TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 9, September 20 13, pp.  5055 ~50 6 0   ISSN: 2302-4 046           5055      Re cei v ed Fe brua ry 24, 20 13; Re vised  June 1, 201 3; Acce pted Jun e  17, 2013   Inversio n  of Surface Nuclear Magnetic Resonance by  Regularization with Simulated Atomic Transition  Method      Hong xin Wu * , Guofu Wan g , Faquan Z h ang, Jincai  Ye, Anqing Sun   Schoo l of Information a nd C o mmunicati on E ngi neer in g, Guilin Un iversit y  of  Electronic T e chno log y    No.1, Jinji R o a d , Qixi ng Distri c t, 54100 4, Guilin, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w u ho ng xi n4 5 @ 16 3.com       A b st r a ct   Initial w a ter  c ontent  i m pacts  the  accuracy  an d re s o luti o n  of th e i n ver s ion  in s u rfac e n u cle a r   ma gn etic reso nanc e (SNMR ) . In order to solve this  pro b le m, a n e w  meth od c a ll ed  as regu lari z a t i o n   combi ned  w i th simul a ted  ato m ic tra n siti on  meth od  ( R SA T A ) is prop os ed. T he  inver s ion  of SNMR  i s   transformed  int o  a n  u n co nstra i ne d n o n lin ear  glo bal  o p ti mi z a tion  prob le m,  a nd  it solv ed  dir e ctly by  RSAT A   w i thout pre-ass i gni ng th e in itia l w a te r content  distributi on. T he co nju gat e g r adi ent  li near iterative alg o rith is ad opte d  to l ook for l o ca mini mu an d g l oba l ex tre m e  v a lu e w hen  usin g RSAT A, an has i m prove d  t he  inversi on s p e e d . Resu lts sho w  that this method  is a v e ry   goo d so lutio n  t o  solv e the  effect of in itial w a ter   content  and  it  is als o  b e tter than  t he existin g  meth ods on the  o perati on efficiency an d the  acc u racy o f   inversi on.     Ke y w ords reg u lari z a tio n , simulate d ato m ic transiti on al gorit hm (SAT A), inv e rsio n, SNMR     Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Surface Nu clear magn etic  re son a n c e (SNM R) d e te ction te ch nol ogy is  one  a nd only  dire ct detecti on gro und wat e r method [1] ,  many schol ars h a ve dev elope d this theory and ma de  field test s o n  this te ch nol ogy [2-6]. T h e inversio n o f  wate conte n t plays an  i m porta nt rol e  in   resea r ch of S N MR.  While  the a c cura cy  and resolutio n  of SNM R  in versio n a r e th e key fa ctors  of  inversi on alg o rithm. In order to simplif y this  proble m , we rega rd the inversi on pro c e s s as a  mathemati c al  model of sol v ing function al minimu m. We always calcul ate this minimum qu e s tion  by linear ite r a t ion method s,  su ch a s  Steepe st  De sce n t method [7] ,  Conjug ate  Gradi ent met hod   [8], Newton  method [9], and no nline a r  iterativ e m e thod [10]: Monte Carlo  method [11 ] Simulated A nneali ng m e thod  (SA) [12 ], et al.  However, the  line a r ite r ative  method dep en d   much  o n  the   initial mod e althoug h they  have  adv ant age s of  go od  stability, hi g h  comp utatio nal   efficien cy. But it is not easy to get a reasona bl e ini t ial model in  compl e x ele c tric conditio n s while   the n o n linea r iterati v e method s based on  ran dom  search  can o b tain th e global o p timal  solutio n  with out depe ndin g  on the initi a l model,  but  it has poo r stability and sl ow conve r ge nce   spe ed.   In orde r to solve the prob lem of the ini t ial value influen ce an d re alize fa st an d stabl inversi on  duri ng the i n version, we  have  pro p o s ed  new  metho d   whi c h i s   calle d as combin ed  regul ari z ation  method  with  simul a ted at omic tran sitio n  metho d  (RSATA) to sol v e the optim al  solutio n  of SNMR inve rsi on. The ide a  of RSAT A method i s  to model the p r ocess of ato m ic   transitio n. Th e obj ective fu nction  of  solv ing the   SNM R  inve rsion  i s  e quivale nt to the  en ergy  of   atomic. And the obje c tive functio n  tendi ng to a smal l e r value is li ke the transitio n from an excited  state with hig her en ergy to that of lower ene rg y or  grou nd state.  