基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法技术

本发明专利技术属于磁共振测深信号处理领域，具体是一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法，利用Hilbert变换和频谱搬移，直接将MRS信号转换成包络信号f(t)；对包络信号采用遍历的方式来确定包络信号的分解的阶数以及计算滤波区间时选取的掩码系数，根据分解阶数和掩码系数，对包络信号f(t)的实部和虚部分别采用ALIF算法通过内循环提取IMF分量以及通过外循环结束提取过程，通过余量组合的方式来提取有效的MRS信号包络。能够有效地避免EMD存在的模态混叠问题。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法
本专利技术属于磁共振测深(MagneticResonanceSounding,MRS)信号处理领域，具体是一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法。
技术介绍
地面核磁共振又称磁共振测深(MagneticResonanceSounding,MRS)，由于其直接对地下水中的氢质子作用，因而是目前世界上一种先进的能够定量确定地下水存储状态的方法。与其他的地球物理勘探方法相比，MRS方法无需钻孔，即可给出地下水的含量、位置以及储水层介质的孔隙度等水文地质信息。因而，近年来该方法在地下水探测、评价以及地质灾害隐患监测预警等方面均获得了广泛应用。该方法通过人工产生的交变电磁场激发地下水中的氢质子，受到激发的氢质子产生能级跃迁。当撤销人工场后，采集系统会接收氢质子释放能量回迁时产生的MRS信号，实现对地下水的探测。全波核磁共振信号的一般表达式为：该式包含MRS信号的四个关键参数：E0、fL、分别表示与地层含水量相关的信号初始振幅、与含水层孔隙度相关的弛豫时间(自由水的弛豫时间范围为30ms-1000ms)、不同区域具有不同数值的拉莫尔频率、与含水层导电性相关的初始相位。虽然MRS方法具有上述优势，但是在实际应用中，由于该方法采用天然地磁场作为背景激励场，无法采取屏蔽措施，因而环境中的随机噪声，工频谐波干扰以及偶发尖峰噪声均会对纳伏级别的微弱MRS信号造成影响，导致难以实现MRS信号的有效提取。针对上述问题，国内外的专家和学者开展了大量的研究工作。经典的处理流程包括如下：首先，采用非线性能量算子或统计手段进行尖峰噪声的去除；其次，采用基于最小二乘法理论的谐波建模方法去除电力线谐波；然后，对多次采集的数据进行叠加处理，实现随机噪声的压制；最后，对叠加后的数据提取包络及门积分处理，提供给反演软件，实现对地下水文地质信息的解释。针对恶化的甚至是被噪声完全淹没的MRS信号，要提取所需要的信息就无可避免地需要进行噪声的抑制或者去除。目前来讲，对于工频谐波与随机噪声的滤除：Legchenko和Valla在论文《Removalofpower-lineharmonicsfromprotonmagneticresonancemeasurements》(《JournalofAppliedGeophysics》,2003年第53卷2期:103-120页.)提出采用区块对消法等用于消除含噪MRS信号中工频谐波干扰。Dalgaard等人在论文《Adaptivenoisecancellingofmultichannelmagneticresonancesoundingsignals》(《GeophysicalJournalInternational》,2012年第191卷1期:88-100页.)提出采用自适应噪声对消算法进行多通道MRS探测信号的处理，实现了主通道与参考通道中相关噪声的抵消。田宝凤等人在论文《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》(《地球物理学报》,2012年第55卷7期:2462-2472页.)提出了基于变步长LMS(LeastMeanSquare,LMS)算法的自适应噪声对消算法进行MRS信号中工频谐波和部分随机噪声的滤除。Ghanati等人在论文《JointapplicationofastatisticaloptimizationprocessempiricalmodedecompositiontoMRSnoisecancelation》(《JournalofAppliedGeophysics》,2014年第111卷5期:110-120页.)提出了基于EMD以及CEEMD方法进行有效MRS信号衰减趋势的提取。Larsen等人在论文《NoisecancellingofMRSsignalscombiningmodel-basedremovalofpowerlineharmonicsandmultichannelWienerfiltering》(《GeophysicalJournalInternational》,2014年,第196卷2期:828-836页.)通过工频谐波建模结合多通道维纳滤波实现了噪声的有效抑制，并针对同频谐波干扰这种特殊情况，提出了采用延迟谐波建模的方法。QiWang等人在论文《Analternativeapproachtohandlingco-frequencyharmonicsinsurfacenuclearmagneticresonancedata》(《GeophysicalJournalInternational》，2018年，第215卷,1962–1973页.)提出了基于最小二乘法理论的工频谐波建模进行对电力线谐波噪声干扰的去除。除此之外，一些学者提出采用奇异谱分析(SSA)以及双奇异值分解(D-SVD)等统计手段进行MRS信号的噪声抑制。上述数据处理手段，都是采用各种策略进行噪声的去除和压制，最后采用包络提取算法进行MRS信号衰减包络的提取。尽管以上所述算法都在一定的条件下获得了较为显著的效果，但由于地理环境条件的不同，和噪声源的无规律性、不稳定性和特定的空间分布性，限制了算法的应用，也需要继续不断地寻找更为有效良好的算法来应用到MRS信号噪声消除、压制和信息提取方面来。
技术实现思路
针对MRS信号中所包含噪声的复杂性以及传统EMD算法容易产生模态混叠问题，本专利技术提供了一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法，能够有效地避免EMD存在的模态混叠问题。本专利技术是这样实现的，一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法，该方法包括：步骤1：利用核磁共振测深探水仪采集到的一组MRS信号F(t)，利用Hilbert变换和频谱搬移，直接将其转换成包络信号f(t)；步骤2：对步骤1中的包络信号采用遍历的方式来确定包络信号的分解阶数以及计算滤波区间时选取的掩码系数，包括首先将掩码系数确定为某一数值，然后通过MRS信号初始振幅E0和MRS信号平均衰减时间的不确定度来确定最佳分解阶数；当分解阶数确定之后，通过遍历1.0-3.0之间以0.2为间隔的系数，再通过MRS信号初始振幅E0和MRS信号平均衰减时间的不确定度来确定最佳掩码系数；步骤3：根据步骤2中选择的分解阶数和掩码系数，对包络信号f(t)的实部和虚部分别采用ALIF算法通过内循环提取IMF分量以及通过外循环结束提取过程，通过余量组合的方式来提取有效的MRS信号包络。进一步地，步骤3中所述内循环过程包括：通过计算待分解包络信号f(t)与滤波函数ω(t)的卷积来求解得到滑动算子Γ(f)(t)，然后，将求解出的滑动算子Γ(f)(t)从包络信号f(t)中提取，计算得到波动算子κ(f)(t)，若波动算子κ(f)(t)满足IMF条件，则κ(f)(t)为提取得到的IMF分量c(t)，若不满足则需要不断循环重复地筛选获得固定频率成分的IMF分量。进一步地，步骤3中外循环过程包括将内循环过程中得到的IMF分量c(t)从待分解的包络信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法，其特征在于，该方法包括：/n步骤1：利用核磁共振测深探水仪采集到的一组MRS信号F(t)，利用Hilbert变换和频谱搬移，直接将其转换成包络信号f(t)；/n步骤2：对步骤1中的包络信号采用遍历的方式来确定包络信号的分解阶数以及计算滤波区间时选取的掩码系数，包括首先将掩码系数确定为某一数值，然后通过MRS信号初始振幅E

