基于ANC与EMD的强电磁干扰下磁共振探测信号噪声抑制方法研究

Magnetic Resonance Sounding (MRS) technology is a geophysical method which allows a direct detection of groundwater. With its high resolution, high efficiency, low cost and other advantages, it has been widely used in groundwater exploration and evaluation. However, the main constraint of the method in application is the low level of MRS signal and it is sensitive to the electromagnetic noise.. To get effective MRS signal within the strong electromagnetic interference, we propose this research for MRS signal noise cancellation by using Adaptive Noise Cancellation (ANC) and Empirical Mode Decomposition (EMD) methods. We initially introduce a reference coil and establish 90 degrees of channel phase shifting adaptive noise cancellation system. According to the variable step length means, it could achieve different signal-to-noise (SNR) detection channel and the related reference channel noise cancellation. In order to further improve SNR ratio, we also plan to study several algorithms of EMD, including endpoint continuation, screening stop conditions and modal aliasing of denoising. As a result, we could suggest a tendency item extraction method, which is appropriate suitable for MRS signal and noise characteristic to realize the related noise removal. Finally, the effectiveness of the combined methods can be verified through the field measurement and drilling experiment. . In summary, this project will solve the problems of extracting MRS signals disturbed by electromagnetic noise. By providing feasible noise mitigating algorithms, it will expand the applicability of MRS instrument and offer a robust basis for groundwater resources exploration and evaluation in China.

磁共振探测(MRS)技术作为一种直接探测地下水的地球物理方法，以其高分辨率、高效率、低成本等优点，被广泛应用于地下水资源探测与评价等领域。MRS信号极其微弱，对电磁噪声敏感成为该方法应用的主要局限。. 项目针对MRS仪器在强电磁干扰下难以获得有效信号的瓶颈，研究自适应噪声抵消(ANC)联合经验模态分解(EMD)的噪声抑制方法。引入参考线圈，建立带参考通道的90度移相ANC系统，依变步长手段，实现不同信噪比下探测通道与参考通道相关噪声的抵消。为进一步提高信噪比，围绕EMD消噪算法中端点延拓、筛选停止条件及模态混叠问题，探讨适合于MRS信号与噪声特色的趋势项提取方法，实现非相关噪声去除。最后，通过实测数据和钻孔实验验证联合消噪方法的有效性。. 本项目将解决强电磁干扰下MRS信号难以有效提取问题，提供一种切实可行的噪声抑制算法，拓展仪器使用范围，为我国水资源勘查与评价提供技术支持。

磁共振测深（MRS）作为目前国际上唯一一种直接探测地下水的地球物理方法，被广泛应用于地下水资源勘查与评价等领域。然而，MRS信号极其微弱，对电磁噪声敏感成为限制该方法应用的主要因素。本项目针对磁共振探测仪器在强电磁干扰下难以获取有效信号的瓶颈，提出采用基于自适应噪声对消（ANC）与经验模态分解（EMD）相结合的方法进行噪声抑制。首先，为了论证带有参考线圈的ANC磁共振探测系统能够进行噪声相关抵消，开展了基于电磁场理论的数值计算以及系统实现的可行性分析；同时提出了带有90º移相的变步长ANC算法以及基于多参考通道的改进变步长SVSLMS算法；为了获取实测数据，项目组设计了基于参考线圈的多通道磁共振接收机，采用天线Q值匹配、高精度采集校准等技术手段，实现了多通道全波磁共振探测数据的有效获取；通过算法仿真及实测数据处理，验证了ANC算法能够实现探测通道与参考通道中相关噪声的有效去除。然后，为了进一步提高信噪比，针对ANC算法处理后探测通道中依然存在大量非相关噪声的问题，提出采用基于EMD方法进行MRS信号衰减趋势的提取。研究中紧密围绕EMD消噪算法中端点效应、筛选停止条件以及模态混叠等问题，探讨了适合于MRS信噪特征的趋势项提取方法，确定了采用偶延拓、基于幅值比的Rilling停止条件以及提出基于EMD与自相关相结合判断IMF分量信号特征等方式，实现非相关噪声的有效去除。最后，构建了不同信噪比和不同位置的地下含水模型，开展了基于ANC与EMD相结合的磁共振噪声抑制与特征参数提取方法研究，通过反演结果与模型对比验证了联合消噪算法的性能；同时开展了实验室以及野外实测数据的消噪处理，通过与钻孔资料进行对比分析，证明了所提联合消噪算法的实用性和有效性。本项目的研究成果有效解决了强电磁噪声干扰下MRS信号难以提取的问题，信噪比可以提高30dB以上，该项研究对于提高磁共振探测的准确性和有效性，拓展仪器的应用范围具有重要的现实价值和科学意义。本项目的部分研究成果在国内外相关期刊和会议上进行了发表，包括2篇SCI检索的期刊论文，1篇EI检索的期刊论文，3篇会议论文（2篇EI检索），申请国家专利6项，授权3项，培养研究生3名，达到预期研究成果要求。