本发明涉及磁共振测深技术领域，具体地来讲为一种电磁噪声背景下微弱磁共振信号提取方法及装置。
背景技术：
磁共振测深技术是一种能够对地下水进行直接探测的地球物理方法，测量结果中能够有效反映目标水体埋藏深度、赋存状态等水文地质信息。将该技术应用于地下工程(矿井、隧道)等环境，能够探明开挖、采掘工作面前方未知区域中诱发灾害的地下水体信息，通过工程施工单位采取必要措施，可以显著降低灾害水体造成的人员伤亡和财产损失。
cn102062877公布了一种对前方水体超前探测的磁共振装置及探测方法。通过计算机控制大功率电源、系统控制器、信号采集单元等模块，以及垂直布设的线圈模式，对前方水体的水量大小、含水层位置等信息进行有效探测，预报隧道、矿井前方可能造成的不良诱灾水体信息。
cn103837903公布了一种基于无线网络的地下全波磁共振探测装置。探测装置通过无线网络平台实现上位机与发射机、接收机之间的数据通讯，减少仪器装置布设时的复杂度，同时利用全波方式实现水体信息采集，为后期数据处理提供丰富依据。
上述两项公开文件代表了利用磁共振方法在地下工程中进行探测的典型方法和装置，在噪声较低环境下能够实现前方水体的有效探测。但是，矿井、隧道环境属于地下工程设施，在施工和生产过程中，经常分布着大量的输变电线路、通风照明装置以及大功率的挖采设备，这些线路、装置、设备经常会造成大量的电磁噪声干扰，完全将获得的磁共振信号淹没在电磁噪声中，信号与噪声的初始信噪比达到-60db以下。如何利用有效的数据处理手段在这种超低信噪比环境下提取出微弱的磁共振信号，是实现地下工程中有效探测所必须解决的新问题。
磁共振信号处理手段种类繁多，包括多次叠加、硬件滤波、小波变换、自适应滤波等传统方法，这些方法根据不同特征的噪声类型采用不同的消减策略，一定程度上提高了磁共振方法的探测能力，但是所能达到的检测信噪比十分有限(公开文献表明，最低检测信噪比下限为-30db)，无法适用于地下工程环境。
混沌检测方法是近年来新兴的一种信号识别技术。与传统检测方法不同，混沌检测过程中仅以信号为目标，在复杂多变的噪声中将信号的频率、幅度作为敏感信息，以判断检测系统的输出状态为基础，实现微小信号的有效提取。这种方法对噪声具有极强的免疫力，而对信号十分敏感，能够达到极低的检测信噪比下限(公开文献表明，这种方法能够达到的检测信噪比下限约为-70db，甚至更低)，适用于地下工程环境下的磁共振信号提取。
cn104833850公开了一种“基于duffing混沌系统的微弱信号检测装置的微弱信号检测方法”，利用信号发生器将产生的微弱信号送至adc，采集后数据发送至fpga，作为方程的输入利用波峰差值检测算法计算数值解，根据状态判别获得输入信号依据。实现了硬件对检测方法的可行性验证，主要用于信息通信领域中。
cn102967759公开了一种“基于混沌振子的微弱信号检测电路”，通过控制模块产生控制信号并调整检测电路模块参数，通过显示模块显示内置信号频率、强度以及扫频范围，通过幅度调整模块将控制信号调整为混沌系统阈值，与待测信号合并后送入混沌检测电路模块，该发明可通过观察输出相图来识别微弱信号。
cn106685605公开了一种“混沌同步方式检测强噪声背景下微弱信号频率值的方法”，首先通过调整相关参数使检测系统的驱动端和响应端处于混沌态，二者完全同步，然后获得两端同步误差，最后通过对同步误差进行傅里叶变换获得功率谱密度，以确定周期信号的频率值。
