基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法技术

本发明专利技术属于核磁共振测深信号噪声消减领域，为一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，包括以下步骤：对核磁共振地下水探测仪采集的全波磁共振观测信号进行n层小波分解，n取5‑7；提取出各层细节系数d1，…，dn以及最后一层近似系数an；用小波变换模极大值去噪算法更新每一层细节系数；利用重建的小波系数重构信号。本发明专利技术过程简单，运算速度快，通过处理单次探测信号即可实现较好的噪声消减效果。

【技术实现步骤摘要】
基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法
本专利技术涉及核磁共振测深(MagneticResonanceSounding,MRS)信号噪声消减方法，尤其是利用基于小波变换模极大值法消减磁共振信号中所含工频噪声的处理方法。
技术介绍
磁共振地下水探测技术具有可以直接反演出地下0-150m深度含水层的位置、含水量大小、介质孔隙度及电导率等水文地质信息的优点，近年来被广泛应用于我国地下水勘探领域，为缓解旱区压力提供了可靠的技术支撑。然而MRS信号十分微弱，仅有纳伏级别，极易受到环境噪声的干扰，尤其是在电力线密集的城市及周边地区探测，工频干扰是MRS测量中最常见、最严重的干扰，其严重降低了信号特征参数提取的准确度，影响反演解释中水文地质参数的结果。因此，有效消除工频噪声在磁共振地下水探测过程中至关重要。专利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”，主要针对全波核磁共振信号中的工频谐波干扰或某一单频干扰。首先利用核磁共振测深探水仪采集MRS信号，通过频谱分析获得采集信号中含有的工频谐波干扰或某一单频干扰的频率，采用数字正交法构造输入通道信号解决欠定盲源分离问题；然后，将构造的输入通道信号与采集的MRS信号一并作为输入信号进行独立成分分析，得到分离MRS信号；最后采用频谱校正法解决分离后MRS信号幅值不定问题，进而提取去噪后MRS信号。专利CN104614778A公开了一种“基于ICA的核磁共振地下水探测信号噪声消除方法”，该方法首先录入三组核磁共振响应数据，分别对这三组数据进行傅里叶变换，确定每组数据核磁共振中心频率附近所含工频谐波，然后构造与工频谐波同频率，与核磁共振相应数据同长度的正弦函数、余弦函数，并与核磁共振响应数据组成观测信号，采用独立分量分析算法对每组观测信号进行分离得到解混信号，进行数据重构以消除工频谐波的干扰，将三组去除工频谐波的核磁共振数据作为观测信号，再利用ICA算法处理，削弱剩余随机噪声的干扰。Legchenko和Valla在Geophys[2003,53,103-120]上发表的论文“Removalofpower-lineharmonicsfromprotonmagneticresonancesoundingmeasurements”中采用区块对消、正弦对消和陷波相结合的方法消减工频噪声。上述专利技术的基于独立成分分析的全波核磁共振信号噪声滤除方法，利用数字正交法构造除观测信号通道以外的输入通道信号，无需按照传统ICA要求，使用额外的仪器设备采集多路输入通道信号，打破了ICA应用的苛刻条件，节省了大量人力物力，但该方法需要进行含噪信号的分离以及对分离信号进行频谱校正，其中包括对信号进行中心化及白化处理、判断信号和噪声的高斯性、设定FastICA算法收敛条件，计算步骤繁琐，非专业人员难以操控；基于ICA的核磁共振地下水探测信号噪声消除方法，在试验过程中无需铺设参考线圈，操作简便，在压制工频噪声时不会破坏信号的细节特征，但该方法要求数据至少为三组，并且计算过程复杂，计算量较大；陷波法是目前去除工频噪声较为普遍的方法，但当噪声频率和磁共振信号频率相近时，极易造成有效信号的损失。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，有效消减工频噪声的同时不损失信号成分，该方法对受工频干扰的低信噪比全波磁共振信号具有良好的实用性，通过处理单次采集信号即可获得明显的噪声消减效果，可提高探测效率。本专利技术是这样实现的，一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，包括以下步骤：a、向理想的磁共振观测信号中加入工频噪声，构建含工频噪声的全波磁共振信号，并对含噪信号进行n层小波分解，n取5-7；b、提取出各层细节系数d1，…，dn以及最后一层近似系数an；c、用小波变换模极大值去噪算法更新每一层细节系数；d、利用重建的小波系数重构信号。