基于近端参考线圈核磁共振地下水探测信号噪声消除方法与流程

本发明涉及一种核磁共振数据处理方法，具体涉及一种基于近端参考线圈核磁共振地下水探测信号噪声消除方法。

背景技术：

核磁共振测量(magneticresonancesounding,mrs)方法具有直接和定量探测地下水的优势，在地面和地下环境探测地下水，该方法得到广泛的应用，理想的核磁共振信号可表示为：

其中v0为mrs信号的初始振幅，为平均弛豫时间，fl为拉摩尔(larmor)频率，为初始相位，t是时间。但因为核磁共振信号微弱，在实际野外测量中，受环境中强电磁噪声干扰，使得采集数据的信噪比很低，如果不进行减小或消除噪声干扰，会导致后期数据反演结果不准确，因此核磁共振地下水探测信号噪声消除方法的研究意义重大。

cn201010537465.2公开了一种带参考线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法，通过多个采集单元同步采集主探测线圈核磁共振信号和各个参考线圈的噪声信号，采用变步长自适应算法消除主探测线圈中的噪声，能提高数据的信噪比。但是该方法要求参考线圈必须远离主探测线圈，以免参考线圈中接收到有用的核磁共振信号，参考线圈中如果存在核磁共振信号，通过该自适应算法，不仅消除环境噪声，同时会损失主探测线圈中的有用核磁共振信号。

cn103913778a公开了一种多个近端参考线圈的核磁共振信号实时噪声抵消装置，多通道信号经调理电路和数模转换器后，再经过数字信号处理芯片和自适应滤波器，经过反复迭代，得到参考线圈中的核磁共振信号和相关噪声，进行与主探测线圈的噪声抵消，该方法可以提高数据的信噪比，但是数字信号处理系统复杂，需要反复迭代计算，在野外实际应用中，耗费大量时间。

因此，需要发明一种能够对近端参考线圈适用的核磁共振信号噪声消除方法，并且也能适用于远端参考系统，该方法能够消除探测线圈中与参考线圈相关的噪声，提高核磁共振地下水探测信号的信噪比。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于近端参考线圈核磁共振地下水探测信号噪声消除方法，实现近端参考情况下对探测线圈中相关噪声的有效消除，同时不损失探测线圈中有用的mrs信号。

本发明是这样实现的：

一种基于近端参考线圈核磁共振地下水探测信号噪声消除方法，该方法包括，

步骤(1):铺设1个探测线圈，在探测线圈附近铺设n个参考线圈，利用多通道核磁共振探测仪器同时接收1个探测线圈和n个参考线圈的数据其中dm(t)为探测线圈接收数据，为n个参考线圈接收数据，t为采样时间；

步骤(2)：将多通道核磁共振探测仪器采集到的数据d按采样时间均分成前后两半段数据，分别为和

步骤(3)：分别对步骤(2)得到的前半段和后半段的数据进行离散傅里叶变换，得到参考线圈前半段和后半段的频域数据分别为和其中k表示第k个参考线圈，k＝1,2,…,n，探测线圈前半段和后半段的频域数据分别为和ω是角频率；

步骤(4)：利用步骤(3)得到的探测线圈和接收线圈频域数据，计算参考线圈与探测线圈后半段数据在频率域中的传递函数h；

步骤(5)：利用步骤(4)得到的传递函数h和参考线圈前半段的频域数据根据式(2)计算探测线圈内前半段数据的噪声估计的频域数据u(ω),

其中ωi表示参考线圈频率域数据的一个频点；

步骤(6)：对u(ω)进行离散傅里叶逆变换，得到探测线圈内前半段数据相关噪声的时域数据u(t)：

步骤(7)：判断u(t)中是否存在mrs信号：如果不存在，则用探测线圈前半段数据减去u(t)获取消噪后的数据如果存在mrs信号，先利用非线性拟合方法估计u(t)中的mrs信号v(t)，并在u(t)中减掉mrs信号，最后再进行噪声消除得到处理结果

