一种地面核磁共振信号参数提取方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种地面核磁共振信号参数提取方法及系统，涉及核磁共振数据处理技术领域，方法包括：获取地面核磁共振数据；根据地面核磁共振数据构建核磁信号模型；根据地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量；根据SNMR信号子模型和工频谐波噪声子模型构造状态向量；根据输出向量、状态向量和随机噪声向量构建状态空间方程；对状态空间方程进行求解，得到系统矩阵的解；根据系统矩阵的解中实部绝对值最小的一个特征值，确定SNMR信号的弛豫时间和SNMR信号的拉莫尔频率。本发明专利技术能提高参数提取精度，降低计算量。降低计算量。降低计算量。

【技术实现步骤摘要】
一种地面核磁共振信号参数提取方法及系统


[0001]本专利技术涉及核磁共振数据处理
，特别是涉及一种地面核磁共振信号参数提取方法及系统。

技术介绍

[0002]核磁共振测深找水方法通过向地下发射脉冲信号，使地下含水层中氢质子产生核磁共振现象，通过收集氢质子反射的回波并对该信号进行关键参数估计，即可以确定地下含水层的储水量、距地面深度、地下水导电性以及地下孔洞的平均孔隙度。
[0003]核磁共振找水方法具有分辨力高、水文信息量丰富、探测成本低、效率高等优点，但核磁共振找水方法也存在着一些有待解决的问题。通常探测现场采集的地面核磁共振(Surface NuclearMagnetic Resonance，SNMR)信号十分微弱，其幅值只有数纳伏到数百纳伏量级，且采集环境中往往存在多种影响信号质量的噪声，极低的信噪比使得从SNMR信号中进行参数提取十分困难。工频谐波噪声和环境随机噪声是采集的SNMR数据中混有的最常见的噪声。
[0004]目前，常用的提取SNMR信号的弛豫时间和拉莫尔频率参数的提取方法可以分三类：
[0005]1、采用先消噪来提高信噪比，再进行曲线拟合来求取地面核磁共振信号参数的策略。此类方法需要先针对噪声特点，采用各种去噪方法处理，如谐波建模先估计工频谐波噪声，多次叠加法先滤除随机噪声。此类方法不仅要受曲线拟合精度的影响，还要受去噪方法的影响，精度有限。
[0006]2、ESPRIT等相关法或高阶统计量法。SNMR信号的幅值时变，对其直接作相关法或高阶统计量计算，性能会退化，影响估计精度。
[0007]3、最大似然法。最大似然法估计精度高，可以处理时变信号，但计算量过大，不利于实际应用。
[0008]综上，采用现有的SNMR信号参数提取方法提取SNMR信号的弛豫时间和拉莫尔频率，存在参数提取精度不高且计算量过大的问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种地面核磁共振信号参数提取方法及系统，以提高参数提取精度，降低计算量。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种地面核磁共振信号参数提取方法，所述方法包括：
[0012]获取地面核磁共振数据；所述地面核磁共振数据包括多个采样点；每个所述采样点均包括SNMR信号、工频谐波噪声和随机噪声；
[0013]根据所述地面核磁共振数据构建核磁信号模型；所述核磁信号模型包括SNMR信号子模型、工频谐波噪声子模型和随机噪声子模型；
[0014]根据所述地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量；
[0015]根据所述SNMR信号子模型和所述工频谐波噪声子模型构造状态向量；
[0016]根据所述输出向量、所述状态向量和所述随机噪声向量，构建状态空间方程；
[0017]对所述状态空间方程进行求解，得到系统矩阵的解；所述系统矩阵的解包括多个特征值；
[0018]根据所述系统矩阵的解中实部绝对值最小的一个特征值，确定SNMR信号的弛豫时间和SNMR信号的拉莫尔频率。
[0019]可选地，所述根据所述地面核磁共振数据构建核磁信号模型，具体包括：
[0020]根据所述SNMR信号构建SNMR信号子模型；
[0021]根据所述工频谐波噪声构建工频谐波噪声子模型；
[0022]根据所述随机噪声构建随机噪声子模型。
[0023]可选地，所述核磁信号模型表示为：
[0024][0025]式中，y(n)表示所述地面核磁共振数据，n＝1,2,
…
,N，N表示所述采样点的总个数，n表示所述采样点的序号，表示所述SNMR信号子模型，表示所述工频谐波噪声子模型，w(n)表示随机噪声子模型，E0表示SNMR信号的初始振幅，表示所述SNMR信号的弛豫时间，j表示虚数符号，f
L
表示所述SNMR信号的拉莫尔频率，表示SNMR信号初始相位，B表示工频谐波分量的总个数，b表示工频谐波分量的序号，b＝1,2,...,B，A
b
表示第b个工频谐波噪声的幅值，f0表示工频谐波基频，表示第b个工频谐波噪声的相位。
[0026]可选地，所述根据所述地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量，具体包括：
[0027]令n＝k,k+1,
…
,k+β
‑
