基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法

本发明涉及海洋地球物理信号处理，具体涉及一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法。

背景技术：

1、海洋大地电磁测深法(mt)通过在海底观测天然场源产生的感应电磁场获取海底介质的电性分布，它是研究海洋地壳和上地幔电性结构以及深部地质过程的重要地球物理手段。在浅水环境中，海浪运动产生的感应电磁场干扰频率范围与mt信号的频率混叠，在时域和频域都不易将其与mt信号分离；海浪感应电磁干扰具有较强的能量，极大地降低了mt数据的信噪比，导致视电阻率和相位产生严重畸变，是浅水mt数据的主要干扰。因此，需对海浪感应电磁场进行压制以提高浅水区mt数据信噪比。

2、传统的处理方法包括小波变换、svd分解等，由于噪声与有效信号在时域和频率混叠，上述方法容易对有效信号造成破坏，导致去噪效果不理想。于彩霞等(2010)和张宝强(2018)分别使用emd和小波阈值去噪方法压制mt数据中的海浪感应磁噪声，这类信号分解算法能够有效改善视电阻率曲线，但相位曲线的校正效果仍不够理想。封常青等(2022)使用k-svd字典学习算法提取海浪感应磁噪声，视电阻率畸变的改善效果明显，但相位畸变仍需借助校正后的视电阻率进行二次校正，处理效果也有待进一步提高。在去噪效果评价方面，现有方法通常在时域计算信噪比(signal-to-noise ratio，snr)、均方根误差(root-mean-square error，rmse)和相关系数(correlation coefficient，corc)等指标来评价去噪效果(wang et al.，2017；封常青等，2022)，这类指标需通过无噪信号与去噪信号做运算得到，然而，实测资料的无噪信号未知，因此这类指标无法用于实测数据的去噪效果评价。如何评价实测数据中噪声压制方法的应用效果一直是地球物理学家讨论的热点问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，该方法可实现单一通道时间序列数据的矩阵化，并提高海洋大地电磁数据的信噪比，提出的基于自相关函数的噪声压制效果评价方法可用于海浪磁噪声处理方法在实测数据中的应用效果。

2、为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，包括：

4、s1、读取评价要求和海洋大地电磁场原始时间序列x(n)，n为数据的个数；

5、s2、采用变分模态分解与带通滤波组合的方法对时间序列x(n)进行噪声估计，得到噪声时间序列xn；

6、s3、基于相空间重构矩阵化方法，从原始时间序列x(n)中抽取样本作为一维相空间矢量，构建原始时间序列矩阵xs：

7、

8、上式中，矩阵的行数m、列数n和时间延迟τ与时间序列的总数据点数n之间满足n＝(m-1)τ+n，对于时间延迟τ，其取值范围为表示向下取整；

9、s4、对估计的噪声时间序列xn进行矩阵化，得到噪声矩阵xn；

10、s5、基于原始时间序列矩阵xs和噪声矩阵xn进行mnf变换，得到mnf成分z；

11、s6、基于噪声特征选择适当高阶mnf成分重构噪声矩阵

12、s7、基于时间延迟τ对重构噪声矩阵进行逆矩阵化，获得提取的噪声时间序列；

13、s8、估计海浪频带，对提取的噪声时间序列进行带通滤波，提取海浪感应磁噪声，从原始时间序列中减去提取的海浪感应磁噪声；

14、s9、基于压制噪声后时间序列计算自相关函数，基于自相关函数进行海浪感应磁噪声压制效果评价，自相关函数计算方法为：

15、

16、上式中，yt是时间序列在时刻t的观测值，是时间序列所有观测值的平均值，k是滞后时间，其取值范围为[0,n-1]，自相关函数acf就是指由自相关系数rk构成的序列；

17、s10、基于自相关函数判断是否满足评价要求，若满足则转向s11，若不满足则转向s3；

18、s11、输出压制噪声的大地电磁时间序列。

19、2.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，mnf成分z的计算方法为：

20、z＝rtxs

21、式中，xs为原始时间序列矩阵，rt为基于噪声矩阵xn计算的构造旋转矩阵。

22、3.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，重构信号的计算方法为：

23、

24、式中，b为对m行m列的角截断矩阵，在参与重构的mnf成分的对应行上表示为1，其余部分全为0。

25、4.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，对重构噪声矩阵进行逆矩阵化的计算方法为基于时间延迟τ，依次消除数据矩阵中每个样本重复的数据点，并依次拼接为单一通道的时间序列。

26、5.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，基于自相关函数的噪声压制效果评价方法可应用于评价非稳定信号中有特定频率特征信号的压制效果，且可应用于实测数据评价。

27、较现有技术相比，本发明一些实施例中，提供的方法的有益效果在于：

28、本发明主要针对海洋大地电磁探测中由海浪运动引起对mt磁场信号的强干扰，并导致大地电磁数据信噪比低的问题，提出了一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制方法，该方法为复杂浅水环境下改善海洋mt资料信噪比提供了一种有效的技术方案，能够更加有效的校正相位畸变。较于传统的大地电磁噪声压制方法，该方法基于相空间重构矩阵化方法，实现单通道时间序列的矩阵化，通过最小噪声分离方法实现信号和噪声的分离，基于噪声特征选择适当高阶mnf成分重构噪声矩阵，并通过逆矩阵化，获得提取的噪声时间序列。所提出的海浪磁干扰压制方法为压制与有效信号在时域和频域混叠的噪声提供了有效解决方案，提高了大地电磁数据信噪比。

29、针对常用指标无法用于实测数据去噪效果评价的问题，提出了一种基于自相关函数的噪声压制效果评价方法，该方法结合mt信号具有非平稳特性和海浪感应磁噪声的周期性，利用二者的周期性差异评判信噪分离效果。所提出的基于自相关函数的噪声压制效果评价方法无需已知无噪信号，通过曲线的震荡形态判别去噪效果，较于传统的评价方法，这类指标可用于实测数据的去噪效果评价，提高了评价方法的应用范围和实用性。

技术特征：

1.一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，mnf成分z的计算方法为：

3.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，重构信号的计算方法为：

4.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，对重构噪声矩阵进行逆矩阵化的计算方法为基于时间延迟τ，依次消除数据矩阵中每个样本重复的数据点，并依次拼接为单一通道的时间序列。

5.如权利要求1所述的基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，其特征在于，基于自相关函数的噪声压制效果评价方法可应用于评价非稳定信号中有特定频率特征信号的压制效果，且可应用于实测数据评价。

技术总结
本发明提供一种基于时间序列矩阵化的海浪感应磁干扰压制和评价方法，包括：读取海洋大地电磁场时间序列；采用变分模态分解与带通滤波组合估计噪声；基于相空间重构矩阵化方法，构建时间序列矩阵和噪声矩阵；对数据矩阵进行MNF变换；选择高阶MNF成分重构噪声矩阵并逆矩阵化，获得噪声时间序列；对噪声时间序列进行带通滤波，提取海浪感应磁噪声以实现信噪分离；基于自相关函数进行噪声压制效果评价；判断是否满足要求；输出压制噪声的时间序列。所提出的干扰压制方法为压制与有效信号在时域和频域混叠的噪声提供了有效解决方案，提高了数据信噪比。基于自相关函数的噪声压制效果评价方法可用于实测数据，较于传统方法，具有更广的应用范围和实用性。

技术研发人员：罗鸣,徐天,封常青,李予国
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15