利用分段时频峰值滤波法抑制磁共振全波信号随机噪声

磁共振信号极其微弱,容易受到周围环境中各种电磁噪声干扰.其中随机噪声,由于频带宽、不规则、无规律、与有效信号混叠,难以抑制.近年来,采用数量级为10⁴~10⁵ Hz采样频率收录的全波磁共振信号,以其携带丰富全面的信息量,为数据处理及解释提供了更多的潜能.然而,只要随机噪声的幅度大于信号幅度,拟合得到的信号特征参数准确度就会降低.目前普遍采用的数据叠加方法仅能抑制部分随机噪声,且需要多次采集信号,探测效率低.本文针对全波磁共振信号采样点数多和信号非线性强的特点,提出采用分段时频峰值滤波（STFPF）法消噪,将全波磁共振信号分成若干段,编码为解析信号的瞬时频率,采用短窗长PWVD计算解析信号的时频分布,利用时频分布沿瞬时频率集中的特性,通过提取时频分布的峰值获得信号的无偏估计,达到抑制全波磁共振信号随机噪声的目的.为了验证消噪效果,与传统叠加法进行对比分析,仿真结果表明,对于单次采集信号,信噪比低至-5 dB时,STFPF方法依然能有效抑制信号中的随机噪声,消除随机噪声后信噪比提高23.19 dB,信号的初始振幅拟合误差为3.03%,平均横向弛豫时间拟合误差为2.7%,消噪效果优于传统叠加法,且由于无需多次采集磁共振信号,可有效提高探测效率.模型数据的反演解释进一步验证了STFPF方法的有效性,本文研究结果为实际数据处理奠定了良好的基础.     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

基于稀疏表示的地面磁共振信号提取方法

在多孔隙含水层中地面磁共振（surface nuclear magnetic resonance,SNMR）信号呈现多弛豫衰减特性,常规盲源分离方法和单指数拟合方法引起信号严重失真和信息缺失等问题.本文提出了基于稀疏表示的随机噪声背景下多弛豫SNMR信号的提取方法.根据SNMR信号的衰减特征,设计了精确刻画SNMR信号且与随机噪声不相关的离散衰减余弦冗余字典.其次,针对多弛豫SNMR信号稀疏度未知的问题,通过设置合理的残差比阈值控制迭代次数,改进了广义正交匹配追踪（generalized orthogonal matching pursuit,gOMP）算法,使得该方法应用于SNMR信号的提取时,具有更好的自适应性和普适性.再次,鉴于SNMR测量数据为多次独立重复采集的结果,提出了基于数据流的SNMR信号提取策略,在提高算法鲁棒性的同时,保证了信号提取结果的唯一性.最后,通过仿真和实测数据证明了基于gOMP算法的稀疏表示方法可以显著地提升多弛豫SNMR信号的提取质量,降低随机噪声对含水层反演结果的影响,提高SNMR探测能力.     

基于谐波建模和自相关的磁共振信号消噪与提取方法研究

磁共振探测技术（Magnetic Resonance Sounding,MRS）以其无损、定量、直接等优势,被广泛应用于地下水调查、水文环境评价以及灾害水源预警等领域.在实际应用中,强工频谐波和随机噪声等严重影响MRS信号的质量,导致后续水文参数解释不准确.针对这一问题,提出谐波建模和自相关相结合的方法进行消噪以及信号特征参数提取.首先构建工频谐波模型,针对建模算法严重依赖工频基频精度的问题,采用自适应扫描方式搜索方案,大幅提高搜索准确度和速度;其次推导了MRS信号自相关表达式,提出了自相关参数提取的非线性拟合方法.仿真数据结果表明,建模消噪方法有效消除了工频谐波,信噪比平均提升了17.03 dB;自相关处理后,信噪比进一步提升了16.10 dB,初始振幅和弛豫时间参数提取结果的准确度比处理前分别提高了3.8倍和2.8倍.通过不同信噪比和弛豫时间的重复实验,得到当噪声水平小于200 nV和弛豫时间大于200 ms时,自相关参数提取具有较高的稳定性.最后,通过野外实测数据处理实验,进一步验证了联合消噪和参数提取方法的有效性.     

基于偶极弯曲波频散的横波慢度径向分布反演

本文针对地层横波慢度径向分层模型,分析了地层横波慢度的径向非均匀性对弯曲波频散的影响.基于径向非均匀与均匀模型之间弯曲波频散的差异,结合微扰法和Backus-Gilbert(BG)理论建立了反演横波慢度径向分布的方程,求取了地层横波慢度的径向分布.在无噪声和参数误差时,反演结果较好地反映了实际地层横波慢度的径向分布,当井孔流体或井外地层纵波慢度的选取误差在10%内变化时,反演结果基本保持不变;存在信噪比(SNR)为20 dB(信号的功率为噪声的100倍)或10 dB(信号的功率为噪声的10倍)噪声时,反演结果没有发生明显的改变,其相对误差基本控制在10%以内,可见噪声对反演结果的影响不大.以上反演结果说明,本文采用的结合微扰法和BG理论的反演方法来估测地层横波慢度的径向分布时,具有很好的鲁棒性,可以被用于现场了解井壁周围的地层性质.     