进一步地，步骤c包括：1)求出每一尺度上的小波系数模极大值点及其相应的模极大值；2)在最大尺度上设定阈值，更新最大尺度上信号产生的模极大值点；3)根据尺度J的模极大值点及其邻域范围，更新尺度J-1上的模极大值点；4)在尺度1上保留与尺度2位置相对应的模极大值点的位置；5)利用各个尺度上剩余的模极大值点进行小波系数的重建。进一步地，求出每一尺度上的小波系数模极大值点及其相应的模极大值包括：求取工频噪声的均方误差σ；将工频噪声的均方差σ带入式(1)求取阈值λ，式(1)其中λ是实数，N是最高层细节系数的长度。进一步地，在最大尺度上设定阈值，更新最大尺度上信号产生的模极大值点包括:对最高层细节系数的模极大值进行硬阈值处理，当最高层细节系数的模极大值大于阈值λ时，保留其对应的模极大值点，反之剔除其对应的模极大值点，更新最大尺度上细节系数的模极大值点。进一步地，根据尺度J的模极大值点及其邻域范围，更新尺度J-1上的模极大值点包括：利用最大尺度上的模极大值点位置构造搜索邻域U(xJn)，其中xJn表示尺度J上的第n个模极大值点，在邻域U(xJn)内搜寻尺度J-1上的细节系数模极大值点，保留尺度J-1上位于邻域U(xJn)内的模极大值点，清除其余模极大值点，从而更新尺度J-1上的细节系数模极大值点。进一步地，在尺度1上保留与尺度2位置相对应的模极大值点的位置包括：将其他位置的模极大值点置为0。进一步地，步骤3)结束后令J＝J-1，判断J是否大于2，若J>2，循环步骤3)，直到尺度数为2时，停止循环。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术主要应用在磁共振地下水探测中，首先对磁共振信号进行小波变换，提取各层细节系数和最后一层近似系数，运用模极大值去噪算法对各层细节系数进行更新，利用重建的小波系数重构信号，从而消减工频噪声同时保证磁共振信号没有损失，为后期反演解释水文地质参数提供有效数据。此外，本专利技术过程简单，运算速度快，通过处理单次探测信号即可实现较好的噪声消减效果，在磁共振消噪领域具有重要意义和实用价值。附图说明图1为基于小波变换的磁共振信号工频噪声消减方法流程图；图2为理想的磁共振观测信号时域图；图3为理想的磁共振观测信号频域图；图4为含工频噪声的磁共振观测信号时域图；图5为含工频噪声的磁共振观测信号频域图；图6为含工频噪声的磁共振信号小波变换细节系数图；图7为含工频噪声的磁共振信号小波变换近似系数图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，包括以下步骤：a、向理想的磁共振观测信号中加入工频噪声(如图2所示信号为理想磁共振信号时域图，如图3所示信号为理想磁共振信号频域图)，构建含工频噪声的全波磁共振信号(如图4所示信号为含工频噪声磁共振信号时域图，如图5所示信号为含工频噪声磁共振信号频域图)，并对含噪信号进行n层小波分解，n一般取5-7；b、提取出各层细节系数d1，…，dn(如图6)以及最后一层近似系数an(如图7)；c、用小波变换模极大值去噪算法更新每一层细节系数；d、利用重建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，其特征在于，包括以下步骤：a、向理想的磁共振观测信号中加入工频噪声，构建含工频噪声的全波磁共振信号，并对含噪信号进行n层小波分解，n取5‑7；b、提取出各层细节系数d1，…，dn以及最后一层近似系数an；c、用小波变换模极大值去噪算法更新每一层细节系数；d、利用重建的小波系数重构信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波变换模极大值法的磁共振信号工频噪声消减方法，其特征在于，包括以下步骤：a、向理想的磁共振观测信号中加入工频噪声，构建含工频噪声的全波磁共振信号，并对含噪信号进行n层小波分解，n取5-7；b、提取出各层细节系数d1，…，dn以及最后一层近似系数an；c、用小波变换模极大值去噪算法更新每一层细节系数；d、利用重建的小波系数重构信号。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c包括：1)求出每一尺度上的小波系数模极大值点及其相应的模极大值；2)在最大尺度上设定阈值，更新最大尺度上信号产生的模极大值点；3)根据尺度J的模极大值点及其邻域范围，更新尺度J-1上的模极大值点；4)在尺度1上保留与尺度2位置相对应的模极大值点的位置；5)利用各个尺度上剩余的模极大值点进行小波系数的重建。3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，求出每一尺度上的小波系数模极大值点及其相应的模极大值包括：求取工频噪声的均方误差σ；将工频噪声的均方差σ带入式(1)求取阈值λ，式(1)其中λ是实数，N是最高层细节系数的长度。4.按...

【专利技术属性】
技术研发人员：林婷婷，于思佳，张扬，李玥，万玲，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22