孫淑琴,孟慶云,方秀成,林 君,王應(yīng)吉,田寶鳳,楊 楠
(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長(zhǎng)春130061)
核磁共振測(cè)水方法是利用地層中豐度最高的氫原子核的順磁性產(chǎn)生的核磁共振(Magnetic resonance sounding,MRS)信號(hào),通過(guò)改變激發(fā)電流的大小完成對(duì)不同深度地下水的測(cè)量[1-2]。對(duì)采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理之后,即可反演解釋得到地下含水層深度、厚度、含水量大小、含水層平均孔隙度等信息[3-4]。
國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出了多種方法來(lái)抑制噪聲,主要有:儀器采集數(shù)據(jù)的疊加方法[5-6],缺點(diǎn)在于疊加次數(shù)多,系統(tǒng)的工作效率低;探測(cè)線(xiàn)圈采用八字形線(xiàn)圈[7-8]方式,與圓形探測(cè)線(xiàn)圈相比,探測(cè)深度降低一半;采用同步檢波和FIR 低通濾波技術(shù)[9-10]的方法會(huì)引起有用信號(hào)的失真;此外還有滑動(dòng)平均濾波法、區(qū)塊對(duì)消法,正弦對(duì)消法、陷波濾波器法[11-18]。這幾種方法主要針對(duì)電磁噪聲的濾除,由于噪聲的無(wú)規(guī)律性,以上濾波方法均存在一定的局限性。
上述濾波方法主要針對(duì)MRS信號(hào)中振幅提取的效果進(jìn)行分析和處理,然而未對(duì)MRS 信號(hào)中頻率、平均衰減時(shí)間、相位等其他幾個(gè)特征參數(shù)提取情況進(jìn)行分析和總結(jié)。本文研究了自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)方法,自適應(yīng)濾波方式主要是針對(duì)固定頻率噪聲的濾波處理,小波模極大值重構(gòu)方法主要是針對(duì)白噪聲的濾波處理[19-22]。將兩者結(jié)合起來(lái)能夠突破傳統(tǒng)傅里葉變換在時(shí)域沒(méi)有任何分辨率的限制,具有良好的時(shí)域分析特性,能夠從強(qiáng)干擾的信號(hào)中提取有用成分,彌補(bǔ)了其他方法在非平穩(wěn)信號(hào)處理上的不足。將本文方法與自適應(yīng)濾波方法和小波模極大值重構(gòu)方法進(jìn)行了對(duì)比,可知用本文方法所得到的信噪比更高,信號(hào)曲線(xiàn)與噪聲曲線(xiàn)能夠得到明顯的分開(kāi),且信號(hào)和噪聲的曲線(xiàn)都變得更光滑,對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)的解釋更準(zhǔn)確。
利用JLMRS儀器所采集的信號(hào)中通?;煊袕?fù)雜的噪聲成分,表達(dá)式如下:
式中:第一項(xiàng)為MRS信號(hào)表達(dá)式;第二項(xiàng)為工頻諧波噪聲表達(dá)式,由多個(gè)單頻的諧波分量疊加而成,其中每個(gè)單頻率諧波的參數(shù)都是獨(dú)立的;第三項(xiàng)為隨機(jī)噪聲,εreal(t)中包含平穩(wěn)的隨機(jī)噪聲和非平穩(wěn)的隨機(jī)噪聲。
儀器測(cè)試信號(hào)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖1所示。測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)正交分解、噪聲濾除、提取信號(hào)的初始振幅E0,平均衰減時(shí)間T*2,接收頻率f 和初始相位φ0 后,經(jīng)過(guò)反演計(jì)算即可得到地下含水量及含水層孔隙度等信息。MRS 數(shù)據(jù)參數(shù)為E0、T*2、φ0,相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)為單位體積含水量(有效孔隙度)、空隙大?。B透性)和含水層導(dǎo)電性(電阻率)。MRS信號(hào)的幾個(gè)特征參數(shù)對(duì)于含水地層的解釋均有直接關(guān)系。
圖1 MRS信號(hào)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flowchart of MRS signal data processing
當(dāng)原始信號(hào)中包含頻率為ω的工頻諧波干擾時(shí),利用自適應(yīng)濾波器可以消除這種特定頻率成分的干擾,自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖[23]如圖2 所示。圖中核磁共振信號(hào)與干擾信號(hào)疊加,經(jīng)采樣后給dj端,參考輸入是與單頻干擾相關(guān)的正弦信號(hào),采樣送到d1j、d2j端,d2j是由參考信號(hào)經(jīng)過(guò)90°相移得來(lái),由兩個(gè)參考信號(hào)得到ω1j、ω2j兩個(gè)權(quán)值,即自由度,使得組合后正弦波振幅、相角與原始輸入干擾分量的振幅、相角相同,從而使輸出的ej中的ω 被抵消掉,達(dá)到濾波的目的。
