基于ica的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種核磁共振數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，具體涉及一種基于獨(dú)立分量分析 (ICA)的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 尋找和評價(jià)地下淡水資源的方法有很多種，常規(guī)的物探找水方法都是通過勘查含 水構(gòu)造的層位間接找水，不能解決何處有水、有多少水等一些與地下水緊密相關(guān)的基本問 題，核磁共振地下水探測技術(shù)作為唯一的直接探測地下水的地球物理方法，具有信息量豐 富、解唯一性等優(yōu)點(diǎn)。但是核磁共振信號極其微弱，而且核磁共振探測儀器在接收核磁共振 響應(yīng)信號的同時(shí)不可避免地接收到復(fù)雜的噪聲干擾，諸如雷電等自然干擾源引起的奇異噪 聲，由電力線、發(fā)電機(jī)和變電器等人為干擾源引起的工頻諧波噪聲，以及由其他噪聲源引起 的平穩(wěn)噪聲和時(shí)變噪聲。復(fù)雜的噪聲干擾使得核磁共振地下水探測信號基本被淹沒，嚴(yán)重 阻礙磁共振信號的提取，影響后期反演解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此核磁共振地下水探測信號 消噪方法的研宄意義重大。
[0003] 目前已經(jīng)應(yīng)用到核磁共振地下水探測信號噪聲消除的方法有很多種，其中利用非 線性能量算子能夠?qū)夥逶肼曔M(jìn)行較好地消除，基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)疊加方法能夠?qū)﹄S機(jī) 噪聲進(jìn)行一定的壓制，但是需要的數(shù)據(jù)量大，疊加次數(shù)多，工作時(shí)間長，效率較低，工頻諧波 噪聲因?yàn)榕c核磁共振地下水探測信號的中心頻率非常接近，難以消除?，F(xiàn)有的工頻諧波噪 聲消除的方法有陷波器、基于參考線圈和變步長自適應(yīng)算法、多通道核磁響應(yīng)信號的自適 應(yīng)抵消，但是陷波器在消除工頻諧波噪聲的同時(shí)也會(huì)破壞核磁共振信號中一些重要的細(xì)節(jié) 信息，基于參考線圈和變步長自適應(yīng)算法，以及多通道核磁響應(yīng)信號的自適應(yīng)抵消方法不 僅需要鋪設(shè)參考線圈，操作復(fù)雜，而且只能消除與參考通道相關(guān)的噪聲，對參考通道的依賴 性較大。
[0004] CN203759264U公開"一種基于工頻整周期觸發(fā)的核磁共振雙極性疊加消噪裝置"， 是由雙極性疊加消噪裝置是由輸出可調(diào)的大功率電源與大功率發(fā)射橋路連接，雙極性主控 制單元經(jīng)發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)和大功率發(fā)射橋路與諧振電容連接，雙極性主控制單元分別與工頻 整周期同步觸發(fā)單元、高壓切換開關(guān)、信號調(diào)理電路和A/D采集單元連接，高壓切換開關(guān)經(jīng) 信號調(diào)理電路和放大器電路與A/D采集單元連接構(gòu)成。是通過分別采集兩組方向相反的核 磁共振信號和方向一致的噪聲信號，通過相減的方法消除噪聲，但是此方法不能保證兩次 采集的噪聲完全一樣，會(huì)有噪聲殘余，影響探測精度。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)合ICA和核磁共振信號與噪聲 特性，提供一種基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一種基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，包括以下步驟：
[0008] A、錄入三組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0009] B、利用ICA獨(dú)立成分分析，依次去除每組數(shù)據(jù)核磁共振信號中心頻率附近的工頻 諧波干擾，然后分別對每組處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)ICA逆變換后再進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到消除工頻 諧波干擾的數(shù)據(jù)；
[0010] C、將去除工頻諧波噪聲的三組數(shù)據(jù)作為觀測信號，然后對其進(jìn)行ICA處理，以消 除剩余的隨機(jī)噪聲，并利用ICA逆變換進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到最終的消噪數(shù)據(jù)。
[0011] 步驟A所述的三組，是指三個(gè)源信號。因?yàn)?，ICA算法的使用前提是觀測信號的個(gè) 數(shù)大于等于源信號的個(gè)數(shù)，為了計(jì)算簡單通常取相同個(gè)數(shù)，三組數(shù)據(jù)相對合理。核磁共振數(shù) 據(jù)包含MRS信號和噪聲，其中噪聲又包括工頻諧波干擾、隨機(jī)噪聲和尖峰干擾等。本發(fā)明僅 針對工頻諧波干擾和隨機(jī)噪聲，因此，源信號分為MRS信號、工頻諧波干擾和隨機(jī)噪聲。
[0012] 步驟B包括以下步驟：
[0013] a、對第一組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，確定該核磁共振地下水探測 信號中心頻率附近的工頻諧波干擾頻率f\，f2，…，fn;
