基于差分进化算法的核磁共振T2谱多指数反演

提出了一种基于差分进化(DE)算法的核磁共振弛豫信号多指数反演新方法. 将核磁共振T₂谱反演问题转化为带非负约束的非线性优化问题,不需要预先给定横向弛豫时间T_{2分布,直接利用差分进化算法进行反演计算. 在测量信号低信噪比的情况下,计算机模拟和实验数据反演都表明了该方法在分析处理NMR弛豫信号中的有效性. 关键词： 核磁共振 多指数反演 差分进化 岩心分析}     

低场核磁共振扩散-横向弛豫二维反演算法

针对低场核磁共振一维反演中无法分辨一维谱中重叠组分和目前报道的扩散-横向弛豫二维反演算法计算量大、计算耗时长的问题,提出了一种计算量小、计算效率高、耗时短的扩散-横向弛豫二维反演算法. 首先对扩散系数D-和横向弛豫时间T₂进行布点;其次根据信号采集条件计算出两个核心矩阵,并分别进行奇异值分解;然后,由所采集信号计算出两个核心矩阵的奇异值截断值,分别对两个核心矩阵的奇异值矩阵进行截断并求其逆矩阵;最后计算出初始反演结果,并添加非负约束经过多次迭代得到最终反演结果. 实验结果证明,提出的扩散-横向弛豫二维反演算法在不影响反演结果准确性的基础上,能极大提高计算效率.     

核磁共振二维谱反演

核磁共振二维谱包含扩散系数 D 和横向弛豫时间 T₂ 的信息,利用核磁共振仪来测量多孔介质中物质的信息,根据其弛豫时间和扩散系数的差别来区分不同物质;利用全局反演方法,提出了核磁共振二维谱反演的物理模型和数学模型;介绍了传统的奇异值分解（SVD）和改进的奇异值分解反演算法;采用改进的奇异值分解法对核磁共振二维谱进行反演,其反演算法具有计算速度快和二维谱分布连续等优点. 它适合于信噪比较高的数据反演,当原始数据信噪比SNR≥100时,可以对二维谱图进行定量分析;当60≤SNR<100时,可以对二维谱图进行定性分析. 核磁共振二维谱可以一次性直接区分油和水,为核磁共振测井提供了新的科学技术.     

油井样品NMR T2谱的影响因素及T2截止值的确定方法

T₂ 谱是核磁共振（NMR）测、录井技术应用与解释、评价的基础. 岩样T₂ 谱受仪器测量参数、样品性质（岩性、颗粒大小、样品粒度、样品干湿状态、孔隙流体含量及性质、磁化率、润湿性）及地层水矿化度等因素的影响. T₂ 截止值是T₂ 谱中最重要的参数之一,选取的科学性与准确性直接影响到核磁共振测量结果. 通过文献查询,对T2 谱的影响因素及T₂ 截止值的确定方法进行了分析.     

基于ADI-FDTD模拟的岩石核磁共振横向弛豫特征分析

将复杂的骨架-孔隙系统抽象成等效双孔介质,根据Bloch方程构建数学模型,用交替隐式时域有限差分(ADI-FDTD)和联合反演迭代法(SIRT)进行横向宏观磁化矢量的数值模拟与核磁共振T₂谱的反演,定量研究扩散系数、弛豫速率、孔隙组分比和孔隙宽度对核磁响应的影响.结果表明:横向宏观磁化矢量衰减速率与扩散系数和微孔隙分量成正比,与孔隙宽度成反比,与表面弛豫速率基本无关.当扩散系数较大、孔隙宽度较小时,核磁共振T₂谱难以直观反映孔隙组分及孔隙结构.应用核磁共振评价孔隙结构时需特别注意扩散系数和孔隙尺寸的影响.     

多轴差分吸收光谱技术测量NO2对流层垂直分布及垂直柱浓度

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO₂垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO₂廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO₂分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO₂廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO₂廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO₂垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO₂ 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO₂垂直柱浓度十分必要. 关键词： 多轴差分吸收光谱 2垂直廓线')" href="#">对流层NO₂垂直廓线 2垂直柱浓度')" href="#">对流层NO₂垂直柱浓度 最优估算法     

