基于ica的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種核磁共振數據預處理方法，具體涉及一種基于獨立分量分析 (ICA)的核磁共振地下水探測信號噪聲消除方法。
【背景技術】：
[0002] 尋找和評價地下淡水資源的方法有很多種，常規的物探找水方法都是通過勘查含 水構造的層位間接找水，不能解決何處有水、有多少水等一些與地下水緊密相關的基本問 題，核磁共振地下水探測技術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、解唯一性等優點。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 響應信號的同時不可避免地接收到復雜的噪聲干擾，諸如雷電等自然干擾源引起的奇異噪 聲，由電力線、發電機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 的平穩噪聲和時變噪聲。復雜的噪聲干擾使得核磁共振地下水探測信號基本被淹沒，嚴重 阻礙磁共振信號的提取，影響后期反演解釋結果的準確性，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] 目前已經應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 線性能量算子能夠對尖峰噪聲進行較好地消除，基于大量數據的統計疊加方法能夠對隨機 噪聲進行一定的壓制，但是需要的數據量大，疊加次數多，工作時間長，效率較低，工頻諧波 噪聲因為與核磁共振地下水探測信號的中心頻率非常接近，難以消除。現有的工頻諧波噪 聲消除的方法有陷波器、基于參考線圈和變步長自適應算法、多通道核磁響應信號的自適 應抵消，但是陷波器在消除工頻諧波噪聲的同時也會破壞核磁共振信號中一些重要的細節 信息，基于參考線圈和變步長自適應算法，以及多通道核磁響應信號的自適應抵消方法不 僅需要鋪設參考線圈，操作復雜，而且只能消除與參考通道相關的噪聲，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的大功率電源與大功率發射橋路連接，雙極性主控 制單元經發射橋路驅動和大功率發射橋路與諧振電容連接，雙極性主控制單元分別與工頻 整周期同步觸發單元、高壓切換開關、信號調理電路和A/D采集單元連接，高壓切換開關經 信號調理電路和放大器電路與A/D采集單元連接構成。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，會有噪聲殘余，影響探測精度。
【發明內容】
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[0005] 本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足，結合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] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[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數據；
[0009] B、利用ICA獨立成分分析，依次去除每組數據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據進ICA逆變換后再進行數據重構，得到消除工頻 諧波干擾的數據；
[0010] C、將去除工頻諧波噪聲的三組數據作為觀測信號，然后對其進行ICA處理，以消 除剩余的隨機噪聲，并利用ICA逆變換進行數據重構，得到最終的消噪數據。
[0011] 步驟A所述的三組，是指三個源信號。因為，ICA算法的使用前提是觀測信號的個 數大于等于源信號的個數，為了計算簡單通常取相同個數，三組數據相對合理。核磁共振數 據包含MRS信號和噪聲，其中噪聲又包括工頻諧波干擾、隨機噪聲和尖峰干擾等。本發明僅 針對工頻諧波干擾和隨機噪聲，因此，源信號分為MRS信號、工頻諧波干擾和隨機噪聲。
[0012] 步驟B包括以下步驟：
[0013] a、對第一組核磁共振響應數據進行快速傅里葉變換，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、結合所確定頻率，分別構造與工頻諧波同頻率，與核磁共振響應數據同長度的 正弦函數、余弦函數，例如工頻諧波頻率為，則正弦函數為：sin(2 31fik)，余弦函數為： cos(2 31f\k)，并與核磁共振響應數據構成觀測信號；
[0015] c、對觀測信號進行預處理；
[0016] d、利用快速獨立分量分析算法對預處理后的觀測信號進行分離，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進行數據重構，恢復核磁共振信號的幅度，其中獨 立成分y」是分解出來的信號，只保留獨立成分y」，其他獨立成分置零，丨,(/7 =0，1,...2/〇是每 個通道內所含的信號成分，由于核磁共振響應數據通道所含的核磁共振信號明顯，正弦函 數及余弦函數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數據，重復步驟a?e得到去除工頻諧波的第二組核 磁共振響應數據，記為矣。
[0019] g、針對第三組核磁共振響應數據，重復步驟a?e得到去除工頻諧波的第三組核 磁共振響應數據，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據組成觀測信號，并對其進行預處理；
