[发明专利]一种核磁共振测深FID信号噪声抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种核磁共振领域中信号处理，特别涉及一种基于主成分分析与经验模态分解的核磁共振测深FID信号噪声抑制方法。

背景技术

核磁共振测深(Magnetic resonance sounding，MRS)作为一种直接探测地下水的地球物理方法是利用水中氢质子的弛豫特性实现对地下水的探测的，并且已在地下水勘查、水文地质调查以及滑坡稳定性评价、堤坝渗漏、煤矿老空水探测和隧道突水超前探测预警等方面均获得了应用。伴随着科学技术的进步，经过十多年的发展，目前已经商品化的仪器系统包括法国IRIS公司的NUMIS系统、NUMISplus系统、NUMISpoly系统，美国Vista Clara公司的GeoMRI系统以及中国吉林大学JLMRS-I型找水仪及其联用仪、JLMRS-III型灾害水源探测仪。

然而，上述仪器在野外工程实验中均暴露出极易受到环境电磁噪声影响的问题，尤其在中国，电网覆盖率达到96％以上，存在大量的电力线和生活用电，这将导致引入的强工频谐波等电磁干扰会将核磁共振测深信号淹没，使得核磁共振探水仪的探测准确度和灵敏度大大降低。

为了解决强电磁干扰下核磁共振测深信号有效检测难题，国内外专家学者开展了一系列研究。在国外，2002年Plata and Rubio利用采集数据的多次叠加来提高信噪比，但这种方法最致命的弱点在于过多的叠加次数将导致系统工作效率的降低；Legchenko and Valla采用同步检波技术将信号分解成两个正交的分量，使用低通滤波器滤除高频噪声的方法在NUMIS系统被采用；2003年Legchenko and Valla采用区块对消法，正弦对消法和陷波滤波器法进行电力线谐波干扰去除；2006年Strehl等提出采用小波变换手段对尖峰噪声进行处理。国内的研究起步较晚，2006年，中国地质大学在潘玉玲教授带领下研究人员采用引进的NUMIS系统进行找水实验，李振宇等曾发表文章探讨应用小波分析的方法提高核磁共振找水信号信噪比，但在信噪比较高时去噪效果不明显；2009年，王中兴根据地面核磁共振信号的特征和奇异噪声的来源与特点，提出差阈值替代叠加是对奇异噪声进行削弱与抑制的有效方法以及采用4N倍采样率进行核磁共振FID信号提取与噪声抑制，可以部分抵消随机噪声与工频谐波干扰；2009-2011年，蒋川东采用统计叠加对磁共振FID信号中尖峰噪声以及部分随机噪声进行滤除，采用自适应陷波滤除工频谐波干扰。

上述研究均是针对磁共振测深FID信号噪声去除展开，并从时域或频域信号和噪声的特性出发，进而实现信噪分离的，但是由于环境噪声的复杂性、不稳定性和无规律性，使得算法的应用效果受到一定限制，从而影响到结果的精确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种核磁共振测深FID信号噪声抑制方法，旨在提供一种全新的现代滤波手段抑制核磁共振测深FID信号的噪声，以解决强电磁干扰下核磁共振测深信号的有效提取难题。

本发明是这样实现的，一种核磁共振测深FID信号噪声抑制方法，包括以下步骤：

a、对磁共振测深系统检测到的信号进行频谱分析，利用归一化正交检测技术将检测到的信号分解为同向分量X、正交分量Y，并进行硬件滤波处理得到低频的FID信号；所得到的同向分量X和正交分量Y表示为：

E(t)＝x(t)+i·y(t)

其中，x(t)为同向分量X的表达式，y(t)为正交分量Y的表达式，E₀为初始振幅，为平均衰减时间，δω是接收角频率与拉莫尔角频率ω₀的差值，而ε_x(t)和ε_y(t)分别为同向分量X和正交分量Y上的噪声成分；

b、对采集数据采用非线性能量算子算法分别剔除FID信号中同向分量X、正交分量Y的尖峰噪声；

c、基于主成分分析方法对步骤b处理后的同向分量X、正交分量Y分别进行初步的信噪分离，将与有用信号具有强相关性的噪声分离出来并消除；

d、基于经验模态分解方法对步骤c处理后的同向分量X、正交分量Y进一步分解提取信号趋势项；

e、对步骤d处理后的同向分量X、正交分量Y分别叠加求平均后获得e指数曲线。

根据本发明的优选实施例，步骤b中将检测到的核磁信号的X分量x(t)、Y分量y(t)分别离散化成x(n)和y(n)，经过非线性能量算子算法运算后，得到：