上述发明都是利用混沌检测系统完成微弱信号识别的，所针对的目标信号特点是频率固定且幅度不变。而磁共振信号的特征是：虽然频率固定，但是其幅度值随时间衰减，衰减程度取决于含水层的赋存特性。因此，利用现有技术无法实现磁共振信号的直接识别，必须采用特殊手段对信号进行处理，然后将处理完成后的数据按照特定方法送入混沌检测系统，最终完成磁共振信号的识别和提取。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电磁噪声背景下微弱磁共振信号提取方法及装置，完成强噪声背景下磁共振信号特征值的有效提取。
本发明是这样实现的，一种电磁噪声背景下微弱磁共振信号提取方法，该方法首先利用特定分割与周期延拓思想对磁共振信号数据进行预处理，降低衰减信号对混沌检测系统的驱动力不确定性，然后将数据包送入混沌检测系统，形成一系列离散特征值，最后利用波形重建方法恢复磁共振信号，构建完整特征值，完成利用混沌检测原理实现强噪声下磁共振信号有效识别的目标。
包括：
步骤(1)：利用磁共振探测系统获取一组磁共振信号s(t)；
步骤(2)：建立基于duffing阵子的混沌检测系统；
步骤(3)：将磁共振信号按照时间和预估水文信息特征分解进行分段切割为分段信号；
步骤(4)：将步骤(3)中形成的分段信号分别进行m次延拓；
步骤(5)：将步骤(4)中的延拓后的信号分别送入步骤(2)中的混沌检测系统得到信号幅度；
步骤(6)：将被测信号的信号幅度按照时间和预先分割状态进行顺序组合，得到去噪后的磁共振信号包络图像，完成探测数据中磁共振信号s(t)中有效信号的提取。
进一步地，步骤(2)中混沌检测系统的数学模型为：
检测系统的恢复力形式为-xm+xn，m与n的取值依据噪声水平大小选取，检测系统的策动力信号幅度为a，相位为
进一步地，步骤(3)中将磁共振信号时间和预估水文信息特征分解进行分段切割为分段信号包括：
接收探测系统获得的实测数据；
将实测数据按照时间和预估水文地质特征信息进行间隔划分为分段数据；
将分段数据按照时间段重新定义；
将重新定义后的分段数据进行输出。
进一步地，步骤(4)中分段信号进行延拓包括：将分段数据sn(tn)扩展至m个sn(tn)的数据组合，形成长数据xn(tn)|m，m的取值与混沌检测系统要求的迭代次数有关，长数据分别输出，形成x1(t1)|m、x2(t2)|m、……、xn(tn)|m。
一种电磁噪声背景下微弱磁共振信号提取装置，该装置包括：
数据采集模块，获取一组磁共振信号s(t)；
数据分段模块，将磁共振信号按照时间和预估水文信息特征分解进行分段切割为分段信号，并将分段信号分别进行输出；
数据延拓模块，将分段信号分别进行m次延拓；
混沌检测系统，对延拓后的数据处理得到信号幅度；
波形恢复与重建模块，将信号幅度按照时间和预先分割状态进行顺序组合，得到去噪后的磁共振信号包络图像，完成探测数据中磁共振信号s(t)中有效信号的提取。
进一步地，所述数据分段模块包括数据输入模块、数据间隔分配模块、数据重新定义模块以及分段数据输出模块，数据输入模块接收实测数据，并送入数据间隔模块中，数据间隔分配模块按照时间和预估水文地质特征信息进行间隔划分，以此为数据划分依据，送入数据重新定义模块，数据重新定义模块将原始探测数据以数据间隔分配模块提出的划分依据为基础，将探测数据重新定义后通过分段数据输出模块输出。
进一步地，数据延拓模块包括分段数据输入模块、周期延拓模块以及周期数据输出模块，分段数据输入模块将分段数据输出送入周期延拓模块，周期延拓模块将分段数据sn(tn)扩展至m个sn(tn)的数据组合，形成长数据xn(tn)|m通过周期数据输出模块输出。
进一步地，波形恢复与重建模块包括混沌检测系统幅度输入模块、数据联立组合模块以及重建波形输出模块，混沌检测系统幅度输入模块将混沌检测系统输出的信号幅度送至数据联立组合模块，数据联立组合模块将信号幅度按照时间顺序重新组合形成y(t)。