The prob abil i ty of  transiti on  from o ne  en ergy level  to  anoth e ca n  be  cal c ul ate d  a c cordi ng  to the Bolt zman di stri but ion .   Comp ared wi th singul ar va lue de comp o s ition (SVD), and SA for the inversi on of  one layer wa ter   conte n t, the simulation re sults sh ow tha t  the R SATA  is more stabl e and fast for efficient SNMR  inversi on.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 9, September 201 3:  505 5 – 5060   5056 2. For w a rd  Modeling of  SNMR  Assu ming tha t  a wire ante nna is laid o u t  on the grou nd in a circle,  the antenna  is then   energized  by a pul se  of a l ternating  current a nd an alternatin m agneti c   field can   be dete c ted  using the same antenna  after the pul se is termi nated. Oscillating  with th e Larm or frequency, the   SNMR si gnal   (, ) E tq  h a s an  ex pone ntial e n v elope  and   depe nd s o n   the pul se  p a r ameter 0 qI   * 02 0 0 ( , ) e xp( / ) c o s( ) Etq E t T w t   (1)     W h er * 2 T  is the  spi n -spin  rel a xation time,  and  0 is th e p h a se  of S N MR sig nal,  0 w is e q ual to   the Larmor freque ncy  of the proto n s 00 wH , with  0 H bei ng the ma g n itude of th geoma gneti c  field and  the gyro mag netic ratio for p r o t ons. The initi a l amplitude  0 () Eq  can  b e   cal c ulate d  as  [4]:    00 0 1 1 1 () s i n ( ) ( ) ( ) 2 V Eq M q w d V   rr  (2)     Assu ming tha t  stratification  is hori z ontal  and ve rtical d i stributio n of  resi stivity is known,  () r the  sub s u r f a c e  re sist iv it y , r( , ) =x y , z r , () ( ) z r , Equation (2 ) ca n be simplifie d and written a s :     0 0 () ( , ( ) , , ) ( ) L Eq K q z z w z d z   (3)     Whe r e,   00 1 1 , 1 (, ( ) , , ) s i n ( ) 2 xy Kq zz M q dx d y     (4)     We limit integration by  22 (2 ) 2 x yD   and 2 L D , where  D  is the antenn a dia m eter.       3  Inv e rsion of SNMR Data  Assu me that the gro und wat e r struct u r e i s  layer distri bu tion, and hen ce:     () () 1, () 0, jj j j jj j wz w z zz z z z  其他  (5)     Whe r 1, 2 , iM is the   runni ng in dex  of  q , 1, 2 , jN  is the  ru nning i ndex f o r the  wate conte n w () j z is a set of basi s  functio n s.  Hen c e,  the kernel ve ctors are the ele m entary  respon se s fro m  the layers  of wate r,  cha r acteri ze d by their d epth  z  an d thickne s z . When we   use a  seri es  of different pu lse, equ ation  (2)  can b e  discrete d as:          0 1 () ( , ) ( ) ii j j j j E qK q z z z w   (6)     In a matrix notation, proje c t ed Equation  (6) ca n be writ ten as:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Inversio n of Surface Nu cle a r Mag netic  Re son a n c e b y  Re gula r ization… (Hon gxi n  Wu 5057    w = 0 Ae  (7)     Whe r A is a re ctangl e matri x  of  M N with the element s 1 , (, ) j j z ij i z aK q z d z T 01 0 2 0 () , ( ) , , ( ) ) M Eq Eq Eq 0 e ,   0 () i Eq  being the set of experimen tal data;   T 12 (, , , ) jN ww w w  w   () j j ww z   being the vertical distri buti on of water  content at spe c ific aq uifer thickne s s       4. SNMR Inv e rsion Op timization Mo del  4.1. SNMR In v e rsion based on RSAT Metho d   Acco rdi ng to the cha r a c teri stics of the met hod of SNMR, the aim of SNMR inversi on is  to get the water conte n t and its depth. The und er g r o und sp ace sp an of 120m is divided into  60   sha r e s  by me sh g ene ration , and ea ch o ne is  an aq uifer with  2m thi c kne ss. So a  model  with 6 0   equal d epth l a yers i s  con s tru c ted. Th e  water  c onte n t is a col u m n  vector  with  sixty elements  whi c h a r e all  betwe en 0  a nd 1. The i n versi on of o b j e ctive fun c tio n  is  carrie d o u t according  to   Tikho nov re g u lari zation m e thod. To find  an  approxim ate solutio n  o f  matrix Equation (8)    2 2 2 () ( ) m i n L L w   dW w Aw  (8)     Whe r e:   A is an integ r al  of the kernel functio n   d  being the dat a of experime n t   W being the reg u lari zing o perator.     