压缩小波变换和非线性阈值技术压制磁共振尖峰噪声方法研究

地面磁共振是一种新的地球物理探测方法,能够通过探测地下水中氢质子丰度获取地下水含量、孔隙度等水文地质信息.然而,磁共振信号甚为微弱,仅达到纳伏级(10~(-9)V),极易受到噪声干扰.其中,尖峰噪声对磁共振信号影响最为严重,亟待研究有效的噪声抑制方法.小波多尺度分解硬阈值是近两年国际磁共振领域专家提出的尖峰噪声有效消除方法,但硬阈值算法设定阈值的固有缺陷会引发信号震荡,出现伪吉布斯效应,导致信号损失.基于此,本文提出压缩小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform,SWT)和非线性國值处理(Nonlinear Thresholding,NT)算法联合消除磁共振信号尖峰噪声干扰.首先选择Morlet小波作为基小波,使得信号与噪声数据具有更高的时频集中性,利于尖峰噪声消除.其次,基于压缩小波系数进行非线性处理,可以弥补利用硬阈值和软阈值进行噪声消除时所引起的信号损失.仿真数据和实际数据结果表明,SWT联合NT方法可以利用单次采集数据有效消除尖峰噪声干扰并还原信号.本文提出的消噪方法将为磁共振数据后续反演解释,如多指数弛豫反演,奠定坚实的基础.     

基于灰色判别准则和有理函数滤波的伪随机电磁数据去噪

为压制伪随机多频电磁信号中的强干扰、提高数据质量,本文提出一种基于灰色判别准则和有理函数滤波的数据处理方法.首先通过灰色判别准则剔除各个频点频谱数据中的明显异常值,然后进行有理函数滤波得到充分接近真实值的圆滑数据曲线,进而约束数据的二次优化处理,剔除残余噪声的影响.为验证本文方法的处理效果,在实测无明显噪声数据中加入几种不同类型的强噪声,然后用本文方法进行处理.仿真处理结果表明,本文方法能高精度逼近原始数据,处理后数据误差低达8.09%.最后,将本文方法应用于重庆某工区实测伪随机多频电磁数据处理.结果表明,本文方法可以有效压制干扰,在频谱数据个数少、干扰幅值大（高达有效信号幅值的几个数量级）的情况下,仍可有效压制强干扰.处理后的数据相对误差显著下降,视电阻率曲线形态平滑,达到提高信噪比,改善实测数据质量的目的.     

强干扰地区CSAMT数据信息熵与有理函数滤波的处理方法

CSAMT在强干扰地区采集的数据,尽管在测量时采取了多种多样压制干扰的措施,但强干扰余音仍是影响CSAMT数据质量的主要因素.如何在数据处理时进一步削减干扰,是提高CSAMT反演数据质量与反演解释效果的重要一环.本文主要针对矿山强电磁干扰的特点,从美国Zonge公司的GDP仪器为选频测量数据出发,提出了一种基于信息熵去噪与有理函数滤波相结合的数据处理方法.首先采用CSAMT数据误差熵处理,逐次剔除大的干扰数据,直到得到满意的信息熵,从而提取实际的有用信号数据.然后对经过信息熵处理后的测深曲线,进行有理函数滤波处理.再次剔除干扰大的跳点,得到较圆滑的测线纯异常数据.通过数字模型验证,其方法正确,精度较平均处理结果高.经在强干扰矿山实测数据处理表明,该处理方法压制干扰效果明显,可以达到提高信噪比,改善实测数据质量的目的.     

数学形态滤波在地磁数据干扰抑制中的应用

针对地磁观测信号容易受仪器噪声和脉冲噪声等干扰,提出一种根据干扰特征对地磁信号进行数学形态滤波的新方法.通过谐波拟合地磁日变形态信号中添加随机噪声和瞬态脉冲噪声,模拟抑制含有这类干扰的地磁信号.通过数值模拟,验证了数学形态滤波具有抑制脉冲干扰地磁信号噪声,降低仪器噪声干扰,保留地磁信号特征,提高地磁信号信噪比等良好的特...     

背景噪声互相关函数多尺度成像研究

当前研究表明噪声互相关函数中成分较为复杂,其包含各阶频散曲线信息,传统从互相关函数中提取基阶频散曲线信息成像方法存在有效信号遗漏风险.因此,本研究不再提取频散曲线,而是直接利用互相关函数进行成像,系统研究了基于两个台站的噪声互相关函数数据处理、正演和反演方法.此外,在地震勘探中,如何划分地层网格,并选择合适的反演频段对于高精度成像具有较为重要的意义.因此,本研究提出了层厚和反演深度随频率变化的多尺度反演方法.在成像中首先划分较粗的地层网格,选择较低的频段反演得到地下大尺度介质结构,由于较粗网格虽然反演稳定且计算量较小,但分辨率有限,因此对反演大尺度结果重新划分较细网格,并选择高频段进行反演,这一策略可以减少反演参数个数,从而提高反演稳定性,并且降低计算量,同时可以从模型尺度提高反演的分辨率.实际数据处理验证了方法可行性.本文噪声互相关函数成像方法为仅能布设少量地震台站的特殊地区的探测(如月球、火星等地外天体)提供了更多选择,并且为复杂介质多尺度成像方法的研发铺平了道路.     