大气SO2柱总量遥感反演算法比较分析及验证

卫星遥感技术已成为城市污染气体SO₂监测和全球火山活动监测及预警的重要手段. 目前新的PCA (principal component analysis)算法有效减小了反演数据噪声, 并替代之前业务算法BRD (band residual difference)用于边界层SO₂柱总量产品的反演. 然而, 目前对PCA算法反演产品精度的评价和验证研究较少, 缺少与BRD算法产品进行长时间序列的比较以评估算法适用性, 尤其在中国大气污染重点城市区域. 本文利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)观测及多尺度空气质量模式系统(RAMS-CMAQ)大气化学模式模拟等数据, 评估PCA和BRD 反演算法的精度及误差. 另外, 选取洁净海洋地区、中国大气污染重点城市区域和高浓度火山喷发三种情况, 比较分析PCA 与BRD SO₂ 总量的时空格局变化差异及对不同SO₂总量下的适用性, 并对两种算法反演不确定性进行分析讨论. 结果表明, 在中国京津冀、珠江三角洲和长江三角洲区域, PCA SO₂总量反演值低于BRD, BRD反演结果更接近于地基的MAX-DOAS观测值, 冬季BRD和PCA SO₂总量值低于RAMS-CMAQ 模拟结果, 夏季7月和8月BRD SO₂总量值高于RAMS-CMAQ 模拟结果. 在SO₂总量接近于0 值的洁净海洋地区, PCA 算法产品噪声水平低于BRD算法, 但PCA 反演结果整体偏差大于BRD算法. 在高浓度火山喷发情况下, 当SO₂总量大于25 DU时BRD SO₂总量反演值低于PCA, 且随着SO₂ 总量增大, 两种算法反演值差异亦增大. 该研究对于OMI (Ozone Monitering Instrument) SO₂产品的应用具有重要的参考价值, 通过分析不同反演算法的差异及对其不确定性追因, 对于算法改进研究也具有重要的科学意义.     

D-T2二维核磁共振脉冲序列及反演方法改进设计

面对日益复杂的勘探对象, D-T₂二维核磁共振技术在实际应用中面临无法兼顾扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的困境. 脉冲序列作为D-T₂二维核磁共振数据采集的核心技术, 其性能优劣直接影响应用效果, 在综合对比PFG, STE-PFG, BP-PFG、改良式CPMG, 扩散编程, 多回波间隔CPMG脉冲序列性能的基础上, 有效融合脉冲梯度场、恒定梯度场D-T₂脉冲序列的优点, 本文提出一种基于脉冲梯度场的双变量、两窗口D-T₂脉冲序列改进设计. 针对两个窗口的D-T₂二维核磁共振数据反演, 为突破现有反演方法无法兼顾反演精度和解谱效率的瓶颈, 本着第二个窗口回波信号为主、第一个窗口回波信号为辅的原则, 本文提出一种同时使用两个窗口数据参与解谱的联合TSVD反演方法. 气水、油水、稠油、油气水模型不同信噪比条件下的数值模拟结果表明, 本文提供的D-T₂改进脉冲序列达到了平衡扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的设计要求, 本文提供的联合TSVD反演方法也有效平衡了反演精度要求和解谱效率. 文中的D-T₂改进脉冲序列及联合TSVD反演方法在复杂油气藏流体识别和产能预测中具有广泛的应用前景, 可为促进国内D-T₂二维核磁共振岩心分析技术的发展提供有利条件.     

多层高反膜光学常数和厚度的反演

基于精英保留策略的遗传算法具有良好的全局寻优能力和很强的鲁棒性,基于Levenberg-Marquardt 算法的非线性最小二乘法具有快速、高效的局部收敛能力.研究了将这两种算法结合起来求解多层膜光学常数和厚度的可行性和有效性.结果表明:基于两种算法的组合反演算法综合了这两种算法的优点,能以较大的概率、较高的精度找到在实际约束条件下多层膜的光学常数和厚度,特别是在寻找全局最优解方面表现出色.根据全光谱透射拟合法基本原理,应用组合反演算法分别在考虑测量误差与不考虑测量误差两种情况下反演 15 层规整高反膜的光学常数和厚度,得到了较为精确的薄膜参数.模拟实验表明:此组合反演算法可有效地求解多层膜反演问题,在反演多层膜光学常数和厚度方面具有实际的应用价值.     

反演与拟合相结合处理核磁共振弛豫数据的方法

讨论非负最小二乘（NNLS）法和非线性拟合在分析处理核磁共振（NMR）弛豫数据中的应用.同时将二者结合，提出用NNLS的反演结果来设定非线性拟合初值的方法，并用计算机模拟和实验证明了该方法在分析处理NMR弛豫数据中的有效性. 关键词： 非负最小二乘法 非线性拟合 核磁共振 弛豫时间     

2DNMR在泥页岩物性及流体评价中的应用探讨

纳米级孔隙、非达西渗流、自生自储是泥页岩油气层的主要特征,常规NMR技术难以检测到T2弛豫时间短于0.1 ms的纳米级孔隙,并难以准确评价泥页岩储层中的孔隙流体性质与含量.为了解决以上问题,以济阳坳陷下第三系沙河街组泥页岩油气主要勘探层段为研究对象,采用高分辨率2D NMR技术对采自3口井的11块泥页岩样品分别进行1D、2D NMR分析.结果表明,T2谱能够检测到泥页岩中的全部孔隙量;D-T2谱能够准确评价孔隙流体类型与含量,且核磁含油饱和度与石油的产液量、岩石热解的液态烃量具有可对比性.该项研究对精细评价泥页岩油气储层具有十分重要的意义,对进一步发展高分辨率2D NMR技术具有一定的促进作用.     

