基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法及系统，该方法获取待去噪的大地电磁信号以及冗余字典，并将所述大地电磁信号进行分段；之后计算各个大地电磁信号段与所述冗余字典中每个原子的注意力权重；再基于注意力权重从冗余字典中提取出各段信号的最小子集，进而利用最小子集中每个原子表示出稀疏编码矩阵，接着基于稀疏编码矩阵与冗余字典的乘积得到噪声轮廓矩阵，最后将利用噪声轮廓矩阵对待处理信号进行降噪。通过上述方法可以有效的压制原始大地电磁信号中的大尺度噪声，保留低频缓变化趋势，处理速度较快，从而提高大地电磁信号数据质量，为后续解释地下真实结构提供了可靠依据。下真实结构提供了可靠依据。下真实结构提供了可靠依据。

【技术实现步骤摘要】
基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法及系统


[0001]本专利技术属于大地电磁信号降噪
，具体涉及一种基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法及系统。

技术介绍

[0002]大地电磁测深法（Magnetotelluric, MT）是上个世纪50年代提出来的一种天然大地电磁场源勘探方法，该方法常用于探测地下水或探测地下深处矿物分布。但由于天然大地电磁信号极其微弱，极化方向不稳定，并且极易受到各种强烈人文电磁环境干扰，导致勘探得到的大地电磁原始信号中含有大量噪声，对后续电磁法反演带来很大困恼。因此，如何去除大地电磁原始信号中的噪声就成为一个亟待解决的问题。从大地电磁法诞生至今，通过噪声压制获取较高质量的大地电磁信号方式众多如远参考法、robust法、时间域去噪法、变换域去噪法等，这些信号处理方法在一定程度上都可以有效压制大地电磁信号中的大幅值干扰，从而提升大地电磁有用信号质量，但这些信号处理方法都或多或少存在着局限性，容易丢失部分有用信号，且无法对待处理数据段中的各式各样的干扰灵活处理，从而导致去噪后的信号与实际信号存在着比较大的偏差，甚至引入新的噪声，对后续的电磁法反演带来更大的困扰。
[0003]其中，变换域去噪算法中的匹配追踪算法是一种经典的利用稀疏表示进行信号提取的算法，其核心使用贪心策略，利用迭代，一次次添加当前最优原子逼近实际信号。由于其信号轮廓提取精度不高，从而衍生出一系列改进算法，如正交匹配追踪算法(OMP)，分段正交匹配追踪算法(STOMP)，自适应分段正交匹配追踪法(SASTOMP)等，该系列算法能够去除大部分大尺度噪声，但算法时间复杂度高且容易引入新的脉冲噪声。因此，如何减少该系列算法的时间复杂度和如何避免引入新的脉冲噪声是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对传统匹配追踪系列算法进行噪声压制存在的去噪精度不高、容易引入新的脉冲噪声的技术问题，提供一种基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法及系统，其对传统预设完备字典的稀疏表示方式进行改进，以一种全新的思路实现基于稀疏表述的大地电磁信号降噪。具体是通过引入注意力机制，一次性从冗余字典中选择出与大地电磁信号段的噪声轮廓更为匹配的原子集（最小子集），再利用该最小子集稀疏表示出噪声轮廓，进而实现对大地电磁信号的降噪，避免了传统匹配追踪系列算法多次迭代导致耗时较长以及容易引入新脉冲噪声的问题。
[0005]一方面，本专利技术提供的一种基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法，其包括以下步骤：步骤S1：获取待去噪的大地电磁信号以及冗余字典，并将所述大地电磁信号进行分段；步骤S2：计算出待去噪的各个大地电磁信号段与所述冗余字典中每个原子的注意
力权重；步骤S3：针对待去噪的各个大地电磁信号段，均将待去噪的大地电磁信号段与各个原子的注意力权重均降序排列，再按序以累计的注意力权重之和大于或等于权重阈值为节点，从所述冗余字典中选择出原子构成待去噪的大地电磁信号段的最小子集；步骤S4：对待去噪的大地电磁信号段的所述最小子集中的原子，进行稀疏编码得到稀疏编码向量；步骤S5：拼接所有大地电磁信号段的稀疏编码向量得到稀疏编码矩阵，然后基于所述稀疏编码矩阵与所述冗余字典乘积得到噪声轮廓矩阵；步骤S6：基于所述噪声轮廓矩阵对步骤S1中获取的所述待去噪的大地电磁信号进行去噪得到降噪后的大地电磁信号。
[0006]传统匹配追踪系列算法，如正交匹配追踪法(OMP)、分段正交匹配追踪法(StOMP)、自适应分段匹配追踪法(SAStOMP)，都是通过一次次迭代寻找最优原子来逼近实际信号，然而最大迭代次数是不会设置成整个字典中原子数量的，因此达到最大迭代次数时，提取的子集大概率不能将噪声轮廓完全的表示出来，即由于一段数据中会存在多种噪声叠加，当噪声轮廓提取不完全时，存在噪声被剩下而产生尖脉冲噪声、跳变噪声等；最终导致降噪效果受到影响。本专利技术考虑到噪声的幅值远高于纯净信号的幅值，进而引入注意力权重，其中，注意力权重是表示冗余字典中原子与大地电磁信号相似程度的指标，因此注意力权重越大，对应原子与大地电磁信号段的噪声轮廓越加相似。本专利技术按注意力权重降序将字典原子放入子集中就是按照相似程度，从最为相似的原子开始，依次添加次优原子进入子集，直到子集中原子满足权重之和大于权重阈值p，得到的最小子集中的原子与大地电磁信号段更加匹配，由此可知，本专利技术技术方案提供了一种全新的思路来获取与噪声轮廓更为贴切的原子选取方法，并通过实验证明，本方法技术方案能够较为完整的提取出噪声轮廓，从而有效降低传统稀疏表示方法达到最大迭代次数时引入的新脉冲噪声的概率，降噪效果更优。