4.2. The Intr oduction o f   TSAT A Meth od  Inversio n of simulation ato m ic tra n sitio n  wa s first p r o posed by Ji a y ing Wa ng [1 3]. Then  a new n on-li near inve rsio n method ad apted to the gene ral ge op hysical inverse proble m  wa cre a ted     by Xuemin g S h i et al.  The y  analyzed t he  co rre sp on den ce  betwe en the  atomi c   transitio n a n d  geop hysi cal i n versi on in  T able 1 [1 4 ]. This p ape will  introd uce thi s  meth od to t h e   inversi on of SNMR, be sid e s  the re gula r i z ation  wa s co mbined  with this metho d .        Table 1. The  Corre s p ondin g  Relatio n  be tween SNMR Detectio n Inversi on an d   Simulated Atomic T r an sition   The inversion of  SNMR  w a te r con t ent  Atomic transition  The tar get level of the SNMR inv e rsion  global minimum  Local minimum  Atomic energ y  le vel  ground state of  a t om  excited state of a t om      The ste p s of  RSATA meth od are follo ws:  1.  Give a random initial model group 12 3 6 0 (, , , ) ww w w T w 2.  Use co njug ate gradi ent lin ear  iterative method to ge t tar get level (local extre m um)  and it s water co ntent thro ugh lo cal  opti m ization  inve rsio n. If the t a rget l e vel i s  less   than the give n threshold, then go to ste p  (E);   3.  Make  the  si mulated  ato m ic tran sited  acco rdin g to the ta rget  level. The transitio prob ability of target level are deci ded by  Equation (9);     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 9, September 201 3:  505 5 – 5060   5058 1, ex p ( ) / , ij ji i j EE p EE k T E E     (9)     4.  update   the model pa ram e ter,  ** w= w + δ w , where * w is  “s teady”   solution, δ w  is  rand om num ber, then go t o  step (B );  5.  Output targ et level and pa rameter of the  inversio n.      5. In v e rsion  Resul t s and  Analy s is   In orde r to demon strate t he perfo rma n c e of RSATA  method, we  used a  singl e layer  model  con s i s ting of a 10-m-thick ho ri zontal, hom o g eneo us in fre e  spa c at depth of 20m  and   three - layer m odel con s istin g  of two 10-m-thick  ho rizontal, homog eneo us in fre e  spa c e at d epth   of 20m and 1 00m and a 8 - m-thick ho rizontal, hom og eneo us in fre e  spa c e at de pth of 60m.  In the  cal c ula t ion of thi s   se ction  we  first  gi ve a  wate conte n t of the  model,  and   calcul ate  the strength   of the  signal i e a t  different p u l s e m o me nts,  then  certai n signal-to - n o ise   ratio (SNR)  of the Gaussi an white n o ise is add ed to i e ,so we get e ,signal-to - noi se i s  define d  by (10):     2 10 2 2 0*l o g i i e SN R ee    (10)    Assu me that  the whole  section i s  comp os ed o f  s i xty  2 - m- th ick  a c qu ir es , th e   geoma gneti c  field is 500 00 nT, the anten na is laid  out  on the gro u n d  in a circle  with a diam eter  of 100m, and  it is excited b y  sixty curren t  pulse s, the large s t pul se i s   10000 A ms It can be se en from the i n versi on results that RS ATA method  is effective for sin g le  aquifer mo de l, especi a lly whe n  we ad d the noise  o f  20 dB signal-to-noi se ra tio, the inversion   result is still con s i s tent wi th the model. With  the co mplexity of the model co mplex, the water   conte n t of three layer  aqui fer mod e l at depth of  1 0 0 m  wa s not a c curate  eno u gh in Fig u re  3,  whi c h i s  le ss  than mod e l, let alone th water co ntent  with ad ding  noise in Fig u re 4. At the sa me   time we  can  see th ere  are  three m o re l a yers  mod e in Figu re 5  a nd Figu re  6, Ho wever, fro m   Figure 5 and  Figure 6  we  found that th e amplitude  wh i c h we cal c ulate d  by inversio n re sult s in   Figure 3  an Figure 4  is  co nsi s tent  with t he a m p litude   whi c we  cal c ulate d  by i n versio n m ode l .  