随着我国经济的快速发展,对水资源勘查和地下工程灾害水体探测的需求持续增加。磁共振技术是直接探测地下水体的地球物理方法,但在受到强电磁噪声干扰时,磁共振探测仪器获取的信号信噪比低,严重影响反演解释的准确性和可靠性;目前提高信噪比的方法主要是增加叠加次数,但提升的程度有限同时增加了采集时间,降低了工作效率;采用多个远端参考方式也可以提高数据质量,但是参考线圈铺设距离远,且与探测线圈相关性低,噪声抵消能力有限,不适于强电磁噪声空间分布不均的环境,而距离近时损失磁共振信号。本文针对上述问题开展系列研究,主要工作如下:1、本文通过数值计算分析发射和接收线圈的匝数、含水量大小、含水层的位置,含水层厚度等变化与核函数的关系,得出采用多匝发射和接收线圈分离方式有利于提高激发效果和信号获取能力;分析了不同水平的外部噪声对磁共振信号参数拟合的影响;通过采取不同的消噪方法去除不同类型的外部噪声,得出数据处理后的数据还有大量系统噪声残留,应进一步对残留的噪声进一步抑制或消除,为本文工作的开展提供理论基础。2、针对传统的参考消噪方法在使用远端参考线圈时,环境噪声相关性随着距离的增加而降低,导致远端参考线圈噪声抑制能力有限的问题,提出了基于修正传递函数的近端参考线圈噪声抑制方法(Nearby Reference Noise Cancellation,NRNC),该方法通过提高参考线圈和探测线圈噪声的相关性来提升噪声消除能力;详细说明了NRNC方法的工作原理和具体实现步骤;对仿真数据进行近端参考线圈噪声抵消验证了该方法的有效性,并与传统的参考消噪方法(Reference Noise Cancellation,RNC)进行对比,证明了NRNC优于传统的RNC方法;给出了三种近端参考线圈铺设方式,并通过实验室实测数据分析了参考线圈的数量、位置、方向等因素对参考消噪效果的影响,说明采用近端固定三轴参考线圈噪声消除的效果最好;并与工频谐波建模方法对比,说明NRNC方法不但能有效的去除工频谐波干扰,还同时去除了与探测线圈相关的随机噪声,在去除噪声提高信噪比方面优于工频谐波建模方法。3、为了提高参考线圈与探测线圈采集数据的相关度,增加近端参考消噪方法噪声抑制效果,提出了一种基于相关度的参考线圈设计和评价方法,通过计算参考线圈与探测线圈的传递系数和有效面积乘积的比值来评价相关度,从而确定参考线圈的电气参数,并设计了满足2 m探测线圈的固定三轴参考线圈,探测线圈与三个参考线圈的相关度分别为0.321、0.379和0.347均达到显著相关,经NRNC方法处理后信噪比提升了29.87 dB。4、针对采用近端参考消噪方法时数据采集时间变长使磁共振系统工作效率降低的问题,通过分析磁共振仪器测量序列各个阶段的耗时,提出了基于匹配储能电容的一充多发的测量序列工作方式,通过配置合适的储能电容,充电一次,可以实现从最大脉冲矩逐渐到小脉冲矩发射和信号采集,在不改变原有仪器结构的前提下,提高了磁共振地下水探测仪器工作效率,平均单次发射和数据采集耗时从10.54 s降到2.75 s,工作效率提高4倍。5、最后,针对制作的三轴近端参考线圈和NRNC消噪方法,进行野外试验,消噪处理结果表明近端参考线圈方式优于远端参考线圈方式,并验证了所设计的三轴参考线圈对近端参考消噪方法的适用性,并进一步说明了环境的噪声越强,近端参考消噪方式信噪比提升越显著,为磁共振地下水探测仪器在强噪声背景下的城市和地下工程环境工作提供了研究基础和技术保障。本文中有创新意义的工作内容有:1、针对空间噪声分布不均匀导致的远端参考消噪方法噪声抑制效果有限以及目前的近端参考消噪方法存在信号失真的问题,提出了基于修正传递函数的近端参考线圈噪声抑制方法。利用参考通道和探测通道的后半段数据计算传递函数进行噪声估算,在去除相关噪声的同时避免了磁共振信号失真,信噪比提升可达18.1 dB。2、提出了一种基于相关度的参考线圈设计和评价方法。通过计算参考线圈与探测线圈的传递系数和有效面积乘积的比值来评价相关度,进而确定参考线圈的最佳参数以提高噪声抑制效果。针对2 m方形90匝探测线圈设计和制作了三轴参考线圈,线圈的相关度均大于0.32,达到显著相关水平,信噪比提升达到29.87dB。3、针对采用近端参考消噪方法时数据采集时间变长使磁共振系统工作效率降低的问题,提出了基于匹配储能电容的一充多发的测量序列工作方式。通过配置合适的储能电容,进行一次充电,可以实现从最大脉冲矩逐渐到小脉冲矩的发射和数据采集,平均单次发射和数据采集耗时从10.54 s降到2.75 s,工作效率提高近4倍。