进一步地，所述混沌检测系统当延拓后的信号中存在有效信号时，混沌系统相图状态会由临界混沌状态进入大周期状态，通过减小并调整策动力幅度a，使混沌系统再次处于混沌临界状态，将策动力幅度a的减小变化量δa记为该信号存在的信号幅度a1；当信号中不存在有效信号时，加入待测信号混沌系统仍处于临界混沌状态，混沌系统的策动力幅度a的变化将不改变混沌状态，记策动力幅度a的减小变化量δa为0，存在的信号幅度为0。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明是依据混沌系统检测微弱信号的原理，首先将完整数据根据预估水文信息和时间顺序进行特定分段和周期延拓，确定分段数据中是否存在目标信号，得到分段数据中的被测信号幅值，然后将每个区间段中得到信号幅值进行联立和重建，形成包络数据，完成有用信号的波形恢复。由于混沌系统具有对微弱目标信号敏感而对干扰噪声强免疫的效果，使得这种方法能够在-60db甚至更低的噪声环境下得到微弱磁共振信号，提取信号的效果远超其他数据处理方法，能够实现在矿井、隧道等电磁噪声复杂且强烈的环境下进行磁共振探测，有效拓展磁共振探测地下水技术的应用范围。
附图说明
图1基于混沌系统的微弱磁共振信号检测装置的结构框图；
图2数据分段模块的结构框图；
图3数据延拓模块的结构框图；
图4波形恢复与重建模块的结构框图；
图5基于混沌系统的微弱磁共振信号检测方法框图；
图6数据分段模块的工作流程图；
图7数据延拓模块的工作流程图；
图8波形恢复与重建模块的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种磁噪声背景下微弱磁共振信号提取装置，该装置包括：
数据采集模块，获取一组磁共振信号s(t)；
数据分段模块，将磁共振信号按照时间和预估水文信息特征分解进行分段切割为分段信号，并将分段信号分别进行输出；
数据延拓模块，将分段信号分别进行m次延拓；
混沌检测系统，对延拓后的数据处理得到信号幅度；
波形恢复与重建模块，将信号幅度按照时间和预先分割状态进行顺序组合，得到去噪后的磁共振信号包络图像，完成探测数据中磁共振信号s(t)中有效信号的提取。
参见图2数据分段模块包括数据输入模块、数据间隔分配模块、数据重新定义模块以及分段数据输出模块，数据输入模块接收实测数据，并送入数据间隔模块中，数据间隔分配模块按照时间和预估水文地质特征信息进行间隔划分，以此为数据划分依据，送入数据重新定义模块，数据重新定义模块的数量与数据划分成的数量相同，数据重新定义模块将原始探测数据以数据间隔分配模块提出的划分依据为基础，将探测数据重新定义后分别通过分段数据输出模块输出。如将t1-t2时间段内的数据定义为s1(t1)数据，t2-t3时间段内的数据定义为s2(t2)数据，tn-tn+1时间段内的数据定义为sn(tn)数据。将这些分段数据送至各自的分段数据输出模块。
参见图3数据延拓模块包括分段数据输入模块、周期延拓模块以及周期数据输出模块，分段数据输入模块将分段数据分别输出送入周期延拓模块，周期延拓模块将输入的分段数据sn(tn)分别扩展至m个sn(tn)的数据组合，形成长数据xn(tn)|m通过对应的周期数据输出模块分别输出。m的取值与混沌检测系统要求的迭代次数有关。输出的长数据分别送至周期数据输出模块，形成x1(t1)|m、x2(t2)|m、……、xn(tn)|m，准备送至混沌检测系统完成信号幅度输出。
参见图4波形恢复与重建模块包括多个混沌检测系统幅度输入模块、数据联立组合模块以及重建波形输出模块，多个混沌检测系统幅度输入模块分别将对应的将混沌检测系统输出的信号幅度送至数据联立组合模块，数据联立组合模块将信号幅度按照时间顺序重新组合形成y(t)。即y(t)＝[a1，a2，……，an]，最终通过重建波形输出模块，得到淹没在强噪声背景下的mrs信号y(t)。