It is  th e  mu lti- s o lu tion s  pr ob le m in  g e oph ys ics  th a t  we  a l s o  en co un te r e d  ea r t h  in  SN MR       Figure 1. The  Inversion  Re sults fo r Singl Layer with out  Noise   Figure 2. The  Inversion  Re sults fo r Singl Layer with  No ise of s/n = 20 dB      0 5 10 15 20 25 30 35 40 -12 0 -10 0 -80 -60 -40 -20 0 I n v e rs i o n  res u l t s w a te r  c o nte n t/% de pt h / m     i n v e rs i o n  res u l t M ode l 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -1 2 0 -1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 I n v e rs i o n  re s u l t s w a te r  c ont e n t/ % de pt h/ m     in v e r s io n  r e s u lt M odel Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Inversio n of Surface Nu cle a r Mag netic  Re son a n c e b y  Re gula r ization… (Hon gxi n  Wu 5059   Figure 3. The  Inversion  Re sults fo r Thre Layers witho u t Noise   Figure 4. The  Inversion  Re sults fo r Thre Layers with Noise of s/n = 2 0dB                                         Figure 5. The  SNMR Fo rward of 3-l a yer  Aquifers and  the Reforwa r d of RSATA without  Noi s e Inversi on Re sult s   Figure 6. The  SNMR Fo rward of 3-l a yer  Aquifers and  the Reforwa r d of RSATA with  Noi s e of s/n = 20dB Inversio n Re sults       Table 2.  The  Compa r i s on  of Different Kinds of Inversi on Method signal-to-noise  rati Inversion method RSATA  SVD  SA  accurac y  /%   time/s  accurac y  /%   time/s   accurac y /%  time/s  40 90.3  2.73  60.9  50.2  88.2  8.91  30 86.1  2.45  50.4  52.6  80.3  9.32  20 83.2  2.87  40.7  59.2  74.3  10.33   10 81.7  3.12  30.1  60.3  70.5  11.78       The a c curacy  of inversi on  and its  rate o f  conv ergen ce at different  noise for  sing le layer  water mod e by RSATA, SVD, and S A  algorith m   are  given in  Table  2. It shows that  RSATA  algorith m  ha s obtai ned  hi gher  accu ra cy and big ger  rate of  conv erge nce with  lowe r SNR  for  observation d a ta, while SVD nee ds a hi gher S NR at  l east 40 dB to compl e te the inversi on.       6. Conclusio n   Reg u lari zatio n  combi ned  with simul a tio n  atomic tran sition algo rith m is prop ose d  to the   inversi on  of SNMR in thi s   p aper.  Fro m  th e sim u lation  experim ents, we ca n see  i n versi on re su lts  never be effe cted by the initial water  content  and th is method h a s  better p e rf orma nce on the  inversi on  of  singl e-laye and m u lti-lay e r a quifer m odel s. Moreo v er, the u s of the conju g a te   0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - 120 - 100 -80 -60 -40 -20 0 I n v e rs i o n  res u l t s w a te r  c onte n t/% d e pth/m     in v e r s io n  r e s u l t Mo d e l 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - 120 - 100 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 I n v e rs i o n  res u l t s w a te r  c onte n t/% d e pth/m     in v e r s io n  r e s u lt M odel 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 q/ A * s A m pl i t ud e / n V     M o del  F o rw ard D a t a In v e r s i o n  R e fo r w a r d   D a t a 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 q/ A * s A m pl i t ud e / n V     M ode l  F o r w ar d  D a t a In v e r s i o n  R e fo r w o r d   D a t a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 9, September 201 3:  505 5 – 5060   5060 gradi ent line a r iterative o p timization  algorithm  to fi nd local and  globe extre m um obviou s ly   increa sed th e  spee d of cal c ulatio n du rin g  the  inversi on. Com pare d  with SVD a nd SA, we can   see it is  more  fit to the inversio n of lo w SNR  sign als. S o  more accu rate unde rg ro und info rmati o n   can  be d e tected by this al gorithm  and i t  also p r ovide s   n e w way of  solving oth e p r obl ems of   low SN R.      