圖2 自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of adaptive trap
設(shè)信 號(hào)f(t)是 平 方 可 積 的,即f(t)∈L2(R),則這一信號(hào)的二進(jìn)小波變換定義為[24]:
式中:j∈z;τ為平移參數(shù);ψ(t)為母小波。
假設(shè)χ(t)為尺度函數(shù),應(yīng)用式(2)可知χ(t)、ψ(t)滿(mǎn)足以下尺度方程:
式中:α為低通濾波器:β為高通濾波器。
如果對(duì)式(2)的τ 進(jìn)行離散化,并假設(shè)χ(t)∈L2(R)、ψ(t)∈L2(R),二進(jìn)小波變換的小波系數(shù)和尺度系數(shù)為:
經(jīng)過(guò)濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)求出各尺度上的小波系數(shù)。令αj(k)和βj(k)分別是在濾波器α(k)和β(k)每?jī)蓚€(gè)系數(shù)之間添加2j-1個(gè)零后所得到的濾波器,記。二進(jìn)小波變換的快速分解算法為:
快速重構(gòu)算法為:
將含有噪聲的信號(hào)進(jìn)行多尺度小波分解,求取相應(yīng)的模極大值,然后根據(jù)信號(hào)和噪聲在不同尺度因子下的不同傳播特性來(lái)區(qū)分信號(hào)和噪聲,這就是小波模極大值重構(gòu)消噪的理論依據(jù)。
通過(guò)Lipschitz指數(shù)α 可以度量信號(hào)在某個(gè)時(shí)間區(qū)間或某一時(shí)刻的正規(guī)性,即刻畫(huà)信號(hào)的奇異性。奇異性也可以通過(guò)跟蹤小波變換在細(xì)尺度下的模極大值來(lái)檢測(cè)。而且Lipschitz指數(shù)和二進(jìn)小波變換模極大值之間存在以下關(guān)系:如果信號(hào)的Lipschitz指數(shù)α>0,該信號(hào)的二進(jìn)小波變換模極大值將隨著尺度的增大而增大,這樣模極大值點(diǎn)是由需要的信號(hào)所產(chǎn)生;反之,α <0,該信號(hào)的二進(jìn)小波變換模極大值將隨著尺度的增大而減小,這樣的模極大值由噪聲產(chǎn)生。
根據(jù)以上原理可知,隨著尺度因子的不斷變大,噪聲小波系數(shù)的模極大值點(diǎn)的幅度值將明顯變小。經(jīng)過(guò)幾次二進(jìn)小波變換之后,由噪聲產(chǎn)生的模極大值點(diǎn)的幅度值已經(jīng)變得非常小,甚至很多由噪聲產(chǎn)生的模極大值點(diǎn)的值都變?yōu)榱?,這樣剩下的模極大值點(diǎn)主要是由信號(hào)產(chǎn)生的。一般情況下,尺度越大,信號(hào)產(chǎn)生的小波系數(shù)模極大值點(diǎn)的比例就越大,大分解尺度上的模極大值點(diǎn)主要是由信號(hào)產(chǎn)生的。所以就可以利用大尺度上的小波系數(shù)模極大值點(diǎn)逐步確定由信號(hào)產(chǎn)生的小尺度上的小波系數(shù)模極大值點(diǎn),最后根據(jù)剩余的模極大值點(diǎn)重構(gòu)信號(hào),這樣就能夠?qū)⒃肼曄魅酢?/p>
根據(jù)小波模極大值重構(gòu)消噪原理,消噪算法過(guò)程如下:
(1)對(duì)含有噪聲的信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)小波變換,小波分解尺度的總個(gè)數(shù)選擇應(yīng)該適中,一般小波分解尺度數(shù)為4或5,大于此值有用信號(hào)可能會(huì)丟失,小于此值不能保證產(chǎn)生的小波系數(shù)模極大值點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)程度。最后,求出小波系數(shù)的模極大值點(diǎn)及相對(duì)應(yīng)的模極大值。
(2)設(shè)定小波系數(shù)的閾值為T(mén),最大尺度上的小波系數(shù)模極大值如果大于閾值T,則保留相對(duì)應(yīng)的小波模極大值點(diǎn),否則剔除相對(duì)應(yīng)的小波模極大值點(diǎn),從而使最大尺度上小波系數(shù)的小波模極大值點(diǎn)更新。根據(jù)核磁共振實(shí)際處理,假設(shè)閾值T =0.1max,其中max 表示小波模極大值中的最大值。
(3)假設(shè)最大尺度為j。利用第(2)步中的小波模極大值點(diǎn)的位置構(gòu)造U(xjn),xjn為尺度j 上的第n個(gè)小波模極大值點(diǎn),之后在U(xjn)內(nèi)找到尺度j-1上的小波系數(shù)模極大值點(diǎn),使尺度j-1上位于U(xjn)內(nèi)的模極大值點(diǎn)保留,其余的小波模極大值點(diǎn)進(jìn)行清除,尺度j-1上的小波模極大值點(diǎn)就進(jìn)行了更新。假設(shè)j=j(luò)-1,當(dāng)尺度數(shù)為2時(shí),停止循環(huán)第(3)步。
(4)尺度j=1或j=2位置上相對(duì)應(yīng)的極大值點(diǎn)進(jìn)行保留,其他位置的極大值點(diǎn)置為零。
