我國(guó)淡水資源極為匱乏,高效準(zhǔn)確地探測(cè)到地下可利用的淡水資源是解決水資源缺乏的有效途徑。磁共振探測(cè)技術(shù)能直接探測(cè)水中氫質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動(dòng),具有非侵入式、能直接探測(cè)地下水的優(yōu)勢(shì),且能反演得到地下水含水量、深度,孔隙度和滲透率等水文地質(zhì)參數(shù),獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而,磁共振探測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度是納伏級(jí)的,極易受到環(huán)境中的電磁噪聲干擾。如果噪聲干擾不能得到有效地去除,會(huì)導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)反演解釋結(jié)果不準(zhǔn)確。影響磁共振地下水探測(cè)的噪聲主要包括尖峰噪聲、工頻諧波噪聲和隨機(jī)噪聲。國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)文獻(xiàn),大多是在信號(hào)和噪聲特性已知的情況下對(duì)噪聲進(jìn)行去除的,但是某些噪聲并沒有統(tǒng)一的規(guī)律,且混合機(jī)理具有不確定性,這會(huì)導(dǎo)致算法的噪聲消除效率低、效果不理想。針對(duì)以上問題,由于盲源分離方法能夠在源信號(hào)與混合過程均未知的情況下,從觀測(cè)得到的多源混合信號(hào)中分離并恢復(fù)出源信號(hào)的各獨(dú)立分量,因此采取盲源分離的方式對(duì)磁共振中的信號(hào)和噪聲進(jìn)行分離。在眾多的盲源分離方法中,由于快速獨(dú)立分量分析(Fast Independent Component Analysis,FastICA)算法具有良好的穩(wěn)定性,并且收斂速度快,可以批處理數(shù)據(jù),所以選擇FastICA作為磁共振信號(hào)與噪聲分離方法。本文首先針對(duì)FastICA幅度不確定性問題,提出利用數(shù)據(jù)重構(gòu)法還原獨(dú)立成分的幅度,并將該方法與頻譜校正法進(jìn)行了對(duì)比,仿真結(jié)果顯示,數(shù)據(jù)重構(gòu)法還原幅度的誤差小于頻譜校正法,尤其是在隨機(jī)噪聲較大的情況下,例如信噪比低于-37.1 d B時(shí),頻譜校正法的誤差較大,甚至大于10%,超出誤差允許的范圍,整個(gè)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)重構(gòu)法誤差均小于5%,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其次針對(duì)工頻諧波噪聲進(jìn)行處理,并完成了仿真實(shí)驗(yàn)�；贔astICA的磁共振工頻諧波噪聲去除分為兩種情況,一種是當(dāng)工頻諧波噪聲頻率與磁共振信號(hào)拉莫爾頻率有一定的偏差,即兩者的相關(guān)性不強(qiáng)時(shí),將此時(shí)的工頻噪聲記為非同頻噪聲;另外一種是當(dāng)工頻諧波噪聲頻率與磁共振信號(hào)拉莫爾頻率重合,即兩者相關(guān)性很強(qiáng)時(shí),將此時(shí)的工頻諧波噪聲記為同頻噪聲。非同頻噪聲滿足FastICA的假設(shè)條件,可以通過高斯插值法對(duì)工頻諧波的頻率進(jìn)行估計(jì),并構(gòu)造與工頻諧波噪聲同頻率的正弦信號(hào)與余弦信號(hào)作為參考通道,以實(shí)現(xiàn)磁共振信號(hào)與工頻諧波噪聲的盲源分離,將其結(jié)果與陷波器進(jìn)行對(duì)比,FastICA去除工頻諧波噪聲后數(shù)據(jù)的信噪比提高了43.42 d B,陷波器消噪后數(shù)據(jù)的信噪比提高了36.75 d B。結(jié)果表明FastICA算法不僅消噪效果好,而且不會(huì)對(duì)磁共振信號(hào)產(chǎn)生破壞,能夠很好地保留磁共振信號(hào)攜帶的信息。同頻噪聲存在的情況也是磁共振工頻消除的一個(gè)國(guó)際難點(diǎn),此時(shí)需要先利用FastICA算法對(duì)其他頻率的工頻諧波噪聲進(jìn)行去除,然后截取數(shù)據(jù)的后一段,這段數(shù)據(jù)中磁共振信號(hào)已經(jīng)衰減為零,數(shù)據(jù)中只含有同頻噪聲和隨機(jī)噪聲,采用高斯插值法對(duì)該工頻的頻率進(jìn)行估計(jì),利用相關(guān)檢測(cè)的方法對(duì)該工頻諧波噪聲的幅度和相位進(jìn)行計(jì)算,通過估計(jì)出的頻率、幅度、相位可構(gòu)造出該工頻諧波噪聲波形,且誤差較小,最后將估計(jì)出的工頻諧波噪聲從去噪后的數(shù)據(jù)中減掉,即可實(shí)現(xiàn)同頻噪聲分離。去除工頻諧波噪聲后的數(shù)據(jù)中仍然殘留著一些隨機(jī)噪聲。利用FastICA對(duì)磁共振隨機(jī)噪聲進(jìn)行壓制,仿真實(shí)驗(yàn)中僅需要兩組觀測(cè)數(shù)據(jù),就能實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯隨機(jī)噪聲的分離,這不僅能夠提高數(shù)據(jù)的信噪比,還能大大地縮短野外探測(cè)時(shí)間,提高儀器的探測(cè)效率。最后分別在北湖公園和燒鍋鎮(zhèn)這兩個(gè)地方進(jìn)行野外探測(cè),并利用FastICA算法對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)中的工頻諧波噪聲和隨機(jī)噪聲進(jìn)行處理,最終北湖公園實(shí)驗(yàn)信噪比提高了27.18 d B,燒鍋鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)信噪比提高了33.53 d B,驗(yàn)證了該算法的有效性和實(shí)用性。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH834
【部分圖文】：

圖 1.1 關(guān)中平原 2016 年地下水埋深等值面圖使用地球物理方法進(jìn)行探測(cè)可以提高找水定井準(zhǔn)確率，探測(cè)方法可分為非直接式和直接式找水[5]。非直接式找水方法主要包括電阻率法、激發(fā)極化法、時(shí)間域電磁法和頻率域電磁法等[6,7]，他們通過比較判斷含水裂隙和斷層的深度、寬度

圖 1.2 河西走廊平原 2016 年地下水埋深等值面圖磁共振測(cè)量信號(hào)的幅度與靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，由于地磁場(chǎng)強(qiáng)度一般位于 25 – 65 μT，磁共振探測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度為 nV 級(jí)別，極其微弱。在進(jìn)行磁共振野外觀測(cè)時(shí)，不僅由氫質(zhì)子在激發(fā)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的弛豫場(chǎng)在接收線圈中產(chǎn)

原子磁矩在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)示意圖
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2869308