基于优化动态极化的新型Overhauser磁力仪研究

As the key instrument for measuring the earth magnetic, high precision magnetometer has significant applications value in geophysics, mineral resources, aerospace and military. On the basis of preliminary research, this project would carry out research on high-precision magnetic field measurement technology based on dynamic nuclear polarization. The main contents are as following: optimizing Overhauser effect by means of Hartmann-Hahn dual-resonance condition in which two nuclear occurs polarization transfer with the same Rabi frequency, and studying enhancement technology of proton precession signal to further enhance the sensitivity of magnetometer; studying the Free Induction Decay（FID） signal detection and high-precision frequency measurement technology to reduce the distortion of measured signal which noise bring about, and then improving the accuracy of magnetometer; utilizing the tracking compensation technology against geomagnetic field disturbances, the noise of geomagnetic compensation system has been reduced. By the optimized design of the sensor, the double-resonance excitation technology, the "secondary tuning" technology which reduce the signal band to improve SNR, high precision frequency measurement algorithm for FID signal by multi-channel and paralell processing, the project would develop a new Overhauser effect magnetometer prototype with high sensitivity and precision.

作为测量地球磁场的核心设备，高精度磁力仪在地球科学、资源和环境、海洋开发和军事等领域中具有重要应用价值。本项目在前期进行动态极化高精度磁场传感器研究的基础上，开展优化动态极化效应（DNP）的双共振激励问题研究，并应用于地磁场高精度测量。项目主要研究内容有：利用两个核在同一频率发生极化转移的Hartmann-Hahn双共振条件，对动态极化效应进行优化，研究质子磁矩旋进信号的增强技术，以进一步提高地磁场测量的灵敏度；FID信号检测及频率高精度测量技术研究，以降低各种噪声对被测信号的畸变，提高磁场测量的精度；环境干扰磁场的跟踪补偿技术研究，降低地磁补偿系统噪声，保证地磁场测量指标的可信度。通过对传感器的优化设计及双共振激励技术、减小信号频带提高信噪比的"二次调谐"技术、FID信号多通道并行测频技术等关键技术的攻关，研制高灵敏度、高精度的、基于优化动态极化的新型Overhauser磁力仪原理样机。

随着勘探领域的扩展与加深，传统Overhauser磁力仪已不能满足实际工程需求，研究高精度、高分辨率的Overhauser磁力仪尤为重要。本课题围绕这一主题，针对国内外现有Overhauser磁力仪采用自发极化转移技术造成的质子极化强度无法达到最优的缺陷，首次提出一种基于优化动态核极化效应的新型Overhauser磁力仪，并对其关键技术进行攻关。完成的主要研究工作和取得的成果如下：.1）研究了Hartmann-Hahn双共振受激极化转移技术，建立了双磁场极化数学模型，得到了相应布洛赫方程稳态解以及磁化强度与双激发磁场之间的关系。最终证明了优化动态核极化效应可以使发生能级跃迁的质子粒子数增加约13.8倍，从而进一步提升FID信号强度；.2）针对FID信号现有调谐算法普遍存在的调谐速度慢、精度低等问题，提出一种基于SVD和STFT的高速、高精度二次调谐算法，首次将STFT引入FID信号的特征分析领域。结果显示所提出的二次调谐算法在调谐精度和速度方面整体优于现有方法，同时解决了高噪声背景下磁力仪的失调问题；.3）针对FID信号现有测频算法存在的测频时间较长、精度较低等不足，提出一种优化的多通道同步等精度测频算法，并设计了一种抑制触发误差的毛刺滤波方案。结果显示所提出的多通道同步测频算法使得磁场测量绝对精度提高了约7.75倍，灵敏度提高了约11.4倍；.4）针对现有Overhauser传感器谐振腔尺寸较大、谐振频率与所选自由基物质极化频率不一致等问题，提出一种基于笼式线圈的谐振腔结构，得到了与自由基物质极化频率一致的谐振腔参数，解决了对谐振腔结构和参数进行仿真验证的问题，使谐振腔达到了理想的谐振频率，并实现了均匀的磁场分布，提高了激励效率。.综上所述结果，本研究为探讨未来Overhauser磁力仪的发展方向奠定了坚实的工作基础，同时对于认识优化动态核极化效应提供了重要的启示性线索。项目资助发表SCI/EI论文23篇；申请发明或实用性专利8项；授权软件著作4项；培养博士后1人，博士生2人，硕士生6人。项目经费各项支出与预算相符，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。