(5)應(yīng)用各個(gè)尺度上余下的小波模極大值點(diǎn)進(jìn)行小波系數(shù)的重構(gòu),最后利用重構(gòu)的小波系數(shù)重構(gòu)信號(hào)。
在地下水探測(cè)技術(shù)中,核磁共振儀器采用4倍頻采樣的數(shù)字正交技術(shù)來(lái)獲得包絡(luò)信號(hào)。模擬這樣的一個(gè)理想信號(hào)并加入干擾噪聲來(lái)驗(yàn)證本文研究方法的效果,將處理后的信號(hào)與原始信號(hào)作對(duì)比,以信噪比(信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值)高低為評(píng)價(jià)指標(biāo),驗(yàn)證本文方法的可行性效果。
定義信號(hào)的信噪比如下:
式中:Sx、Sy分別為含噪信號(hào)的x 分量和y 分量;Nx、Ny分別為噪聲的x 分量和y 分量。
核磁共振信號(hào)中的噪聲主要是白噪聲和工頻噪聲,工頻噪聲頻率一般為50Hz的整數(shù)倍,為了模擬野外的實(shí)際信號(hào),在理想信號(hào)中疊加白噪聲和工頻噪聲。建立仿真模型,信號(hào)初始振幅E0設(shè)為400nV,初始相位φ0 設(shè)為165°,弛豫時(shí)間T*2設(shè)為150ms,頻率f 設(shè)為2325Hz的理想衰減正弦波信號(hào),其包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖如圖3所示。
圖3 理想包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖Fig.3 Ideal signal envelope and spectrum diagram
首先在包絡(luò)信號(hào)上加入高斯白噪聲,其幅值為150nV。此時(shí)信號(hào)的信噪比為1.43,見(jiàn)圖4。
圖4 白噪聲包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖Fig.4 Signal envelope and spectrum diagram of white noise
圖5 去噪前后模極大值點(diǎn)對(duì)比Fig.5 Contrast before and after of modulus maxima
對(duì)加入白噪聲的MRS信號(hào)與經(jīng)小波模極大值重構(gòu)處理后的MRS信號(hào)進(jìn)行模極大值點(diǎn)的對(duì)比如圖5所示。由圖可知:原始數(shù)據(jù)中噪聲大部分集中于第1層和第2層,經(jīng)小波模極大值重構(gòu)處理后保存下來(lái)的系數(shù)較少。隨著分解尺度的增加噪聲部分越來(lái)越少,有用信號(hào)成為主要部分,所以保留下來(lái)的系數(shù)也越來(lái)越多。小波模極大值重構(gòu)算法的主要優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)小波變換系數(shù)模極大值的跨尺度傳播規(guī)律,可以明確區(qū)分每一分解層次上代表噪聲和信號(hào)的小波變換系數(shù),既不會(huì)去掉微弱的有用信號(hào),也不會(huì)保留強(qiáng)度較大的噪聲[25]。
自適應(yīng)濾波主要針對(duì)固定頻率噪聲的濾除,小波模極大值重構(gòu)主要針對(duì)白噪聲的濾除,為了反映基于自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)濾波方法的優(yōu)越性,下面給出了幾種濾波方式的對(duì)比。經(jīng)過(guò)不同濾波方式所得到的包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖如圖6所示。圖6(b)和(c)所得到的曲線(xiàn)變得比較光滑,信號(hào)與噪聲明顯地被分開(kāi)。在3種濾波方法中,經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)所得到的信噪比最高,所以經(jīng)此種濾波方式所得到的信號(hào)是最可信的。
圖6 處理之后的包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖Fig.6 Envelope signal and the spectrum diagram after filtering
對(duì)加入白噪聲的信號(hào)進(jìn)行濾波,比較濾波前后情況,白噪聲在整個(gè)頻域范圍內(nèi)均勻分布,無(wú)固定頻率值。比較結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出:經(jīng)過(guò)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)處理的數(shù)據(jù)與另外兩種方法對(duì)比,所得到的特征參數(shù)最接近于理想信號(hào)且信噪比最高,信噪比可達(dá)到2.61。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)處理后的MRS特征參數(shù)的擬合誤差E0%達(dá)到0.82%,達(dá)到6.3%,φ0%達(dá)到1.75%,頻譜幅度衰減率達(dá)到0.12%,滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求[14-15]。MRS數(shù)據(jù)處理之后,所得到的特征參數(shù)越接近于理想信號(hào)說(shuō)明處理的結(jié)果越準(zhǔn)確,反演解釋結(jié)果的可信度越高。同時(shí)由圖6可得,經(jīng)自適應(yīng)濾波和小波模極大值重構(gòu)方法所得到的信號(hào)曲線(xiàn)和噪聲曲線(xiàn)變得比較光滑且信號(hào)與噪聲明顯分開(kāi),獲得了可信的包絡(luò)信號(hào)。