进一步地，所述的步骤(4)中计算传递函数h具体实现步骤为：

在频率域内对于每一个频点ωi，探测线圈和参考线圈后半段数据在频率域中的相关关系表示为：

令h＝[h1(ωi),h2(ωi),…,hn(ωi)]^t为传递函数，t为转置符号，等式(4)表示为：

利用最小二乘方法求解式(5)得到

进一步地，所述的步骤(7)中利用非线性拟合方法估计mrs信号v(t)为：

首先使用hilbert变换和低通滤波器获得数据u(t)的复包络u′(t)；

其次，利用式(7)所示的非线性拟合方法对复包络数据进行拟合，得到初始振幅v0，横向弛豫时间频率偏差df和初始相位

其中为二阶范数计算符，为复包络的估计值，其表达式见式(8)所示。

其中，df＝f-fl为发射频率f和拉莫尔频率间的偏差，j为虚数单位。

进一步地，使在探测线圈附近小于10米铺设n个参考线圈，其中n大于1。

有益效果：本发明提出了一种基于近端参考线圈的核磁共振地下水探测信号噪声消除方法，不仅实现了在近端参考情况下对探测线圈中相关噪声的有效消除，同时不损失探测线圈中有用的mrs信号。本发明方法同样适用于远端参考线圈核磁共振测量数据的噪声消除。拓宽了参考线圈消噪方法的应用场所，提供了近端参考线圈应用于地下工程的mrs探测的噪声消除方法。

附图说明

图1基于近端参考线圈的核磁共振地下水探测信号噪声消除方法的流程图；

图2(a)探测线圈前半段数据频谱图；

图2(b)参考线圈前半段数据频谱图；

图2(c)探测线圈后半段数据频谱图；

图2(d)参考线圈后半段数据频谱图；

图3相关噪声时域图；

图4噪声消除前后探测线圈内前半段时域数据对比；

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，以下结合附图及实施例，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，并不限定本发明。

一种基于近端参考线圈核磁共振地下水探测信号噪声消除方法，其特征在于，该方法包括，

步骤(1):铺设1个探测线圈，在探测线圈附近铺设n个参考线圈，利用多通道核磁共振探测仪器同时接收1个探测线圈和n个参考线圈的数据其中dm(t)为探测线圈接收数据，为n个参考线圈接收数据，t为采样时间；

步骤(2)：将多通道核磁共振探测仪器采集到的数据d按采样时间均分成前后两半段数据，按照采用时间的中间时刻，分为前后两半段时间的前后两半段数据，分别为和

步骤(3)：分别对步骤(2)得到的前半段和后半段的数据进行离散傅里叶变换，得到参考线圈前半段和后半段的频域数据分别为和其中k表示第k个参考线圈，k＝1,2,…,n，探测线圈前半段和后半段的频域数据分别为和ω是角频率；

步骤(4)：利用步骤(3)得到的探测线圈和接收线圈频域数据，计算参考线圈与探测线圈后半段数据在频率域中的传递函数h；

步骤(5)：利用步骤(4)得到的传递函数h和参考线圈前半段的频域数据根据式(2)计算探测线圈内前半段数据的噪声估计的频域数据u(ω),

其中ωi表示参考线圈频率域数据的一个频点；

步骤(6)：对u(ω)进行离散傅里叶逆变换，得到探测线圈内前半段数据相关噪声的时域数据u(t)：

步骤(7)：判断u(t)中是否存在mrs信号：如果不存在，则用探测线圈前半段数据减去u(t)获取消噪后的数据如果存在mrs信号，先利用非线性拟合方法估计u(t)中的mrs信号v(t)，并在u(t)中减掉mrs信号，最后再进行噪声消除得到处理结果

