面向地下有机污染的核磁共振无损定量检测方法研究

Enhancing the detection technology of subsurface organic contaminants and providing accurate information for environmental governance are of vital importance to China's ecological environment protection. However, there are two main problems in current detection methods: 1) Borehole sampling detection technology damages geological structure and causes easily secondary contamination; 2) Non-destructive methods are difficult to analyze quantitatively. To solve the problems, this project proposes a detection method based on surface nuclear magnetic resonance (SNMR) technology, and adopts the idea of decoupling compensation to reduce dead zone time. The influence of structure parameters on system performance will be analyzed by building system model, and the MOPSO algorithm will be used to obtain the optimal matching scheme of system parameters. Furthermore, the project will combine POPOV theory to study the adaptive decoupling compensation control method, and establish the functional model of the response signal and contaminants information using the Unscented Kalman algorithm and the Kriging model. The research results will provide a new research basis and method for the non-destructive and quantitative detection of subsurface organic contaminants, and have important academic significance and application value for the treatment and remediation of ecological environment.

增强地下有机污染物的检测技术水平，为环境治理提供准确信息，对保障我国生态环境安全至关重要。然而，当前的检测方法主要存在两个问题：1)钻孔取样检测破坏地质结构、易引发二次污染；2)无损检测难以进行定量分析。为了实现对地下有机污染物的无损、定量检测，本项目提出基于地面核磁共振(SNMR)技术的检测方法，采用去耦补偿的思路以解决传统SNMR技术死区时间引发的信号缺失难题。并基于此，建立基于去耦补偿的地面核磁共振系统模型，分析各结构参数对系统性能的影响机理；采用改进粒子群(MOPSO)算法获取系统参数最优匹配方案；结合POPOV理论对自适应去耦补偿控制方法进行研究；利用无迹卡尔曼算法和Kriging模型建立响应信号与污染信息的函数模型和评估方法，并进行试验验证。本项目的研究成果将为实现地下有机污染物的无损、定量检测提供新的研究基础和方法，对解决我国突出的生态环境问题具有重要的学术意义和应用价值。

当前，由化工产品、石油等有机物泄漏、不良排放引起的地下污染问题已严重威胁到我国地质生态和人民健康安全。清晰污染物的空间分布和污染程度是对污染场地采取有效治理与修复措施的基础。然而，当前的地下有机污染检测方法主要包括实验室样品检测、物探无损检测两种，其中，实验室检测方法需要钻孔取样，导致地质结构破坏、易引发二次污染；传统无损探测方法难以对污染物进行定性定量评估。因此，根据环境治理的迫切需求，给地下有机污染修复工作提供准确信息，突破污染物的检测技术瓶颈已成为当务之急。.为了实现对地下有机污染物的无损、定量检测，满足实际探测的需求，本项目结合地面核磁共振(SNMR)技术对含有大量氢质子的地下水和有机污染物敏感，具有现场原位、无损、定性定量检测的特性，提出基于该技术的地下有机污染检测方法，采用去耦补偿的思路以解决传统SNMR技术死区时间引发的信号缺失难题。在项目资助下，我们建立了基于去耦补偿的地面核磁共振系统模型，分析各结构参数对系统性能的影响机理；采用改进粒子群(MOPSO)算法获取系统参数最优匹配方案；提出了新型高性能传感技术，采用背靠背的MOSFET半导体开关代替传统继电器开关，缩短机械开关动作产生的振荡导致的采集延迟；探究了基于发射信息预测和POPOV理论的自适应去耦补偿控制方法和快关断技术；研究了基于建模反恢复、无迹卡尔曼、Kriging模型的多步数据预处理策略，可实现对核磁共振关键参数的有效提取；探究了QTI+Block的磁共振精准反演方法，能够实现对地下有机污染物的定量评估与检测；最终，搭建了科研样机，研制的原理样机通过实验室测试新系统的死区时间由传统的20ms降到1ms，为获取完整的MRS信号提供了技术支撑。本项目的研究成果将为实现地下有机污染物的无损、定量检测提供新的研究基础和方法，对解决我国突出的生态环境问题具有重要的学术意义和应用价值。