[发明专利]基于频率选择奇异谱分析的磁共振测深信号提取方法

说明书

本发明为一种基于频率选择的奇异谱分析的磁共振测深信号提取方法。首先利用核磁共振测深探水仪采集Larmor频率已知地区的MRS信号，通过宽频带带通滤波器进行部分噪声抑制后，基于功率谱分析在功率谱上找到Larmor频率对应的MRS信号的位置；然后，进行基于频率选择的奇异谱分析从而提取MRS信号。基于频率选择的奇异谱分析包括嵌入、RSVD分解、根据MRS信号幅值选择对应的奇异值进行矩阵重构和对角平均化四个步骤。本发明能够解决含噪MRS信号中随机噪声、尖峰噪声和工频谐波干扰的有效滤除，实现复杂强噪声干扰下MRS信号的有效提取，与传统MRS信号去噪方法相比，具有运算速度快、信噪比高、实用性强等优点。

技术领域

本发明涉及磁共振测深(又称地面核磁共振)地下水探测信号噪声滤除和参数提取技术领域，具体是利用基于频率选择奇异谱分析的磁共振测深信号提取方法。

背景技术

核磁共振测深(Magnetic Resonance Sounding,MRS)技术是唯一一种直接定量表征含水量和孔隙结构的方法，其基本原理是通过探测地下水中氢质子共振跃迁产生的MRS信号响应进行地下水探测。MRS信号的数量级是纳伏，十分微弱，极易被环境中的随机噪声、工频谐波和尖峰脉冲所干扰，导致探测到的MRS信号的质量受到影响，进而影响MRS信号特征参数的提取，降低了反演结果的准确性，造成了对区域水资源含量以及存储介质成分评定的不准确。

目前，针对磁共振测深信号噪声滤除和信号提取理论和方法研究方面，国内外专家学者开展了大量研究工作。Annette Hein等人在《Symmetry based frequency domainprocessing to remove harmonic noise from surface nuclear magnetic resonancemeasurements》(《Geophysical Journal International》2017年第208期：724-736页)提出了一种基于MRS信号在频域上对称的特点来消除工频噪声的方法，但是不能处理尖峰噪声和随机噪声；田宝凤等人在《Noise cancellation of a multi-reference full-wavemagnetic resonance sounding signal based on a modified sigmoid variable stepsize least mean square algorithm》(《Journal of Central South University ofTechnology》2017年第24期：900-911页)提出了一种基于改进s函数变步长LMS的多通道全波核磁共振信号参考对消方法，但是当主通道与参考通道相关性较差时，处理效果不好。张海如等人在《基于Bayes Bootstrap统计降噪方法的磁共振测深信号检测》(《中南大学学报(自然科学版)》2014年第45卷第9期：3144-3149页)中从各导电层MRS信号分量中提取2个最优估计点来重建MRS信号，但是处理后提取的信号参数幅值e₀和平均弛豫时间T₂^*的误差较大。

CN106772646A公开了“一种地面核磁共振信号提取方法”，该方法能自适应地找到基频为49.9Hz～50.1Hz的工频谐波，求得MRS信号的自相关表达式，并且快速有效地实现信号和噪声的分离，但该方法只针对处理核磁共振信号中的工频谐波噪声；CN104459809A公开了“一种基于独立成分分析的全波核磁共振信号噪声滤除方法”，采用独立成分分析算法对工频噪声进行消除，采用数字正交法构造虚拟输入通道信号解决欠定盲源分离问题，但该方法对强随机噪声和尖峰噪声干扰无能为力。CN106226407A公开了“一种基于奇异谱分析的超声回波信号在线预处理方法”，该方法将奇异谱分析用于超声在线检测技术中的回波信号预处理，可自动实现超声检测中回波信号的噪声去除和不同频段信号分量的分离提取；CN106404386A公开了“一种用于采集、提取及诊断齿轮箱早期故障特征信号的方法”，该方法将奇异谱分析用于故障诊断中。可见奇异谱分析已被成功应用到了信号处理的各个领域，但尚未见其应用于MRS信号的噪声滤除中。

发明内容