本文選題：時間域航空電磁　切入點：主成分分析　出處：《吉林大學》2016年博士論文

【摘要】：時間域航空電磁探測是以飛機為運載工具、法拉第電磁感應定律為基礎的航空電磁探測方法,具有工作效率高、探測面積廣等優(yōu)勢,廣泛用于礦產(chǎn)資源勘查、油氣勘查等領域,特別適用于自然環(huán)境惡劣如沼澤,森林等地面勘查人員無法進入的地帶。直升機吊艙式時間域航空電磁系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈采用中心回線方式,懸掛在飛機下方,由于飛行速度、風速,溫度等原因,飛機作業(yè)時引起的發(fā)射線圈、接收線圈狀態(tài)的變化而引起系統(tǒng)參數(shù)變化,從而嚴重影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,直接影響后期的數(shù)據(jù)精細解釋,特別是對于反映地下深層地質(zhì)體信息的晚期道數(shù)據(jù)。近年來,隨著國家對礦產(chǎn)資源的需求急速上升,航空電磁探測技術得到了廣泛關注,在航空電磁數(shù)據(jù)的噪聲壓制方面,以分類噪聲壓制方法研究為主,處理手段主要為時頻濾波、小波等信號處理技術,但由于噪聲與電磁信號具有部分重疊頻譜,因此,經(jīng)常規(guī)噪聲壓制處理后,航空電磁剖面數(shù)據(jù)仍存在一定的殘余噪聲。本文在國家科研裝備研制專項ATEM子課題“航空瞬變電磁系統(tǒng)(全航空)仿真、數(shù)據(jù)處理與反演”的資助下,針對上述問題,提出了基于統(tǒng)計特性分析的航空電磁數(shù)據(jù)噪聲壓制方法,通過研究主成分分析,主成分濾波重構以及最小噪聲分離技術,有效地壓制航空電磁探測數(shù)據(jù)的殘余噪聲。主要研究內(nèi)容如下:(1)基于多元統(tǒng)計分析理論,針對航空電磁剖面上的殘余噪聲特點,將主成分分析引入到航空電磁探測噪聲壓制中。在主成分域上,將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成按方差排列的主成分,協(xié)方差矩陣的特征向量對應轉(zhuǎn)換后的主成分方向。這樣,轉(zhuǎn)換后的主成分不僅保留了原始航空電磁數(shù)據(jù)的主要信息,且彼此不相關。低階主成分主要包含方差較大的航空電磁數(shù)據(jù),而方差較小且相關性較低的噪聲主要被轉(zhuǎn)換到高階主成分中,此時采用低階主成分重構航空電磁數(shù)據(jù)就可以壓制不相關噪聲。仿真實例以及野外實測數(shù)據(jù)的去噪結(jié)果表明了主成分分析壓制剖面殘余噪聲的有效性。(2)主成分分析方法將航空電磁數(shù)據(jù)在主成分域中轉(zhuǎn)化成相應的主成分再重構,但是參與重構的低階主成分仍然含有高頻空間噪聲,影響重構后數(shù)據(jù)精度。因此,在主成分分析方法基礎上,提出了主成分濾波方法,設計了自適應窗寬低通濾波器組,將各主成分剖面上各個測點的二階差分線性轉(zhuǎn)化成各個測點的濾波窗寬,形成了自適應窗寬低通濾波器組,分別濾除各階主成分剖面中的高頻空間噪聲。仿真實例以及野外實測數(shù)據(jù)的噪聲壓制結(jié)果驗證了主成分濾波壓制噪聲的有效性。(3)主成分分析將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成按照方差大小排列主成分,當噪聲方差較大時,主成分分析和主成分濾波方法都不能有效地壓制較大殘余噪聲,因此提出了基于最小噪聲分離的航空電磁噪聲壓制方法。最小噪聲分離利用噪聲協(xié)方差的估計,對數(shù)據(jù)進行噪聲白化處理,使得按信噪比由大到小排列各個最小噪聲成分含有單位方差的噪聲且彼此不相關。在此基礎上,研究了最小噪聲分離成分特點、noise fraction參數(shù)和信噪比的關系以及噪聲成分中的特點,并通過兩組仿真實例分析以及實測數(shù)據(jù)噪聲壓制結(jié)果,驗證了最小噪聲分離算法在航空電磁數(shù)據(jù)噪聲壓制方面的優(yōu)越性。(4)采用頻域的經(jīng)驗模態(tài)函數(shù)方法、多元線性回歸理論中殘差估計法、自相關因子法估計噪聲協(xié)方差矩陣,研究了噪聲協(xié)方差矩陣的估計對最小噪聲分離去噪結(jié)果的影響,設計了具有深部異常體的大地模型,通過分析晚期道的噪聲壓制效果以及反映地下深部異常體的能力,驗證了三種噪聲協(xié)方差估計方法在對航空電磁數(shù)據(jù)未知噪聲估計的有效性。論文的創(chuàng)新點如下:(1)在主成分分析基礎上,提出了基于主成分濾波重構的航空電磁數(shù)據(jù)噪聲壓制方法,根據(jù)自適應窗寬濾波算法,將各階主成分剖面的二階差分特征轉(zhuǎn)換為自適應濾波器窗寬,濾除參加重構的低階主成分含有的高頻空間噪聲,將濾波后的主成分重構,有效地改善了主成分噪聲壓制效果。(2)提出了基于最小噪聲分離的航空電磁數(shù)據(jù)噪聲壓制算法,研究了航空電磁剖面數(shù)據(jù)的噪聲估計算法,最小噪聲分離將數(shù)據(jù)變換與信噪比直接關聯(lián),分析了最小噪聲分離成分的方向以及最小噪聲分離成分的剖面特征,通過選擇低階最小噪聲分離成分重構,解決了當噪聲方差較大時主成分及主成分濾波無法有效壓制殘余噪聲的難題。
[Abstract]:This paper presents a method for airborne electromagnetic data noise suppression based on aeromagnetic data . The main research contents are as follows : ( 1 ) Based on multivariate statistical analysis theory , the main component analysis based on statistical characteristic analysis is applied to airborne electromagnetic detection noise suppression . ( 2 ) The main component analysis method is based on the principal component analysis . ( 2 ) An airborne electromagnetic data noise suppression algorithm based on minimum noise separation is proposed . The noise estimation algorithm of airborne electromagnetic profile data is studied . The minimum noise separation is directly correlated with the signal - to - noise ratio , the direction of minimum noise separation component and the cross - sectional characteristics of the minimum noise separation component are analyzed , and the problem that the main component and the main component filter cannot effectively suppress residual noise when the noise variance is larger is solved by selecting low - order minimum noise separation component reconstruction .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V242;O441

【參考文獻】

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1 王凌群;李冰冰;林君;謝賓;王琦;程宇奇;朱凱光;;航空電磁數(shù)據(jù)主成分濾波重構的噪聲去除方法[J];地球物理學報;2015年08期

2 殷長春;張博;劉云鶴;任秀艷;齊彥福;裴易峰;邱長凱;黃鑫;黃威;繆佳佳;蔡晶;;航空電磁勘查技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];地球物理學報;2015年08期

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本文編號：1712243