Referen ces   [1]  Lin J. Situ atio n  and  pro g ress  of nucl ear m a g netic  res o n anc e techn i q ue for  grou nd w a ter i n vestig atio ns.   Progress i n  Geophys   (In Ch in ese) . 201 0; 25( 2): 681-6 91.   [2]  Mohnk e O, Yaramanci U. F o r w a r d mod e l i n g  and i n versi o n of MRS rela xati on si gna ls usin g multi- expo ne ntial d e c ompos ition.  N ear Surface Ge ophys i cs.  200 5 ;  3(3): 165-18 5 .   [3]  Gunther T ,  Mul l er-Petke  M. H y dr au lic Pr op erties at  th Nort h Se a Isl and  of  Borkum  Der i v ed from  Joi n t   Inversio n of M agn etic Res o n ance  and  E l ec trical Res i stivit y So un din g s.  Hydrology  and earth syste m   scienc es.  201 2 ;  16(9): 327 9-3 291.   [4] Dai  Miao H u  Xi an g-Yun W u  Hai-B o . Inver s ion of Surfac e  Magnetic  Res ona nce.  Ch ine s e Journ a l o f   Geophys i cs . 2009; 52( 10): 26 76-2 682.   [5]  T h in Lai La i T hein, M y int  M y i n t Sein. Vi e w   S y nthes izi ng for a Lar g e -scal e  Object  in a Scen e.   T E LKOMNIKA Indo nesi an J o urna l of T h eor et ical  an d Ap p lied  Infor m ati o n T e ch nol ogy .  201 2; 1 0 (5):  999- 100 4.   [6]  W E NG Aihua,  W A NG Xu eqi u ,  LIU Guo  xing , et al.  N onl ine a r inv e rsio n of  surface  nucl e ar mag net i c   reson ance ov e r  electrical l y  c ond uctive med i um.  Chin ese  Journ a l of  Ge ophys i cs . 2 0 0 9 ; 50( 3): 8 90- 896.   [7]  Yu YP, Li Z Y , Gong SP, et al. T he Resea r ch on 1 D  SN MR Inversio n b y  T i khon ov R egu lariz a tio n   Method.  CT  T heory an d App l i c ations (In Ch i nese) . 20 09; 1 8  (2): 134-1 89.   [8]  Li  T S Optimization princ i pl e and progr ammi ng  al gor ithm. Cha ng sh a: Na tiona l Un iversit y  of D e fens e   T e chnolog y Pr ess. 2001: 8- 9.  [9]  Braun M, Y a ramanc i U. Inv e rsio n of res i s t ivit y  i n  ma gn etic reso na nce  soun di ng.  J.Appl.Geo phys 200 7; 66 (2): 1 51-1 64.   [10]  Legc he nko AV , Baltassat JM.  Applic ation  of the surf ace  pr oton mag netic reson ance met hod  for  the   detectio n  of fr actured  gra n it e aq uifers , Pr ocee din g s of t he IV Me etin g  of the E n viro nmenta l  a n d   Engi neer in g Geop h y sica l Soc i et y  (E urop ea n Se ction). Barc elo na (Sp a in).  199 8; 163- 166.    [11] Guille n A, Le g c henk o A. Inve rsi on  of surfac e nuc lear m a g netic re s ona nc e data  b y  a n  a dapte d  Mo nte   Carlo meth od  app lie d to  w a t e r resource ch aracterizati on.  Jo urna l of Appli e d Geophys i cs . 200 2; 50(2):   193- 205.   [12]  Legc he nko A,  Voui llam o z JM , Ro J. A p p lic ation  of th e m agn etic res o n a n ce s oun di ng  method  to th e   investi gatio n of  aquifers i n  the   presenc e of magn etic materi als.  Geophys i c s 2010; 75( 6): 91-1 00.   [13]  Shi  XM, W a ng  JY. Yi  YY, et  al. A st ud on   the  sim u lat ed  atomic tra n sitio n  a l gor ithm for  ge op h y sic a l   inversi on.  Ch in ese J. Geophy s . 2007; 50( 1): 305- 312.   [14]  Hermag a sa nto s  Z e in, Yusra  Sabri, Al i Mas har.  Implem ent ation of  Electri c it y  C o mp etitio n F r ame w or k   w i t h  Econ omic Dispatc h  Direc t Method.  T E LKOMNIKA Indones ian Jo urn a l of  T heoretic al an d Appl ie d   Information T e chno logy.  2 012 ; 10(4): 625-6 3 2       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.