[0022] II、利用快速獨立分量分析算法對預處理后的觀測信號進行分離，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進行數據重構，恢復核磁共振信號幅度。
[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
【主權項】
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數據； B、 利用ICA獨立成分分析，依次去除每組數據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據進ICA逆變換后再進行數據重構，得到消除工頻諧波 干擾的數據； C、 將去除工頻諧波噪聲的三組數據作為觀測信號，然后對其進行ICA處理，以消除剩 余的隨機噪聲，并利用ICA逆變換進行數據重構，得到最終的消噪數據。
2. 按照權利要求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數據進行快速傅里葉變換，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、 結合所確定頻率，分別構造與工頻諧波同頻率，與核磁共振響應數據同長度的正 弦函數、余弦函數，例如工頻諧波頻率為，則正弦函數為：sin(2JrAk)，余弦函數為： cos(2 31f\k)，并與核磁共振響應數據構成觀測信號； c、 對觀測信號進行預處理； d、 利用快速獨立分量分析算法對預處理后的觀測信號進行分離，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進行數據重構，恢復核磁共振信號的幅度，其中獨 立成分yj是分解出來的信號，只保留獨立成分y』，其他獨立成分置零，丨,(/7 = 0,1,...2/?)是每 個通道內所含的信號成分，由于核磁共振響應數據通道所含的核磁共振信號明顯，正弦函 數及余弦函數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數據，重復步驟a?e得到去除工頻諧波的第二組核磁共 振響應數據，記為毛。 g、 針對第三組核磁共振響應數據，重復步驟a?e得到去除工頻諧波的第三組核磁共 振響應數據，記為毛。
3. 按照權利要求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據組成觀測信號，并對其進行預處理； II、 利用快速獨立分量分析算法對預處理后的觀測信號進行分離，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?…^私毛尸進行數據重構肩復核磁共振信號幅度。
4. 按照權利要求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對觀測信號進行去均值處理，使數據中心化，滿足零均值的假設； 第二步、對去均值后的數據進行白化處理，根據公式Cx=E{XXT}求觀測信號的協方差 矩陣，并求協方差矩陣的特征值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行白化處理，使數據具有單位方差，以消除數 據各分量之間的相關性； 第三步、求解混矩陣《，首先令j= 1，初始化解混向量&，利用根據負熵最大化獨立判 據和牛頓迭代優化算法推導出遞推式：
利用公式％ % Wi進行正交化，在根據W j= W j/| |Wj|I標準化Wi，當 a=\ Wi收斂時，第一個獨立成分對應的解混向量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進行正交化和標準化，直到wi收斂， 第一個獨立成分對應的解混向量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>m時，獨立成分對應的所有的解混向量w求解完畢，輸出 解混矩陣w; 第四步、利用公式y=wTx求解獨立成分y; 第五步、數據重構，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 [.'…，.^…，?^^…^^…，?…，(^進行數據重構肩復核磁共振信號的幅度以中獨 立成分y」是分解出來的信號，只保留獨立成分y」，其他獨立成分置零，\(/; = 0丄一2/〇是每 個通道內所含的信號成分。
【專利摘要】本發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數據，分別對這三組數據進行傅里葉變換，確定每組數據核磁共振中心頻率附近所含工頻諧波，然后構造與工頻諧波同頻率，與核磁共振相應數據同長度的正弦函數、余弦函數，并與核磁共振響應數據組成觀測信號，采用獨立分量分析算法對每組觀測信號進行分離得到解混信號，進行數據重構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據作為觀測信號，再利用ICA算法處理，削弱剩余隨機噪聲干擾。本發明在消除工頻諧波噪聲干擾的同時，不會破壞信號的任何細節，不需要鋪設參考線圈，操作簡單，壓制隨機噪聲不需要大量的數據，減少處理時間。
【IPC分類】G01V3-14, G01V3-38
【公開號】CN104614778
【申請號】CN201510041803
【發明人】林婷婷, 張思遠, 張揚, 萬玲, 蔣川東, 林君
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月27日