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.     

基于能量运算的磁共振信号尖峰噪声抑制方法

磁共振探测信号微弱,使用高灵敏度的核磁共振地下水探测仪,极易受到环境噪声干扰.其中,工频谐波噪声和尖峰噪声,是影响信号质量最严重的两类噪声.国内外研究表明,通过参考线圈的布设,依据探测线圈和参考线圈中噪声相关性,利用自适应参考对消算法,能够有效抑制工频谐波噪声.然而,尖峰噪声的存在严重影响了主通道与参考道的数据相关性,成为了参考对消算法应用的难题与障碍.为解决这一问题,本文提出磁共振信号中尖峰噪声的抑制方法,推导了能量域磁共振信号表达式,通过计算信号能量,可有效检测尖峰噪声并突出不易识别的小幅度尖峰噪声,采用基于中位数的绝对偏差法确定阈值,进而剔除尖峰噪声.为了验证去噪效果,与应用较广的统计叠加法进行对比研究.仿真结果表明,对于干扰幅度较大、持续时间较长的尖峰噪声,能量运算法和统计叠加法均能识别并剔除,且不损失有效的磁共振信号,标准差偏差控制在0.3%以内,可以满足实际应用的要求;对于小于信号幅度1.5倍的尖峰噪声,能量运算法可有效识别并剔除,而统计叠加法无法实现.针对多通道探测系统,使用能量运算法剔除尖峰噪声后,可明显提高主通道和参考道的数据相关性,为后续自适应参考对消算法的应用奠定了基础.实测数据处理结果进一步证明了本文方法的实用性.     

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.     

基于相关建模检测的磁共振探水同频消噪方法

地面磁共振技术能够对地下水进行直接探测,具有定性定量的优点,是一种新兴的地球物理方法.然而,磁共振信号只有纳伏级,极其微弱,易受环境噪声干扰,尤其是具有拉莫尔频率的噪声,在时频域上均与信号重叠,难以有效去除,导致提取的信号参数准确度低、反演解释误差较大.本文针对同频噪声干扰问题,提出了相关建模检测(CMDT)方法,通过相关方法实现频谱迁移和低通滤波,结合信号和噪声特征建立数学模型,采用模型变换实现同频噪声的抑制,并利用最小二乘指数拟合方法提取高精度SNMR信号.为了对新方法进行定量分析,以验证其效果,对含有不同幅度的同频噪声和磁共振信号进行仿真实验,实验结果表明在信噪比为-31.17 dB的情况下,所有参数的最大提取误差不大于1.22%,验证了新方法能够在压制同频噪声的同时提取出高精度信号参数.为了模拟野外情况,在同频噪声和信号数据中加入随机噪声进行实验,结果表明当信噪比大于-10.12 dB时,CMDT方法仍可以获取有效的信号.因此,本文的研究为处理含有同频噪声干扰的实际SNMR信号数据提供了理论依据,为后期高精度反演提供了技术支撑.     

基于双通道参考技术的磁共振地下水探测电磁噪声分布规律研究

磁共振地下水探测(MRS)技术能直接测量水中氢质子的拉莫尔进动,可表征地下水含水量和介质孔隙度等信息,因而获得了广泛应用.然而,MRS信号微弱,实际探测中电磁噪声强度大,若噪声未被有效去除,会导致后续水文参数解释不准确,采用“8”字形线圈或运用带参考线圈的噪声抵消等方法可抑制噪声干扰,但这些方法消噪效果的好坏取决于电磁噪声的空间分布.另外,在强噪声或多噪声源环境下应用MRS方法,选择恰当的探测位置对提高探测效率以及增加探测结果的有效性具有重要意义.因此,本文使用双通道噪声采集装置在实验前记录环境中的电磁噪声,通过双通道参考技术推导同一时刻不同测点的噪声强度,再得到测区电磁噪声分布结果,该噪声分布情况对MRS方法探测方式的选取具有指导性的作用.同时,可根据噪声分布情况为探测线圈选择最佳测点以避开噪声强度大的区域,进而提高采集信号的信噪比.最后,通过采集室外环境下的电磁噪声,验证本文提出的基于双通道参考技术的电磁噪声分布规律研究方法的有效性,为可靠高效地开展磁共振地下水探测提供了新的技术手段.     