理想信號(hào)中加入工頻諧波干擾,其中頻率f1=2350Hz,幅值為80nV。信噪比為2.88,如圖7所示。
對(duì)加入工頻噪聲的MRS 信號(hào)進(jìn)行處理前、后模極大值點(diǎn)的對(duì)比如圖8所示。與加入白噪聲的對(duì)比結(jié)果類(lèi)似,隨著分解尺度的增加噪聲部分越來(lái)越少,有用信號(hào)成為主要部分,所以保留下來(lái)的系數(shù)也越來(lái)越多。
為了反映基于自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)濾波方法的優(yōu)越性,下面給出了幾種經(jīng)過(guò)不同濾波方式得到的包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖,如圖9所示。由圖可以看出:經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)濾波后所得到的信號(hào)曲線(xiàn)最光滑,且噪聲壓制得最低,信號(hào)與噪聲分開(kāi)的效果最好。
對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行濾波,比較濾波前、后情況。核磁共振含噪信號(hào)經(jīng)過(guò)不同濾波方法得到特征參數(shù)的擬合誤差與信噪比的大小以及頻譜幅度衰減率的比較結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 數(shù)據(jù)經(jīng)不同濾波方式后的對(duì)比(加入白噪聲)Table 1 Contrast data with different filtering way(white noise)
圖7 工頻噪聲包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖Fig.7 Signal envelope and spectrum diagram of industrial frequency noise
圖8 去噪前后模極大值點(diǎn)對(duì)比Fig.8 Contrast before and after of modulus maxima
由表2可以看出,經(jīng)過(guò)基于自適應(yīng)的小波模極大值重構(gòu)處理的數(shù)據(jù)與另外兩種方法相對(duì)比,所得到的特征參數(shù)最接近于理想信號(hào),且信噪比最高。MRS特征參數(shù)(振幅E0,弛豫時(shí)間,相位φ0)的擬合誤差控制在了3%以?xún)?nèi),且頻譜幅度衰減率達(dá)到0.68%。由加入白噪聲所處理的結(jié)果分析可知,MRS數(shù)據(jù)處理之后,所得到的特征參數(shù)接近于理想信號(hào)所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù),說(shuō)明處理的結(jié)果準(zhǔn)確,反演解釋結(jié)果的可信度高。
圖9 處理之后的包絡(luò)信號(hào)和頻譜圖Fig.9 Envelope signal and the spectrum diagram after filtering
表2 數(shù)據(jù)經(jīng)不同濾波方式后的對(duì)比(加入工頻噪聲)Table 2 Contrast data with different filtering way(power noise)
結(jié)合處理后的信號(hào)曲線(xiàn)圖與表2可知:經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)處理之后所得到的信號(hào)曲線(xiàn)的平滑度最好,可以很好地將噪聲與信號(hào)分離開(kāi)來(lái),信噪比達(dá)到最高且最可信。
2005年4月,核磁組在內(nèi)蒙古烏拉特地區(qū)進(jìn)行了野外實(shí)驗(yàn),對(duì)野外采集數(shù)據(jù)應(yīng)用不同的濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的單個(gè)脈沖矩進(jìn)行濾波處理,再利用處理后的數(shù)據(jù)得出反演結(jié)果。
