探测接收机接通接收线圈采集磁共振探测信号得到第一磁共振探测信号，并将所述第一磁共振探测信号上传至所述上位机；

5、s2：在所述上位机3内部的信号处理软件系统中，使用同步挤压小波变换和改进阈值算法对第一磁共振探测信号中的尖峰噪声进行抑制，具体过程如下：

6、s201：获取含尖峰噪声的第一磁共振探测信号，选择母小波对所述第一磁共振探测信号进行同步挤压小波变换，分解出不同尺度下的同步挤压小波系数，得到含噪信号的同步挤压小波变换时频图；

7、s202：选择改进阈值施加方式，并求解阈值，对尖峰噪声的同步挤压小波变换的小波系数重新估计，先根据所求解阈值对不同尺度或频率下的同步挤压小波变换的小波系数重新估计，消除持续时间极短的尖峰噪声，然后，识别同步挤压小波变换时频分布中持续较长或频率分布较窄的尖峰噪声，并对所识别的尖峰的同步挤压小波变换时频区域，根据改进阈值方法保留信号的同步挤压小波变换小波系数，对尖峰的同步挤压小波变换的小波系数削减或置零；

8、s203：将改进阈值方法所估计的同步挤压小波变换的小波系数重新组合，对新的同步挤压小波变换的小波系数使用同步挤压小波逆变换重构出去除尖峰干扰的第一磁共振探测信号，得到第二磁共振探测信号；

9、s3：在所述上位机内部的信号处理软件系统中，再对第二磁共振探测信号进行特征参数最优提取，具体过程如下，首先求解拉莫尔频率处单边幅值校正系数，消除频域栅栏效应影响；对含噪的第二磁共振探测信号进行离散短时傅里叶变换；最后进行第二磁共振探测信号特征参数的优化提取；

10、s4：使用多组大小不等的激发脉冲电流进行重复探测，并重复上述步骤，并得到多组磁共振探测信号特征参数；

11、s5：在所述上位机内部的信号处理软件系统中，最后对磁共振探测信号特征参数进行数据分析展示，获取地下水分布情况。

12、进一步地，所述磁共振探测信号产生的过程为，当磁共振探测发射机向所述发射线圈中通入与探测区域拉莫尔频率相同的激发脉冲电流，在所述发射线圈周围产生激发电磁场，地下含水层经过交变电磁场激发后，其中的氢质子共振并发生能级跃迁，所述磁共振探测发射机终止发射电流后，被激发的氢质子开始向低能级回落同时向外释放具有拉莫尔频率的电磁波，最终产生磁共振探测信号。

13、进一步地，所述步骤s202中，求解阈值的过程如下：根据含噪信号s(t)计算两个变量n和m；式中n表示含噪信号s(t)的长度，若n＜m；采用sqtwolog阈值计算法，则阈值若n≥m；则使用sqtwolog阈值和rigresure阈值联合计算法确定阈值，首先对含噪信号s(t)各元素平方，然后按照由小到大进行排序得到新的信号序列sl(k)，其中k＝0、1、2、...、n-1；若取阈值则产生的风险为：根据风险函数曲线，求解得到risk(k)值最小的k，并记为kmin，则得到rigresure阈值：比较阈值lsqtwolog和lrigrsure，取l＝min(lsqtwolog，lrigrsure)；估计噪声在各个尺度下的标准差：并求出最终阈值

14、

15、进一步地，所述步骤s3的具体过程如下：

16、s301：获得离散含噪第二磁共振探测信号s(t)的采样频率与拉莫尔频率fla；设置与第二磁共振探测信号s(t)长度相等的参考信号sr(t)；设置矩形窗窗长w，窗滑动间h及离散短时傅里叶变换频点数k，通过加窗将sr(t)划分为多段，并进行stft变换求解对应单边幅值谱sampsr[u,k]；计算单边幅值校正系数e；

17、s302：根据步骤一设定窗函数及w、h、k值，将含噪信号s(t)划分为多段，第u段信号为su(t)；计算含s(t)的总段数对每段su(t)知性离散短时傅里叶变化；计算每段su(t)的双边幅值谱stfts[u,k]；

18、s303：求解含噪信号s(t)的各段在近拉莫尔频点f、la处的单边幅值samps[u,k、la]；比较含噪第二磁共振探测信号与噪声在f、la处的单边幅值samps[u,kla]与sampn[u,kla]，若sampn[u,k、la]＝samps[u,k、la]，则samps[u,kla]≈esamps[u,k、la]；设置初始振幅mrs0、平均弛豫时间t*2以及初始相位ф0；通过误差最小原理及逼近法求得mrs0、t*2以及ф0；的最优取值，实现输出第二磁共振探测信号s(t)的特征。

19、进一步地，所述第二导线与所述上位机之间设置有输入端匹配电路、信号调理电路以及数据采集卡，所述步骤s1中，所述接收线圈和所述输入端匹配电路构成接收传感器，完成获取第一磁共振探测信号，并将经过模块电路处理后传输至数据采集卡中，最后传输至所述上位机中。

20、进一步地，所述输入端匹配电路包括：高压继电器、防击穿保护电路和低噪声前置放大器；所述信号调理电路包括：带通滤波器、通带内的工频陷波器以及二级放大器，所述二级放大器包括零漂移放大器和程控器放大器，所述数据采集卡和二级放大器之间设有低通滤波器。

21、进一步地，所述拉莫尔频率，指的是特定自旋在一定主磁场强度b0下会具有的共振频率，拉莫尔频率的数学关系可以简单写为：f0＝(γ/2π)b0；其中f0为拉莫尔频率，以赫兹表示；b0为主磁场强度，以特斯拉表示；γ为旋磁比，为两者间的比例常数，一种特定自旋具有固定值。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、本发明中，对复杂噪声环境下微弱磁共振信号参数提取精度低的问题，使用基于离散傅里叶变换的磁共振探测信号参数提取方法，同时，为避免拉莫尔频率信号和噪声频谱混叠影响信号提取，联合同步挤压小波变换和改进阈值算法的磁共振探测信号尖峰脉冲噪声剔除方法；然后，为了使磁共振探测信号系统能在复杂强电磁噪声中探测，减少工频噪声干扰引起的原始数据失效，有着降噪效果好的优点。

24、本发明中，在同步挤压抑制尖峰噪声时，通过计算阈值，并选取大小适当，保证抑制噪声的效果，同时不会除去有用信号，保证得到更加准确的第二磁共振探测信号，保证在下一步骤中的信号特征提取能够提取出更加准确的参数特征，进一步提高地下水探测的精确性；本发明中，在通过求解拉莫尔频率处单边幅值校正系数，消除频域栅栏效应影响；对含噪的第二磁共振探测信号进行离散短时傅里叶变换；最后进行第二磁共振探测信号特征参数的优化提取，在复杂噪声干扰下，通过离散的时频分析之短时傅里叶变换实现获得更加准确的信号参数。

25、本发明中，由于尖峰噪声的存在会降低信号参数的提取精度，因此，针对尖峰噪声抑制的特点，提出了联合同步挤压小波变换和改进阈值算法的磁共振探测信号尖峰脉冲噪声剔除方法，能够较好的去除磁共振探测信号中的噪声信号，并得到磁共振探测信号中的参数特征，提高对地下水探测的精确性。