【摘要】：水是萬(wàn)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(zhǎng)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(cè)成為了當(dāng)前科技工作者值得研究的重要課題。磁共振測(cè)深(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作為一種直接探測(cè)地下水的地球物理方法,具有無(wú)損探測(cè)、方便快捷、高效準(zhǔn)確等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于水資源勘查、評(píng)價(jià)以及隧道涌水、礦井突水地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。然而MRS信號(hào)微弱,數(shù)量級(jí)是納伏(nV)。在野外實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,儀器系統(tǒng)采集的探測(cè)信號(hào)不可避免的受到環(huán)境中隨機(jī)自然噪聲和工頻諧波等人為噪聲的干擾,使得接收信號(hào)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(hào)的噪聲壓制問(wèn)題已經(jīng)成為了制約磁共振探測(cè)方法能否有效應(yīng)用的技術(shù)瓶頸,如何采用有效算法開(kāi)展復(fù)雜噪聲環(huán)境下MRS信號(hào)的提取研究,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。奇異譜分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)方法近年來(lái)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(guò)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(shí)間序列中實(shí)現(xiàn)信息的提取。鑒于奇異譜分析方法的優(yōu)勢(shì),借鑒其在水文氣象學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、地學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行信號(hào)處理的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),本文提出了基于奇異譜分析對(duì)全波MRS信號(hào)開(kāi)展噪聲抑制方法研究。首先,在分析MRS信號(hào)和噪聲奇異譜特征的基礎(chǔ)上,得出MRS信號(hào)和噪聲的能量特性不同,對(duì)奇異譜分析中特征值的貢獻(xiàn)不同的結(jié)論。開(kāi)展了只含高斯隨機(jī)白噪聲、只含強(qiáng)工頻諧波以及既含有工頻諧波又含有高斯隨機(jī)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(shí)驗(yàn),并且為了驗(yàn)證奇異譜分析算法的噪聲抑制性能,開(kāi)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(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)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(gè)關(guān)鍵參數(shù):窗口長(zhǎng)度和特征值。選擇不同的窗口長(zhǎng)度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析最終總結(jié)出合適的窗口長(zhǎng)度選擇標(biāo)準(zhǔn);結(jié)合實(shí)際野外噪聲環(huán)境的復(fù)雜性等特點(diǎn),當(dāng)窗口長(zhǎng)度確定的情況下,開(kāi)展了信號(hào)占主要分量、噪聲占主要分量、信號(hào)和噪聲大致相當(dāng)這三種情況下的多次實(shí)驗(yàn)仿真,最終總結(jié)出合理的特征值選取準(zhǔn)則。最后,為了驗(yàn)證奇異譜分析算法進(jìn)行MRS信號(hào)消噪的性能,分別開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室模擬信號(hào)實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)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(hào)的信噪比至少提升了24dB以上,初始振幅和平均弛豫時(shí)間的擬合誤差在±4%和±7%的范圍之內(nèi),充分證實(shí)了本文算法的有效性,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步證明了本文算法的實(shí)用性。
【圖文】：

第 1 章 緒論機(jī)。隨后在近一年的時(shí)間里進(jìn)行多次野外實(shí)地探測(cè)實(shí)驗(yàn)，最終證實(shí)該樣機(jī)可以準(zhǔn)確探測(cè)到 100 米內(nèi)的地下水。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)升級(jí)優(yōu)化，2008 年，JLMRS-I 型核磁共振地下水探測(cè)儀器成功問(wèn)世，樣機(jī)如圖 1.2（a）所示，并且探測(cè)深度完善到 150米以內(nèi)的地下淡水資源。經(jīng)過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)、實(shí)地打井等反復(fù)測(cè)驗(yàn)論證，結(jié)論表明無(wú)論是從探測(cè)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(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于法國(guó)的商品化儀器 NUMISPLUS系統(tǒng)。隨后在 2012 年、2013 年該團(tuán)隊(duì)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(cè)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(kāi)展地下工程中的災(zāi)害水源探測(cè)之路提供了新的技術(shù)支撐和嶄新思路。

看出：MRS 信號(hào)主要受到工頻諧波干擾和環(huán)境中隨機(jī)噪聲以及少量奇異噪聲的影響，難以看出有效信號(hào)的衰減趨勢(shì)。加之，實(shí)際野外應(yīng)用中，在不同環(huán)境不同地域進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于各個(gè)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(huì)存在圖 2.4 所示 SNR=-7.63dB 的以 MRS 信號(hào)能量相對(duì)較大的情況和 SNR=-15.87dB 的 MRS 信號(hào)完全被淹沒(méi)在噪聲中難以分辨的情況，其中（a）SNR=-7.63dB 的數(shù)據(jù)時(shí)域圖，（c）為其頻譜圖。（b）SNR=-15.87dB 的數(shù)據(jù)的時(shí)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(wú)噪 MRS 信號(hào)，，x表示含噪信號(hào)。sP 表示信號(hào)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O482.532;P641.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2698827