[发明专利]一种地面核磁共振信号提取方法

说明书

本发明具体是利用基于工频谐波建模和自相关的地面核磁共振信号提取方法。该方法包括以下步骤：步骤(1):利用地面核磁共振地下水探测仪器采集到一组MRS含噪数据；步骤(2):利用统计方法判断是否存在尖峰噪声，如果存在，去除尖峰噪声并用插值结果代替，如果不存在，则测量数据保持不变；步骤(3):将去除尖峰噪声的数据，利用谐波建模的方法去除工频谐波噪声；步骤(4):对步骤(3)的结果进行自相关和叠加处理减小随机噪声；步骤(5):对步骤(4)后的结果进行MRS信号参数提取。本发明方法解决了磁共振测深找水工作中由于强工频谐波干扰和随机噪声造成的MRS信号有效提取的难题，获取的MRS信号关键特征参数的拟合误差较小。

技术领域

本发明涉及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，具体是利用基于工频谐波建模和自相关的地面核磁共振信号提取方法。

背景技术

地面核磁共振(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作为一种地球物理新技术，近年来被广泛应用到地下水探测中。与传统的地球物理间接找水方法相比，地面核磁共振方法具有高分辨率，高效率，信息丰富和对水文参数具有唯一解释的特点。地面核磁共振方法的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，提取其特征参数，再通过反演解释来获取地下水的水质信息。从一些国内外研究和应用中可以看出，MRS方法不仅在寻找地下水和地下水资源评价等方面取得了良好的应用效果，而且在获取水文地质参数和定量化解释方面也取得进展。

MRS方法虽然比其他传统方法具有明显优势，但也存在一些不足。实际探测到的MRS信号是非常微弱的纳伏级信号，信号中噪声干扰非常大，包括尖峰噪声、随机噪声和工频谐波噪声等，其中由电力线干扰引起的工频谐波噪声对其影响最大。目前，针对滤除核磁共振信号中噪声的理论和方法有很多。訾彦勇在著作《基于EMD的磁共振探测信号噪声抑制方法》，提出一种新型的信号时频处理方法，可以在没有输入信号任何先验知识的情况下，自适应地将信号分解成若干个固有模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)，实现信号趋势的有效提取，但存在端点效应和模态混叠问题；田宝凤等人在著作《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》中直接利用观测数据不断递归更新处理参数，实现不同信噪比和信号强度下MRS信号噪声的去除，但该方法需要远端线圈同时采集噪声数据做参考，对于单通道仪器无法实现，而且只能对相关噪声处理，不能保证将多个工频谐波噪声全部消除。

CN104459809A公开了“基于独立成分分析的全波核磁共振信号噪声滤除方法”，该算法能够有效地实现全波MRS信号的信噪分离，且数据拟合后初始振幅和弛豫时间的相对误差小于±5.00％，相比于其他经典算法该算法更具有消噪性能的优越性，但该方法只针对去除磁共振信号中的工频谐波噪声。CN104898172A公开了“一种基于互相关的核磁共振全波信号噪声滤除方法”，该发明利用噪声与拉莫尔频率的正弦信号不相关，而MRS幅度衰减正弦信号与拉莫尔频率的正弦信号具有相关性的特点，通过互相关运算滤除噪声，然后拟合互相关波形的包络，并重构不含噪声的互相关波形，最后利用解卷积算法提取核磁共振全波数据中的MRS信号。该方法运算数据计算量小，可以同时压制工频及其谐波噪声、随机噪声和尖峰噪声，明显提高核磁共振全波数据信噪比。但是在地磁场不稳定时或信噪比较低时，拉莫尔频率不能准确获得，利用存在频率偏差的信号进行互相关计算后，信号参数提取误差大。CN104636609A中公开了“一种基于经验模态分解与小波分析的信号联合去噪方法”，根据信号的自相关性，对混有高斯白噪声的信号进行EMD分解，由于EMD分解的性质，高斯白噪声已不再是真正的白噪声，但白噪声的统计特性近似存在，即所述混有高斯白噪声的信号的自相关函数在零点取得最大值，幅值随着时间差的变化而变化，但其随着时间的衰减很快。利用这种差异可以选取出噪声起主导作用的IMF分量有效降低噪声对信号的影响。但该方法主要是根据自相关特性对EMD分解后每个模态的属性进行判断，主要用于低信噪比下去除高斯白噪声，所以其应用存在局限性。

发明内容