利用SE求取SNMR横向弛豫时间方法研究

自旋回波作为测量T₂时间的重要脉冲序列,由该脉冲系列交变磁场激发而获得的核磁共振信号不受磁场不均匀性的影响,这对于以地磁场作为稳定磁场的SNMR方法来说,可以减小地磁场不均匀对NMR信号的影响,得到真实、可信的T₂值,提高信噪比。将自旋回波信号应用到地面核磁共振找水方法中求取T₂分布,在国内尚属首例,本文借鉴核磁共振测井中的多指数反演方法,采用奇异值分解算法编程,反演得到T₂分布,并与SNMR反演软件的结果T₂*对比。结果证明,用SE信号提取T₂时间,可以减少地磁场不均匀对NMR信号的影响,更真实地反映T₂分布,提高信噪比。      

Advantages of the Optimum Pulse Moment in Surface NMR and Application in Groundwater Exploration

The surface nuclear magnetic resonance (SNMR) method is widely used in groundwater detection because of its sensitivity to hydrogen in water and direct water detection. However, low signal-to-noise ratios (SNRs) restrict the development of this technique. An optimum pulse sequence is designed according to correspondence between the pulse moment strength and its best detection depth. Because only selection of the pulse intensity distribution according to the target aquifer depth is required and the “on-resonance” pulse pattern is still employed, this pulse sequence emission can be easily achieved using existing SNMR instrumentation. Numerical simulation results and field experiments show that, compared with traditional exponential growth pulses, the optimum pulse sequence effectively improves the SNR of the SNMR method. The aquifer boundary, water content, and pore characteristics of the inversion result are thus more consistent with characteristics of underground structures. Additionally, because the optimum pulse sequence focuses most of the pulse moments in the target depth range, in situations where two aquifers are separated by a relatively narrow aquitard, it is better able to resolve the individual aquifers than the traditional pulses. Optimum pulse moments improve the SNR by enhancing the signal amplitude, compared with various filtering methods, and obtain a better detection effect. This kind of pulse sequence can be used as an alternative pulse sequence form of the SNMR method.     

Complex Inversion of MRT Signals under Different Loop Configurations for Groundwater Exploration

Surface nuclear magnetic resonance (SNMR) is a relatively new geophysical method for non‐invasive groundwater exploration and aquifer characterization. Conventional SNMR surveys based on one‐dimensional (1‐D) inversion of amplitude data recorded only using coincident loops provide limited or distorted groundwater distribution information, especially in regions with strong lateral heterogeneity and complicated hydrological environments. The simplistic approach limits the applicability and efficiency of SNMR, which was therefore made more effective in this study using a sophisticated signal response formulation. The elliptical polarization parameters of the excitation magnetic fields and 2‐D sensitivity kernels (including real and imaginary parts) of three commonly used loop configurations were first calculated. After all the individual complex signals of five simulated measurement series along a profile were incorporated. The 2‐D magnetic resonance tomography (MRT) complex inversion scheme was then used to perform high resolution tomography of synthetic models under the three loop configurations, taking full advantage of the different sensitivity distributions offered by the different loop configurations and the high sensitivity of the imaginary parts of signals to deep structures. Contrast analyses of the tomographic results showed that the complex inversions significantly decreased model ambiguities and increased depth resolution even with artificial noise added. Coincident loop measurements usually gave the best vertical resolution, and separated loops provided better lateral resolution. However, various factors would influence phase data, meaning that the complex inversion of field data is neither very reliable nor very common at present.     

相控震源定向地震波信号分析

应用可控震源地震勘探,当环境噪声很强,采用组合震源工作仍不能满足信噪比要求时,引入能形成定向地震波的相控震源.由相控震源定向照明地震理论分析,主波束方向上3单元相控震源产生的反射地震波信号信噪比比单震源高6.53~9.54 dB,比组合震源高1.76~4.77dB.为研究相控地震实际效果,在同一测区进行了三种震源地震对比实验.由单炮地震记录和水平叠加时间剖面可知,相控震源反射波信号信噪比明显高于单震源情况,略高于组合震源情况.进一步对反射波信号功率谱特性做定量分析,得到如下结果：与单震源情况相比,相控震源使各道反射波信号信噪比提高了0.75~8.15 dB,平均提高3.65 dB;与组合震源情况相比,各道信噪比提高了0.93~3.17 dB,平均提高2.02 dB,实验结果与理论分析吻合.综上所述可知,基于相控震源的定向照明地震技术是可行的,可以有效提高地震信号的信噪比.     

1D SNMR吉洪诺夫正则化反演方法研究

地面核磁共振（SNMR）技术是目前世界上直接用来寻找地下水的技术。本文在讨论反演基本问题的基础上,用共轭梯度法实现了核磁共振的一维正则化反演。通过反演理论数据、噪声数据和实测数据,说明该方法的可靠性。