(1)測(cè)點(diǎn)WLTQ100。當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率為2353Hz,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后提取MRS信號(hào)的特征參數(shù)E0、T*2、φ0、f。由表1可知MRS信號(hào)的特征參數(shù)所對(duì)應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)。圖10為MRS信號(hào)的不同特征參數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。由圖可得出,經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)濾波后所得到的曲線(xiàn)的平滑度和穩(wěn)定性最好。
圖10 不同濾波方式下的MRS信號(hào)特征參數(shù)曲線(xiàn)Fig.10 MRS signal characteristic parameter curves after different filter methods
圖11為經(jīng)過(guò)不同濾波方式反演所得到的含水量柱狀圖。測(cè)點(diǎn) WLTQ100 距離打井點(diǎn)XF277很近,為2.03km,認(rèn)為兩者的水文地質(zhì)情況是相似的。XF277的水文地質(zhì)情況如圖12所示。由圖可知:XF277打井深度為1.575~50m,含水層厚度為48.425m。飽和含水層從5m 開(kāi)始,5~6 m 為粗砂,6~17.9 m 為中砂,17.9~34.9m 為粗砂,34.9~50m 為細(xì)砂。由圖11、圖12及與含水層的巖性關(guān)系分析可得,經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)反演所得到的含水量柱狀圖與鉆探結(jié)果基本相符,更接近于實(shí)際情況。
圖11 不同濾波后反演所得到的含水量柱狀圖Fig.11 MRS inversion results with the different methods
圖12 XF277水文地質(zhì)情況Fig.12 XF277hydrological geology
(2)測(cè)點(diǎn)WLTQ94。當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率為2354Hz,與WLTQ100處理過(guò)程相同。圖13為MRS信號(hào)相應(yīng)的特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。從圖13中可知:經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)濾波后所得到的特征曲線(xiàn)的平滑度提高的程度最大,穩(wěn)定性最好。
圖13 不同濾波方式下的MRS信號(hào)特征參數(shù)曲線(xiàn)Fig.13 MRS signal characteristic parameter curves after different filter methods
圖14 為經(jīng)過(guò)不同濾波方式反演所得到的含水量柱狀圖。測(cè)點(diǎn)WLTQ94 距離打井點(diǎn)HL11很近,為3.17km,同樣兩者的水文地質(zhì)情況是相似的。HL11的水文地質(zhì)情況如圖15 所示。由圖可知:HL11打井深度為1.5~42m,含水層厚度為40.5m,出水層從1.5m 開(kāi)始,1.5~5m 為粗砂,5~21.7 m 為中砂,21.7~42 m 為粗砂。經(jīng)圖14、圖15及T*2與含水層的巖性關(guān)系的分析得出,經(jīng)自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)反演得到的含水量柱狀圖更接近于鉆井的實(shí)際情況。
圖14 不同濾波后反演所得到的的含水量柱狀圖Fig.14 MRS inversion results with the different methods
圖15 HL11水文地質(zhì)情況Fig.15 HL11hydrological geology
(1)MRS特征參數(shù)(振幅E0,弛豫時(shí)間相位φ0)的擬合誤差控制在了3%以?xún)?nèi)。由處理的結(jié)果分析可知,MRS數(shù)據(jù)處理之后,所得到的特征參數(shù)接近于理想信號(hào)所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù),說(shuō)明處理的結(jié)果準(zhǔn)確,反演解釋結(jié)果的可信度高。
(2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理表明,在地下水含量未知的條件下對(duì)于不同強(qiáng)度的噪聲干擾基于自適應(yīng)和小波模極大值重構(gòu)算法獲得了較好的去噪效果。
(3)通過(guò)理想信號(hào)加入兩種噪聲,經(jīng)過(guò)不同濾波方法的比較,得出了不同噪聲情況下的消噪策略,實(shí)測(cè)信號(hào)也驗(yàn)證了上述策略的適用性,為野外試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理提供了指導(dǎo),縮短了尋找最佳方法所用時(shí)間,提高了效率,對(duì)以后消噪方法的研究給出了參考。
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