[0007]再者，本专利技术技术方案中各个大地电磁信号段均对应一个子集，因此为各个大地电磁信号段选取的原子数量以及原子都可能不同，即对于不同段的大地电磁信号，构建了与其更为匹配的最小子集，从而提升了大地电磁信号的整体降噪效果。
[0008]进一步可选地，步骤S3中针对待去噪的各个大地电磁信号段，均按序计算累计的注意力权重之和直至大于或等于所述权重阈值，再利用所述注意力权重之和对应的原子构成大地电磁信号段的最小子集，具体表示为：式中，m表示原子，p表示大地电磁信号段对应的权重阈值，AW表示一个大地电磁信号段与所述冗余字典中所有原子的注意力权重构成的注意力权重矩阵，为注意力权重矩阵AW中大地电磁信号段与原子m的注意力权重。
[0009]进一步可选地，步骤S1中将所述大地电磁信号进行分段后，计算出各个大地电磁信号段的模糊熵；其中，若所述模糊熵大于1.7，对应大地电磁信号段视为无干扰的大地电磁信号
段，跳过步骤S2
‑
S4，将对应所述大地电磁信号段的稀疏编码向量设置为0；若所述模糊熵小于或等于1.7，对应大地电磁信号段存在干扰，即视为待去噪的大地电磁信号段，再按照步骤S2
‑
S4得到对应所述大地电磁信号段的稀疏编码向量；待得到所有大地电磁信号段的稀疏编码向量后，执行步骤S5。
[0010]进一步可选地，步骤S3中各个大地电磁信号段对应的权重阈值按照如下公式确定：式中，p表示一个大地电磁信号段对应的权重阈值，F表示大地电磁信号段对应的模糊熵，e为自然底数。
[0011]本专利技术技术方案使用模糊熵反映大地电磁数据受干扰程度，提出了模糊熵与权重阈值p的数值映射关系，为各个大地电磁信号段确定其更优、更匹配的权重阈值，进而为各个大地电磁信号段寻找到最优的所述最小子集。
[0012]其中，当模糊熵大于等于1.7时可以认为该段大地电磁信号未受到干扰；当模糊熵大于1.3小于1.7时可以认为该段大地电磁信号仅受细微扰动；当模糊熵大于0.5小于1.3时可以认为该段大地电磁信号受干扰严重；当模糊熵小于0.5时则可以认为该段大地电磁信号几乎全为噪声。其中，模糊熵越小则表明噪声越复杂，需要更多的字典原子才能将噪声完全表示，所以权重阈值p越高，构建的子集U中原子数量越多。
[0013]进一步可选地，步骤S2中按照如下公式计算出任一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于注意力机制稀疏表示的大地电磁信号去噪方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：获取待去噪的大地电磁信号以及冗余字典，并将所述大地电磁信号进行分段；步骤S2：计算待去噪的各个大地电磁信号段与所述冗余字典中每个原子的注意力权重；步骤S3：针对待去噪的各个大地电磁信号段，均将待去噪的大地电磁信号段与各个原子的注意力权重降序排列，再按序以累计的注意力权重之和大于或等于权重阈值为节点，从所述冗余字典中选择出原子构成待去噪的大地电磁信号段的最小子集；步骤S4：对待去噪的大地电磁信号段的所述最小子集中的原子，进行稀疏编码得到稀疏编码向量；步骤S5：拼接所有大地电磁信号段的稀疏编码向量得到稀疏编码矩阵，然后基于所述稀疏编码矩阵与所述冗余字典乘积得到噪声轮廓矩阵；步骤S6：基于所述噪声轮廓矩阵对步骤S1中所述待去噪的大地电磁信号进行去噪得到降噪后的大地电磁信号。2.根据权利要求1所述的大地电磁信号去噪方法，其特征在于：步骤S3中针对待去噪的各个大地电磁信号段，均按序计算累计的注意力权重之和直至大于或等于所述权重阈值，再利用所述注意力权重之和对应的原子构成大地电磁信号段的最小子集，具体表示为：式中，m表示原子，p表示大地电磁信号段对应的权重阈值，AW表示一个大地电磁信号段与所述冗余字典中所有原子的注意力权重构成的注意力权重矩阵，为注意力权重矩阵AW中大地电磁信号段与原子m的注意力权重。3.根据权利要求1所述的大地电磁信号去噪方法，其特征在于：步骤S1中将所述大地电磁信号进行分段后，计算出各个大地电磁信号段的模糊熵；其中，若所述模糊熵大于1.7，对应大地电磁信号段视为无干扰的大地电磁信号段，跳过步骤S2
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S4，将对应所述大地电磁信号段的稀疏编码向量设置为0；若所述模糊熵小于或等于1.7，对应大地电磁信号段存在干扰，即视为待去噪的大地电磁信号段，再按照步骤S2
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S4得到对应所述大地电磁信号段的稀疏编码向量；待得到所有大地电磁信号段的稀疏编码向量后，执行步骤S5。4.根据权利要求3所述的大地电磁信号去噪方法，其特征在于：步骤S3中各个大地电磁信号段对应的权重阈值按照如下公式确定：式中，p表示一个大地电磁信号段对应的权重阈值，F表示大地电磁信号段对应的模糊熵，e为自然底数。
5.根据权利要求1所述的大地电磁信号去噪方法，其特征在于：步骤S2中按照如下公式计算出任一大地电磁信号段与所述冗...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晋，罗宇成，李年春，刘业成，马翻红，周钺尚，邵萌萌，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：