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...     

基于EWT和Meyer自适应阈值的微震降噪

露天矿采场边坡的微震信号具有振幅弱、噪声多、信噪比低的特征,基于经验小波变换(EWT)及Meyer自适应阈值提出分频降噪方法.首先,针对微震信号的频谱特征,设计一种频谱分割策略,将信号和噪声分解为不同的模态;其次,分析模态的频谱和能量,采用Meyer阈值函数自适应降噪,提高有效信号振幅;最后,借助阈值函数处理包含较少有用信号的模态,重构微震信号以保持其连续性,结果表明,降噪后微震信号信噪比(SNR)高、有效信息多,噪声少;通过多种方法对比,并用信噪比与均方根误差(RMSE)对本次降噪效果进行评价,本文方法较好的保留了微震信号有效信息,降噪效果显著.     

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.     

矿井瞬变电磁探测中空芯线圈传感器的研制

针对矿井瞬变电磁法中探测空间的有限性及探测目标分布的全空间性,研制一种适合该方法的感应式空芯线圈传感器.根据矿井瞬变电磁探测需要,确定了感应式空芯线圈传感器的基本技术指标.通过对空芯线圈的物理结构和前置放大电路的等效噪声电路进行分析,获取了引入噪声的主要来源.构建感应式空芯线圈传感器的等效模型,实现传感器的幅频特性及低噪声的分析,给出影响传感器噪声水平的各噪声源随频率变化的规律,设计矿井瞬变电磁中降低传感器噪声的方法,采用该优化方法,传感器的总噪声在谐振频率处信噪比提高了15.6dB.测试结果表明:感应式空芯线圈传感器噪声性能和输出特性优于加拿大Geonics公司的3D-1HF-coil传感器,满足矿井瞬变电磁探测需要.     

地热井的天然源超低频电磁探测影响因素分析

本文使用天然源超低频电磁探测仪对北京大学校园内两口地热井进行了超低频电磁探测试验,获得了1号地热井（京热119号井）连续五天、每天四个时刻的天然源超低频电磁探测数据以及2号地热井（京热168号井）单天的天然源超低频探测的数据.基于所获得的数据,开展了地热井的天然源超低频探测影响因素的研究,这些因素主要包括：天然源超低频电磁场和观测时间的关系、探头摆放方向与接收工频谐波干扰关系以及天气状况对观测数据质量的影响等.研究表明：(1)天然源超低频电磁探测信号存在明显的日夜交替变化,其中相对振幅-频率曲线在不同日期、同一邻近时刻总体的包络线具有较好的重复性和一定的稳定性;(2)工频谐波干扰场方向是影响因素之一,当仪器探头长轴方向与工频谐波干扰场的等效主轴方向平行时噪声影响最小;(3)雨天环境会对天然场源超低频信号中的高频部分造成较大影响.     

分数维约束下的自适应对消技术研究

介绍了自适应对消技术的基本原理,分析了自适应对消技术的优缺点,针对一些缺点提出了相应的改进方法。由于常规自适应对消技术是通过迭代技术实现的,需要迭代一定次数后才能确定最佳参数,所以在信号起始位置和有效信号尾部收敛效果不好,从而影响滤波效果。引入hausdorff维数来约束地震信号,首先求取原始地震信号的hausdorff维数谱,利用有效信号与随机噪音维数的不同,将有效信号以外的随机噪音滤除,并将自适应对消中的参考噪声对应位置的随机噪音去除;然后将更新后的地震信号和参考噪声进行自适应滤波,从而得到一个优化的自适应对消滤波器。     