步骤(4)中计算传递函数h具体实现步骤为：

在频率域内对于每一个频点ωi，探测线圈和参考线圈后半段数据在频率域中的相关关系表示为：

令h＝[h1(ωi),h2(ωi),…,hn(ωi)]^t为传递函数，t为转置符号，等式(4)表示为：

利用最小二乘方法求解式(5)得到

步骤(7)中利用非线性拟合方法估计mrs信号v(t)为：

首先使用hilbert变换和低通滤波器获得数据u(t)的复包络u′(t)；

其次，利用式(7)所示的非线性拟合方法对复包络数据进行拟合，得到初始振幅v0，横向弛豫时间频率偏差df和初始相位

其中为二阶范数计算符，为复包络的估计值，其表达式见式(8)所示。

其中，df＝f-fl为发射频率f和拉莫尔频率间的偏差，j为虚数单位。

利用非线性拟合方法估计v0，df和使用所有参考线圈数据合成的噪声估计u(t)对mrs信号进行拟合，而不使用某一个参考线圈的接收数据的原因是，u(t)中不含有随机噪声，且合成后的mrs信号大，拟合准确度高。

使在探测线圈附近小于10米铺设n个参考线圈，其中n大于1。

实施例1：

为了验证本发明方法的有效性，对仿真近端参考数据进行本发明方法消噪处理。参考线圈个数为3个。

以一组初始振幅为500nv，弛豫时间为0.2s，拉莫尔频率为2325hz，初始相位为π/3rad的地面核磁共振信号；工频谐波基频在50±0.02hz范围内(高斯)随机变化，100个谐波的幅度和相位呈随机分布的数据为例进行说明,3个参考线圈中分别包含0.5、0.2和0.1倍的mrs信号

步骤(1):铺设1个探测线圈，在探测线圈附近(小于10米)铺设3个参考线圈，即n＝3。利用多通道核磁共振探测仪器同时接收1个探测线圈和3个参考线圈的数据其中dm(t)为探测线圈接收数据，见图4中灰色曲线所示，为3个参考线圈接收数据，采样时间t为1s。

步骤(2)：将多通道核磁共振探测仪器采集到的数据d按时间分成前后两半段数据，分别为和

步骤(3)：分别对步骤(2)得到的前半段和后半段的数据进行离散傅里叶变换，得到参考线圈前半段和后半段的频域数据分别为和其中第一个参考线圈的和见图2(b)和图2(d)所示，其中表示第k个参考线圈，k＝1,2,3，探测线圈前半段和后半段的频域数据分别为和见图2(a)和图2(c)所示；

步骤(4)：利用步骤3得到的探测线圈和接收线圈频域数据，计算参考线圈与探测线圈后半段数据在频率域中的传递函数h；

步骤(5)：利用步骤4得到的传递函数h和参考线圈前半段的频域数据根据式(2)计算探测线圈内的噪声估计的频域数据u(ω),

其中ωi表示参考线圈频率域数据的一个频点。

步骤(6)：对u(ω)进行离散傅里叶逆变换，得到探测线圈内前半段数据相关噪声的时域数据u(t)，如图3所示。

步骤(7)：判断u(t)中是否存在mrs信号：如果不存在，则用探测线圈前半段数据减去u(t)获取消噪后的数据如果存在mrs信号，先利用非线性拟合方法估计mrs信号v(t)，并在u(t)中减掉mrs信号，最后再进行消除得到处理结果本实施例中存在mrs信号，对数据中的mrs信号进行拟合得到v0＝496.3±6.8nv和df＝0.3±0.1hz和最后得到处理结果y(t)见图4中黑色曲线所示。经计算，图4中原始数据的信噪比为-23.4db，经过本发明方法消噪处理后，图4中黑色曲线信噪比为-8.6db，信噪比提升了14.8db。因此，可以得出近端参考线圈噪声消除方法可以有效的消除工频谐波干扰和相关的其他频率噪声，提高了原始数据的信噪比。并且探测通道有用的mrs信号没有损失。

以上所述仅为本发明方法的较佳实施例而已，并不用以限制本发明方法，凡在本发明方法的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明方法的保护范围内。