[0014] b、結(jié)合所確定頻率，分別構(gòu)造與工頻諧波同頻率，與核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)同長度的 正弦函數(shù)、余弦函數(shù)，例如工頻諧波頻率為，則正弦函數(shù)為：sin(2 31fik)，余弦函數(shù)為： cos(2 31f\k)，并與核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)成觀測信號；
[0015] c、對觀測信號進(jìn)行預(yù)處理；
[0016] d、利用快速獨(dú)立分量分析算法對預(yù)處理后的觀測信號進(jìn)行分離，得到幅度有很大 衰減的解混信號和解混矩陣w;
[0017] e、將步驟d分離出的工頻諧波噪聲屏蔽清零，利用ICA逆變換 [L…,.{?^??,.、]1=(界7廣[0,?,.1',,?,0] 7進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)核磁共振信號的幅度，其中獨(dú) 立成分y」是分解出來的信號，只保留獨(dú)立成分y」，其他獨(dú)立成分置零，丨,(/7 =0，1,...2/〇是每 個(gè)通道內(nèi)所含的信號成分，由于核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)通道所含的核磁共振信號明顯，正弦函 數(shù)及余弦函數(shù)所在的通道基本不含核磁共振信號，因此選擇核磁共振信號強(qiáng)的作為去工頻 諧波后的核磁共振信號，記為元。
[0018] f、針對第二組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟a?e得到去除工頻諧波的第二組核 磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，記為矣。
[0019] g、針對第三組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟a?e得到去除工頻諧波的第三組核 磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，記為；。
[0020] 步驟C包括以下步驟：
[0021]I、將三組去除工頻諧波噪聲的數(shù)據(jù)組成觀測信號，并對其進(jìn)行預(yù)處理；
[0022] II、利用快速獨(dú)立分量分析算法對預(yù)處理后的觀測信號進(jìn)行分離，得到幅度有很 大衰減的解混信號和解混矩陣A;
[0023] III、將解混信號中噪聲成分少、核磁共振信號明顯的成分保留，其他成分屏蔽，利 用ICA逆變換氏名，i2]TMATr1!^，私i2]T進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)核磁共振信號幅度。
[0024] ICA算法包括以下步驟：
[0025] 第一步、觀測信號去均值，首先按照公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，其特征在于：包括以下步 驟： A、 錄入三組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)； B、 利用ICA獨(dú)立成分分析，依次去除每組數(shù)據(jù)核磁共振信號中心頻率附近的工頻諧波 干擾，然后分別對每組處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)ICA逆變換后再進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到消除工頻諧波 干擾的數(shù)據(jù)； C、 將去除工頻諧波噪聲的三組數(shù)據(jù)作為觀測信號，然后對其進(jìn)行ICA處理，以消除剩 余的隨機(jī)噪聲，并利用ICA逆變換進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到最終的消噪數(shù)據(jù)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，其特征 在于，步驟B包括以下步驟： a、 對第一組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，確定該核磁共振地下水探測信號 中心頻率附近的工頻諧波干擾頻率f1;f2，…，fn; b、 結(jié)合所確定頻率，分別構(gòu)造與工頻諧波同頻率，與核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)同長度的正 弦函數(shù)、余弦函數(shù)，例如工頻諧波頻率為，則正弦函數(shù)為：sin(2JrAk)，余弦函數(shù)為： cos(2 31f\k)，并與核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)成觀測信號； c、 對觀測信號進(jìn)行預(yù)處理； d、 利用快速獨(dú)立分量分析算法對預(yù)處理后的觀測信號進(jìn)行分離，得到幅度有很大衰減 的解混信號和解混矩陣w; e、 將步驟d分離出的工頻諧波噪聲屏蔽清零，利用ICA逆變換 …,0]T進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)核磁共振信號的幅度，其中獨(dú) 立成分yj是分解出來的信號，只保留獨(dú)立成分y』，其他獨(dú)立成分置零，丨,(/7 = 0,1,...2/?)是每 個(gè)通道內(nèi)所含的信號成分，由于核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)通道所含的核磁共振信號明顯，正弦函 數(shù)及余弦函數(shù)所在的通道基本不含核磁共振信號，因此選擇核磁共振信號強(qiáng)的作為去工頻 諧波后的核磁共振信號，記為4。 f、 針對第二組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟a?e得到去除工頻諧波的第二組核磁共 振響應(yīng)數(shù)據(jù)，記為毛。 g、 針對第三組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟a?e得到去除工頻諧波的第三組核磁共 振響應(yīng)數(shù)據(jù)，記為毛。