航空电磁数据主成分滤波重构的噪声去除方法

主成分分析方法利用低阶主成分重构航空电磁数据,解决了航空电磁探测中噪声与数据在频谱重叠情况下的噪声压制问题,但是参与重构的低阶主成分仍包含高频空间噪声,影响数据成像精度.本文提出的主成分滤波重构去噪方法,根据自适应窗宽平滑算法,设计了主成分低通滤波器组,对参与重构的低阶主成分进行测线滤波,再将滤波后的低阶主成分重构为电磁信号,不仅可以去除低阶主成分中的高频空间噪声,而且去除了高阶主成分包含的不相关噪声.仿真数据的去噪结果表明,主成分滤波重构获得较高的信噪比,较常规测线滤波与主成分重构分别提高了10.96dB和2.52dB;电导率深度成像结果证明了主成分滤波重构方法能够提高地下深部异常体的识别能力.最后通过实测数据的成像结果进一步验证了本文研究的主成分滤波重构去噪方法的有效性.     

基于自适应阈值RCSST变换的金属矿山地地区地震信号随机噪声消减

随着陆地地震勘探工作的加深,勘探环境变得越来越复杂,获得的地震信号信噪比越来越低,这给地震成像和数据解释带来了巨大的困难.为了解决这一技术难题,本文针对云南山地金属矿区的勘探环境提出了一种基于自适应阈值递归循环平移的Shearlet变换去噪算法（Recursive Cycle Spinning Shearlet Transform,RCSST）.首次将递归循环平移与Shearlet变换相结合,利用Shearlet变换的多尺度多方向特性对平移后的地震资料进行分解变换,之后,我们又提出了一种全新的自适应阈值,避免了信号系数被过度扼杀,同时也保护了有效信号.实验表明基于自适应阈值的RCSST算法克服了传统Shearlet变换去噪算法在低信噪比下易出现假轴的弊端并且能够有效地保护信号的幅度.在处理较低信噪比的模拟和实际云南山地地区地震资料的过程中,本文方法能够较好的压制随机噪声和保护有效信号.     

用时频峰值滤波方法消减地震勘探资料中随机噪声的初步研究

时频峰值滤波算法是一种新颖的基于时频分析的信号增强算法,能够有效地消除随机噪声,恢复有效波信息.本文将这种时频分析算法用于消除地震勘探资料中的随机噪声,对淹没于随机噪声下的40道共炮点记录进行时频峰值滤波,恢复出来的共炮点记录可以清楚地表现原始记录同相轴的位置.经过对40道中任选两道（即第21道和第7道）滤波前后的子波形态Wigner\|Ville分布、傅立叶振幅谱等的比较,可知仅在谷值和峰值点误差较大,子波带宽相对误差小于25％.仿真试验表明信噪比可达－7dB,说明该方法可以有效地消减地震资料中的随机噪声.     

在频率域基于小波变换和Hilbert解析包络的CSEM噪声评价

传统CSEM一般只提取主频信号,或以谐波与主频的振幅比为依据提取部分低阶谐波信号,但缺乏判断标准,实际操作中存在很大的不确定性.本文基于小波变换和希尔伯特解析包络提出一种新的CSEM信号噪声评价方法,首先在时间域中基于混合基快速傅里叶变换获得原始信号准确功率谱;其次在频率域中根据CSEM频率位置相邻频率幅值进行频谱预处理,基于离散小波变换将预处理后的频谱分成低频部分和高频部分,基于希尔伯特变换识别高频部分的上包络线,并与低频部分重构得到频谱的整体上包络线;最后根据包络线与对应CSEM频率振幅的比值估计噪声的影响幅度,根据阈值筛选出高信噪比的主频和谐波信号.本方法不需增加野外工作量即可提取大量的频率信号,特别是高阶谐波信号,实现频率加密,提高CSEM的纵向分辨能力和能源利用率.