【摘要】：水是萬物生命力得以延續(xù)的不可缺少的重要介質(zhì),是工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境維持與保護(hù)等必須具備的非常珍貴的自然資源。然而目前人們能夠得以利用的地下淡水資源極為有限,因此如何高效地進(jìn)行地下淡水資源的探測成為了當(dāng)前科技工作者值得研究的重要課題。磁共振測深(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作為一種直接探測地下水的地球物理方法,具有無損探測、方便快捷、高效準(zhǔn)確等特點,被廣泛應(yīng)用于水資源勘查、評價以及隧道涌水、礦井突水地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測等領(lǐng)域。然而MRS信號微弱,數(shù)量級是納伏(nV)。在野外實際應(yīng)用過程中,儀器系統(tǒng)采集的探測信號不可避免的受到環(huán)境中隨機自然噪聲和工頻諧波等人為噪聲的干擾,使得接收信號的質(zhì)量受到影響,從而降低了后續(xù)反演解釋結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此,MRS信號的噪聲壓制問題已經(jīng)成為了制約磁共振探測方法能否有效應(yīng)用的技術(shù)瓶頸,如何采用有效算法開展復(fù)雜噪聲環(huán)境下MRS信號的提取研究,具有重要的實際應(yīng)用價值。奇異譜分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)方法近年來被提出,是一種特別適合于研究周期振蕩行為的分析方法。該方法基于相空間重構(gòu)思想,通過構(gòu)造軌跡矩陣、奇異值分解(SVD)、分組以及重構(gòu)等操作,可以較好地從含噪聲的有限尺度時間序列中實現(xiàn)信息的提取。鑒于奇異譜分析方法的優(yōu)勢,借鑒其在水文氣象學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、地學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行信號處理的成功應(yīng)用經(jīng)驗,本文提出了基于奇異譜分析對全波MRS信號開展噪聲抑制方法研究。首先,在分析MRS信號和噪聲奇異譜特征的基礎(chǔ)上,得出MRS信號和噪聲的能量特性不同,對奇異譜分析中特征值的貢獻(xiàn)不同的結(jié)論。開展了只含高斯隨機白噪聲、只含強工頻諧波以及既含有工頻諧波又含有高斯隨機白噪聲三種不同信噪特征情況下的奇異譜分析算法仿真實驗,并且為了驗證奇異譜分析算法的噪聲抑制性能,開展與建模消噪算法、ICA濾波算法等已有的經(jīng)典消噪算法的對比實驗,驗證所提奇異譜分析消噪算法的優(yōu)越性。其次,分析討論了奇異譜分析算法中涉及到的兩個關(guān)鍵參數(shù):窗口長度和特征值。選擇不同的窗口長度進(jìn)行仿真實驗分析,通過實驗對比分析最終總結(jié)出合適的窗口長度選擇標(biāo)準(zhǔn);結(jié)合實際野外噪聲環(huán)境的復(fù)雜性等特點,當(dāng)窗口長度確定的情況下,開展了信號占主要分量、噪聲占主要分量、信號和噪聲大致相當(dāng)這三種情況下的多次實驗仿真,最終總結(jié)出合理的特征值選取準(zhǔn)則。最后,為了驗證奇異譜分析算法進(jìn)行MRS信號消噪的性能,分別開展了實驗室模擬信號實驗和野外實測數(shù)據(jù)處理實驗。仿真實驗結(jié)果表明:本文算法能夠有效地去除復(fù)雜的環(huán)境噪聲,該算法消噪處理后MRS信號的信噪比至少提升了24dB以上,初始振幅和平均弛豫時間的擬合誤差在±4%和±7%的范圍之內(nèi),充分證實了本文算法的有效性,實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步證明了本文算法的實用性。
【圖文】：

第 1 章 緒論機。隨后在近一年的時間里進(jìn)行多次野外實地探測實驗，最終證實該樣機可以準(zhǔn)確探測到 100 米內(nèi)的地下水。經(jīng)多次實驗升級優(yōu)化，2008 年，JLMRS-I 型核磁共振地下水探測儀器成功問世，樣機如圖 1.2（a）所示，并且探測深度完善到 150米以內(nèi)的地下淡水資源。經(jīng)過大量對比實驗、實地打井等反復(fù)測驗論證，結(jié)論表明無論是從探測深度、還是在疊加次數(shù)相同條件下的信噪比提升、以及能夠使用多匝線圈工作等多項性能指標(biāo)均優(yōu)于法國的商品化儀器 NUMISPLUS系統(tǒng)。隨后在 2012 年、2013 年該團(tuán)隊又相繼研發(fā)出了 JLMRS-TEM 聯(lián)用儀如圖 1.2（b）所示、核磁共振小型化儀器——JLMRS-III 型儀器系統(tǒng)如圖 1.2（c）所示，在探測深度、儀器操作便捷性能等方面又得到進(jìn)一步提升，從此為開展地下工程中的災(zāi)害水源探測之路提供了新的技術(shù)支撐和嶄新思路。

看出：MRS 信號主要受到工頻諧波干擾和環(huán)境中隨機噪聲以及少量奇異噪聲的影響，難以看出有效信號的衰減趨勢。加之，實際野外應(yīng)用中，在不同環(huán)境不同地域進(jìn)行探測時，由于各個區(qū)域地下含水量的大小不定，環(huán)境噪聲干擾大小也不確定，因而會存在圖 2.4 所示 SNR=-7.63dB 的以 MRS 信號能量相對較大的情況和 SNR=-15.87dB 的 MRS 信號完全被淹沒在噪聲中難以分辨的情況，其中（a）SNR=-7.63dB 的數(shù)據(jù)時域圖，（c）為其頻譜圖。（b）SNR=-15.87dB 的數(shù)據(jù)的時域圖，（d）為其頻譜圖。在本文中所討論的信噪比，是按照如下公式（2.6）進(jìn)行定義的：210 10210log 20logsnPsSNRP x s ............................... （2.6）式中，s表示無噪 MRS 信號，，x表示含噪信號。sP 表示信號s 的功率，np 表示噪聲n x s的功率，2表示二階范數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O482.532;P641.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2698827