抗磁离子与氨基酸络合的NMR研究

用NMR测T₁法研究了Fe³⁺存在条件下,抗磁离子Zn²⁺、Cd²⁺、与丙氨酸的络合情况。顺磁离子使配体碳原子的纵向弛豫时间T₁明显缩短。加入抗磁离子后,由于配体竞争并将Fe³⁺置换下来,而大大加长T₁时间,根据弛豫时间的变化便可判断几种抗磁离子的相对络合能力。本文引入一个物理参数来表征抗磁离子的络合能力。     

小白鼠肌肉组织的NMR质子自旋交换分析

本文在Zimmerman-Brittin两相质子交换核磁共振弛豫模型基础上,分析了NMR弛豫实验中检测信号与各相表现和本征弛豫多数的关系,编写了自动化处理实验数据的计算机程序,这一技术可用于复相系统中不同成分的NMR表现和本征弛豫特性研究中,本文中的样品是选用健康新鲜的小白鼠肌肉,没加任何处理,用h-h,s-h,s-s脉冲序列,反转恢复法(π-τ-π/2)在强场下(0.92T)做T₁、T₂测定实验,分析结果表明本征弛豫参数T₁=1050ms,T₂=4500μs的成分是由肌肉中的"自由水"引起的,其质子相对含量为69%;本征弛豫参数T₁=530ms,T₂=26μs的成分是由肌肉中的"束附水"引起的,其质子相对含量为9%,本征弛豫多数T₁=530ms,T₂=1250μs的成分是由肌肉中的各种大分子和有机物引起的,其质子相对含量为9%,本征弛豫参数T₁=470ms,T₂=1250μs的成分由样品中的脂肪引起的,其质子相对含量为13%,在肌肉组织中的质子与水中质子之间有强烈的交换作用,其交换率k=1000s^-1.在脂肪中的质子与其它成分之间没有交换作用。     

电池正极材料中Li+运动特性的7Li NMR研究

利用变温⁷LiNMR实验对Li-电池正极材料LiMn₂O₄和LiCoO₂中Li⁺的运动特性进行了研究,结果表明,随实验温度的提高,LiMn₂O₄的⁷LiNMR谱线窄化,表明其中Li⁺迁移能力增加,而LiCoO₂的谱线无变化.此外随温度提高,LiMn₂O₄的⁷Li的T₁变短,而LiCoO₂的T₁变长,产生这种不同变化趋势的原因在于LiMn₂O₄和LiCoO₂晶相结构的差异造成其中Li⁺迁移能力的差别,它们各自的相关时间τ_c使⁷Li核的T₁分别位于T₁-τ_c曲线极小点两侧.     

不同温度压力对浓度反演精度的定量分析

自研傅里叶变换红外光谱仪在龙凤山大气本底站测量CO₂,CH₄等温室气体.自研仪器的测量结果与符合世界气象组织标准的本底站仪器的测量结果进行对比,结果表明:自研仪器与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9576,均方根误差为18.6015.自研仪器使用标准温度、压力下的校准光谱反演浓度,但测量气体的温度随着气温变化,导致自研仪器反演浓度有误差.基于以上分析,提取高分辨率透射分子吸收数据库参数计算吸收截面并结合仪器线形计算不同温度、压力下的校准光谱,根据不同温度、压力下的校准光谱来校准反演浓度.校准后,自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9637,均方根误差为6.7800.自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数提高,绝对误差减小,说明校准算法提高了测量结果的精确度.     

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。在25 ℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv,3.5 ppmv和4.0 ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3 654和526 ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3 898和630 ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。     

四卤化锡混合物中受扩散控制的卤原子交换动力学研究

以¹¹⁹Sn NMR 方法研究了四氯化锡和四溴化锡混合物（1∶1, 摩尔比）交换体系在不同条件下的动力学性质. 测定了在不同浓度的氘代氯仿溶液中5个交换组份的表观纵向弛豫时间（T¹）及5个组份相互间的交换速率常数（k）,结果表明交换速率常数与表观纵向弛豫速率成正比关系;同时,根据¹¹⁹Sn 1D NMR信号的线宽估测了有效横向弛豫时间（T^*₂）,并由T₁/T^*₂推断在所研究的体系中分子的运动属NMR慢运动极限. 从实验结果可推断在所研究的复杂交换体系中5个组份间的交换与分子自扩散运动有关,即化学交换与交换主体的扩散运动有必然的联系.     

R型铁氧体BaFe4-xTi2+xO11的化学组态以及磁性行为的研究

本文通过传统的固相反应法制备了R型六角铁氧体BaFe_4-xTi_2+xO₁₁ (x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1), 并且对它的原子价态以及磁性行为进行了研究. X 射线光电子能谱(XPS)结果显示了随着掺杂含量的增加, 体系中Fe³⁺离子逐渐减少而Fe²⁺离子逐渐增加. 由于具有非对称结构的阻挫晶格中存在各种关联作用的竞争, 使得BaFe_4-xTi_2+xO₁₁体系表现出了复杂的磁有序行为, 在T₁～250 K和T₂～83 K两处存在磁转变. 对这一系列掺杂样品, 在相变温度T₁之上表现顺磁行为, 而在相变温度T₂前后的磁化强度都表现出低场下随磁场的增加快速增加, 高场下则线性变化且在5×10⁴ Oe时还未达到饱和的行为, 表明这一系列掺杂样品是典型的倾斜反铁磁态(canted antiferromagnetic) 或者亚铁磁态.