数字式平均法提高MRS探测信噪比应用研究

　　1 引 言

　　我国水资源总量比较丰富，居世界第六位，但人均拥有水资源量只有世界人均占有量的 1/4，淡水资源形势十分严峻。核磁共振地下水探测方法[1-2]是当今水文地质和地球物理工作者采用的直接探测地下水的唯一有效方法。该方法是基于水中氢质子的核磁共振宏观效应，通过铺在地面上的线圈，发射零到几百安培的交变脉冲，激发地下某一深度水中的氢质子发生核磁共振产生能级跃迁，在瞬间切断交变脉冲后，利用同一线圈即可接收到地下水中氢质子产生的核磁共振信号[3]( magnetic resonance sounding，MRS) 。

　　实际应用中，地下水探测野外施工环境电磁干扰复杂，微弱的 MRS 信号通常被干扰淹没，导致探测结果不可信或者探测工作无法进行。MRS 信号为衰减的正弦振荡信号，本文中定义信噪比( signal to noise ratio，SNR)为 MRS 信号的初始振幅与干扰的平均振幅之比。数值模拟研究结果表明，MRS 信号的信噪比大于 1时，含水量计算结果与无干扰时计算结果相差不大[4];MRS 信号信噪比小于 0. 5 时，含水量计算结果与无干扰时计算结果出现明显误差; MRS 信号信噪比小于0.3 时，含水量计算结果已经不正确了。所以 MRS 测量中信噪比的大小是评估地下水测量好坏的重要依据[5]。因此，如何有效地抑制电磁干扰的影响，提高信噪比，得到所期望的数据是地面核磁共振地下水探测仪采集与数据预处理系统设计的关键问题。由野外探测数据得知，电磁干扰主要为随机干扰和相位随机的工频谐波[6]。在微弱信号检测方面，有很多研究人员提出过一些较为可行的检测方法[7-10]，结合已有的微弱信号检测技术，现有的地下水探测仪中设计了高性能的弱信号检测放大器、窄带滤波器等电路来提高仪器检测微弱信号的能力[11-12]，在野外探测时对于电磁干扰较大的区域主要采用 8 字型线圈进行测量。但是上述方法在实际应用中都不可避免地遇到以下 2 类问题:

　　1) 采用窄带滤波器易造成信号失真[13]的问题;

　　2) 采用 8 字型线圈，则造成探测深度浅。

　　为解决上述问题，本文引入利用数字式平均[14]方法，设计了数字式平均型核磁共振地下水探测采集与数据预处理系统，进行了室内和野外测试。结果表明，利用数字式平均方法，在不影响探测深度与保持信号不失真的情况下，有效地提高了 MRS 探测信噪比。

　　2 数字式平均的信噪改善比

　　2. 1 数字式平均的原理及实现

　　为了恢复淹没于干扰中的快速变化的微弱信号，必须把一次测量时间内的信号分成若干个时间间隔小段的信号，间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。然后对这些时间间隔的信号进行取样，并将每次测量周期中处于相同位置( 对于信号周期起点具有相同的延时) 的取样进行积分或平均。积分过程常用模拟电路实现，称之为取样积分; 平均过程常以数字处理的方式实现，称之为数字式平均。周期信号的取样和数字式平均运算过程如图 1 所示。i 为被测信号出现次数，T 为被测信号出现的周期。取样时间间隔为 Δt。在每个周期的起始处触发取样过程，每个周期内均匀取样 M 次，共有 N 个信号周期。