1构造与y(n)对应的输出变量和随机噪声向量；所述输出变量表示为：y(k)＝[y(k),y(k+1),
…
,y(k+β
‑
1)]T
；其中，y(k)表示所述输出向量，k为大于等于1的正整数，B+1＜β≤N
‑
k，且β为正整数，T表示转置；所述随机噪声向量表示为：w(k)＝[w(k),w(k+1),
…
,w(k+β
‑
1)]T
；其中，w(k)表示所述随机噪声向量。
[0028]可选地，所述状态向量表示为：其中，x(k)表示
所述状态向量。
[0029]可选地，所述状态空间方程表示为：
[0030]式中，A表示输出矩阵，Φ表示所述系统矩阵。
[0031]可选地，所述SNMR信号的弛豫时间表示为：所述SNMR信号的拉莫尔频率表示为：f
L
＝∠λ/2π；
[0032]式中，Re表示取实部，ln表示以常数e为底数的对数，λ表示所述系统矩阵的解中实部绝对值最小的一个特征值。
[0033]本专利技术还提供了如下方案：
[0034]一种地面核磁共振信号参数提取系统，所述系统包括：
[0035]地面核磁共振数据获取模块，用于获取地面核磁共振数据；所述地面核磁共振数据包括多个采样点；每个所述采样点均包括SNMR信号、工频谐波噪声和随机噪声；
[0036]核磁信号模型构建模块，用于根据所述地面核磁共振数据构建核磁信号模型；所述核磁信号模型包括SNMR信号子模型、工频谐波噪声子模型和随机噪声子模型；
[0037]输出向量和随机噪声向量构造模块，用于根据所述地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量；
[0038]状态向量构造模块，用于根据所述SNMR信号子模型和所述工频谐波噪声子模型构造状态向量；
[0039]状态空间方程构建模块，用于根据所述输出向量、所述状态向量和所述随机噪声向量，构建状态空间方程；
[0040]状态空间方程求解模块，用于对所述状态空间方程进行求解，得到系统矩阵的解；所述系统矩阵的解包括多个特征值；
[0041]弛豫时间和拉莫尔频率确定模块，用于根据所述系统矩阵的解中实部绝对值最小的一个特征值，确定SNMR信号的弛豫时间和SNMR信号的拉莫尔频率。
[0042]可选地，所述核磁信号模型构建模块具体包括：
[0043]SNMR信号子模型构建单元，用于根据所述SNMR信号构建SNMR信号子模型；
[0044]工频谐波噪声子模型构建单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地面核磁共振信号参数提取方法，其特征在于，所述方法包括：获取地面核磁共振数据；所述地面核磁共振数据包括多个采样点；每个所述采样点均包括SNMR信号、工频谐波噪声和随机噪声；根据所述地面核磁共振数据构建核磁信号模型；所述核磁信号模型包括SNMR信号子模型、工频谐波噪声子模型和随机噪声子模型；根据所述地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量；根据所述SNMR信号子模型和所述工频谐波噪声子模型构造状态向量；根据所述输出向量、所述状态向量和所述随机噪声向量，构建状态空间方程；对所述状态空间方程进行求解，得到系统矩阵的解；所述系统矩阵的解包括多个特征值；根据所述系统矩阵的解中实部绝对值最小的一个特征值，确定SNMR信号的弛豫时间和SNMR信号的拉莫尔频率。2.根据权利要求1所述的地面核磁共振信号参数提取方法，其特征在于，所述根据所述地面核磁共振数据构建核磁信号模型，具体包括：根据所述SNMR信号构建SNMR信号子模型；根据所述工频谐波噪声构建工频谐波噪声子模型；根据所述随机噪声构建随机噪声子模型。3.根据权利要求1所述的地面核磁共振信号参数提取方法，其特征在于，所述核磁信号模型表示为：式中，y(n)表示所述地面核磁共振数据，n＝1,2,
…
,N，N表示所述采样点的总个数，n表示所述采样点的序号，表示所述SNMR信号子模型，表示所述工频谐波噪声子模型，w(n)表示随机噪声子模型，E0表示SNMR信号的初始振幅，表示所述SNMR信号的弛豫时间，j表示虚数符号，f
L
表示所述SNMR信号的拉莫尔频率，表示SNMR信号初始相位，B表示工频谐波分量的总个数，b表示工频谐波分量的序号，b＝1,2,...,B，A
b
表示第b个工频谐波噪声的幅值，f0表示工频谐波基频，表示第b个工频谐波噪声的相位。4.根据权利要求3所述的地面核磁共振信号参数提取方法，其特征在于，所述根据所述地面核磁共振数据构造输出向量和随机噪声向量，具体包括：令n＝k,k+1,
…
,k+β
‑
1构造与y(n)对应的输出变量和随机噪声向量；所述输出变量表示为：y(k)＝[y(k),y(k+1),
…
,y(k+β
‑
1)]
T
；其中，y(k)表示所述输出向量，k为大于等于1的正整数，B+1＜β≤N
‑
k，且β为正整数，T表示转置；所述随机噪声向量表示为：w(k)＝[w(k),w(k+1),
…
,w(k+β
‑
1)]
T
；其中，w(k)表示所述随机噪声向量。5.根据权利要求4所述的地面核磁共振信号参数提取方法，其特征在于，所述状态向量

【专利技术属性】
技术研发人员：于晓辉，冯海，李新波，孙晓东，石屹然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：