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应局部迭代滤波的磁共振测深信号包络提取方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：利用核磁共振测深探水仪采集到的一组MRS信号F(t)，利用Hilbert变换和频谱搬移，直接将其转换成包络信号f(t)；
步骤2：对步骤1中的包络信号采用遍历的方式来确定包络信号的分解阶数以及计算滤波区间时选取的掩码系数，包括首先将掩码系数确定为某一数值，然后通过MRS信号初始振幅E0和MRS信号平均衰减时间的不确定度来确定最佳分解阶数；当分解阶数确定之后，通过遍历1.0-3.0之间以0.2为间隔的系数，再通过MRS信号初始振幅E0和MRS信号平均衰减时间的不确定度来确定最佳掩码系数；
步骤3：根据步骤2中选择的分解阶数和掩码系数，对包络信号f(t)的实部和虚部分别采用ALIF算法通过内循环提取IMF分量以及通过外循环结束提取过程，通过余量组合的方式来提取有效的MRS信号包络。


2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中所述内循环过程包括：通过计算待分解包络信号f(t)与滤波函数ω(t)的卷积来求解得到滑动算子Γ(f)(t)，然后，将求解出的滑动算子Γ(f)(t)从包络信号f(t)中提取，计算得到波动算子κ(f)(t)，若波动算子κ(f)(t)满足IMF条件，则κ(f)(t)为提取得到的IMF分量c(t)，若不满足则需要不断循环重复地筛选获得固定频率成分的IMF分量。


3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中外循环过程包括将内循环过程中得到的IMF分量c(t)从待分解的包络信号f(t)中剔除出去，得到余量γ(t)，若余量γ(t)呈现出单调的趋势特征时,则终止迭代，否则，将γ(t)作为原始信号，进入内循环，继续重复以上步骤，直至符合条件，则终止循环，最终得到若干个IMF分量。


4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中所述内循环过程具体包括为：
步骤3a：选取对实部和虚部的期望分解阶数M的值与计算滤波区间的掩码系数λ的值；
步骤3b：根据式(1)计算滤波区间ln



式中，N表示包络信号f(x)的采样点数，k表示待分解信号的极值点个数，λ表示一个标量参数，λ∈[1，3]，表示向下取整；
步骤3c：根据式(2)Fokker-Planck方程求解滤波函数



式中，p(x)...

【专利技术属性】
技术研发人员：田宝凤，刘隆昌，蒋川东，王子强，郭冬雪，孙士聪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22