3. 按照權(quán)利要求1所述的基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，其特征 在于，步驟C包括以下步驟： I、 將三組去除工頻諧波噪聲的數(shù)據(jù)組成觀測信號，并對其進(jìn)行預(yù)處理； II、 利用快速獨(dú)立分量分析算法對預(yù)處理后的觀測信號進(jìn)行分離，得到幅度有很大衰 減的解混信號和解混矩陣A; III、 將解混信號中噪聲成分少、核磁共振信號明顯的成分保留，其他成分屏蔽，利用ICA 逆變換[^幻?…^私毛尸進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)肩復(fù)核磁共振信號幅度。
4. 按照權(quán)利要求1所述的基于ICA的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，其特征 在于，ICA算法包括以下步驟： 第一步、觀測信號去均值，首先按照公式幻求解觀測信號每一行的均值，然 Nk=\ 后利用公式x=x-S對觀測信號進(jìn)行去均值處理，使數(shù)據(jù)中心化，滿足零均值的假設(shè)； 第二步、對去均值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行白化處理，根據(jù)公式Cx=E{XXT}求觀測信號的協(xié)方差 矩陣，并求協(xié)方差矩陣的特征值d=diag(dQ,屯，…，d2n)，特征向量e= (eQ,ei，…e2n)，最后 由公式x=vx=d1/2eTx對零均值觀測信號進(jìn)行白化處理，使數(shù)據(jù)具有單位方差，以消除數(shù) 據(jù)各分量之間的相關(guān)性； 第三步、求解混矩陣《，首先令j= 1，初始化解混向量&，利用根據(jù)負(fù)熵最大化獨(dú)立判 據(jù)和牛頓迭代優(yōu)化算法推導(dǎo)出遞推式：
利用公式％ % Wi進(jìn)行正交化，在根據(jù)W j= W j/| |Wj|I標(biāo)準(zhǔn)化Wi，當(dāng) a=\ Wi收斂時(shí)，第一個(gè)獨(dú)立成分對應(yīng)的解混向量W:求解完畢，判斷W:是否收斂，如果W:不收斂重 新利用公式= ￡{xg(wyTx)} - ￡{g?)}wy.求Wl，對Wl進(jìn)行正交化和標(biāo)準(zhǔn)化，直到wi收斂， 第一個(gè)獨(dú)立成分對應(yīng)的解混向量Wi求解完畢，j=j+1，判斷j彡m是否成立，如果j彡m， 按照上述的步驟求出w2，直到j(luò)>m時(shí)，獨(dú)立成分對應(yīng)的所有的解混向量w求解完畢，輸出 解混矩陣w; 第四步、利用公式y(tǒng)=wTx求解獨(dú)立成分y; 第五步、數(shù)據(jù)重構(gòu)，由于利用ICA算法求出的輸出信號y具有幅度的不確定性， 與源信號相比初始幅度明顯減小，將第四步分離出的噪聲屏蔽清零，利用ICA逆變換 [.'…，.^…，?^^…^^…，?…，(^進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)肩復(fù)核磁共振信號的幅度以中獨(dú) 立成分y」是分解出來的信號，只保留獨(dú)立成分y」，其他獨(dú)立成分置零，\(/; = 0丄一2/〇是每 個(gè)通道內(nèi)所含的信號成分。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法，包括以下步驟：錄入三組核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)，分別對這三組數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，確定每組數(shù)據(jù)核磁共振中心頻率附近所含工頻諧波，然后構(gòu)造與工頻諧波同頻率，與核磁共振相應(yīng)數(shù)據(jù)同長度的正弦函數(shù)、余弦函數(shù)，并與核磁共振響應(yīng)數(shù)據(jù)組成觀測信號，采用獨(dú)立分量分析算法對每組觀測信號進(jìn)行分離得到解混信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)以消除工頻諧波的干擾，將三組去除工頻諧波的核磁共振數(shù)據(jù)作為觀測信號，再利用ICA算法處理，削弱剩余隨機(jī)噪聲干擾。本發(fā)明在消除工頻諧波噪聲干擾的同時(shí)，不會(huì)破壞信號的任何細(xì)節(jié)，不需要鋪設(shè)參考線圈，操作簡單，壓制隨機(jī)噪聲不需要大量的數(shù)據(jù)，減少處理時(shí)間。
【IPC分類】G01V3-14, G01V3-38
【公開號】CN104614778
【申請?zhí)枴緾N201510041803
【發(fā)明人】林婷婷, 張思遠(yuǎn), 張揚(yáng), 萬玲, 蔣川東, 林君
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月27日