混沌检测系统当延拓后的信号中存在有效信号时，混沌系统相图状态会由临界混沌状态进入大周期状态，通过减小并调整策动力幅度a，使混沌系统再次处于混沌临界状态，将策动力幅度a的减小变化量δa记为该信号存在的信号幅度a1；当信号中不存在有效信号时，加入待测信号混沌系统仍处于临界混沌状态，混沌系统的策动力幅度a的变化将不改变混沌状态，记策动力幅度a的减小变化量δa为0，存在的信号幅度为0。
参见图5结合图6、图7和图8，电磁噪声背景下微弱磁共振信号提取方法，包括步骤1，利用磁共振探测系统获得一组含噪声的磁共振信号s(t)，
步骤2，建立一个基于duffing阵子的混沌检测系统，检测系统的数学模型为：
检测系统的恢复力形式为-xm+xn，m与n的取值依据噪声水平大小选取，这里，m取值为1，n取值为5。检测系统的策动力信号幅度为a，相位为
步骤3，参见图6，为了保证磁共振信号随时间的衰减值不影响信号检测精度，本实施例中将获得的磁共振信号s(t)按时间和预估水文信息特征，将时间t分割为n段，本实施例中为9段：分别用s1(t1)、s2(t2)、s3(t3)、s4(t4)、s5(t5)、s6(t6)、s7(t7)、s8(t8)、s9(t9)表示。如图6所示，图6中s4(t4)、s5(t5)、s6(t6)、s7(t7)、s8(t8)略去，n代表的数字为9。
步骤4：参见图7，本实施例中，为了保证分段后数据的数据量能够进行混沌系统的多次迭代运算，将步骤(3)中形成的分段数据s1(t1)送入周期延拓模块，延拓m次，这里m取值为100。延拓后的s1(t1)数据为：x1(t1)|100＝[s1(t1)|1,s1(t1)|2,……,s1(t1)|100]。同理，s2(t2)延拓后的数据为：x2(t2)|100＝[s2(t2)|1,s2(t2)|2,……,s2(t2)|100]，s3(t3)延拓后的数据为：x3(t3)|100＝[s3(t3)|1,s3(t3)|2,……,s3(t3)|100]，s9(t9)延拓后为：x9(t9)|100＝[s9(t9)|1,s9(t9)|2,……,s9(t9)|100]。形成的延拓数据，图1中x4(t4)|100、x5(t5)|100、x6(t6)|100、x7(t7)|100、x8(t8)|100略去，n代表的数字为9。
步骤(5)：参见图8，将步骤(4)中的形成的信号x1(t1)|100、x2(t2)|100、x3(t3)|100、……、x9(t9)|100分别送入步骤(2)中的混沌检测系统。当x1(t1)中存在信号时，混沌系统相图状态会由临界混沌状态进入大周期状态，通过减小并调整策动力幅度a，使混沌系统再次处于混沌临界状态，将a的减小变化量δa记为数据s1(t1)中存在的信号幅度a1；当x1(t1)中不存在信号时，加入待测信号混沌系统仍处于临界混沌状态，混沌系统的策动力幅度a的变化将不改变混沌状态，记δa减小变化量为0，即存在的信号幅度为0。同理可以将其他组信号x2(t2)、x3(t3)、……、x9(t9)得到的信号幅度确定为a2、a3、……、a9。其中a4、a5、a6、a7、a8略去，n代表的数字为9。
步骤(6)：将被测信号a1、a2、……、a9送至波形波形恢复与重建模块，将这些信号幅度a1-a9按照时间t1、t2、……、t9和预先分割状态进行顺序组合，得到去噪后的磁共振信号包络图像y(t)＝[a1|t1、a2|t2、……、a9|t9]，完成探测数据中s(t)中有效信号的提取。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。