基于最小噪声分离变换的航空电磁探测噪声压制技术研究

The airborne electromagnetic technology and equipment are essential for the increasing demand of mineral resources due to the rapid development of China's economy. Noise is a key issue for airborne electromagnetic exploration. This project, considering the complex multi-source noise, establishes the additive and multiplicative noise model and decomposes the airborne electromagnetic data into MNF components with decreasing SNR by MNF Rotation based on the estimation of the noise covariance. The segmentation scheme for MNF computation is determined through the time-frequency analysis of airborne electromagnetic data. The low-order segmented MNF components are used to reconstruct the airborne electromagnetic data in a “linear- logarithmic” mode to suppress the noise. The establishment of the additive and multiplicative noise model fundamentally changes the principle of airborne electromagnetic noise suppression and solves the noise problem caused by the nonlinearity and time variance of the system. The MNF relates to the data decomposition directly to the SNR based on noise estimation to avoid the overlap of signal and noise both in time and frequency domain. This project will present an airborne electromagnetic noise suppression algorithm and propose a novel scientific research idea of noise suppression with joint innovation on noise model and suppression technology. This project will finally provide the key science and technology support for China land resources prospecting and deep electromagnetic exploration.

我国经济建设高速发展，矿产资源需求剧增，急需大深度、高精度航空电磁勘查关键技术与装备。噪声是制约航空电磁系统探测能力的重要因素，本项目针对航空电磁探测多源复杂噪声，建立加乘噪声模型，基于噪声协方差估计，采用最小噪声分离变换，将航空电磁数据变换为按信噪比排列的最小噪声分离成分；根据时频统计特性分析，确定数据分段处理方案，以“线性-同态”循环式处理方式，通过低阶最小噪声分离成分重构，压制航空电磁探测噪声。加乘噪声新模型的建立，从根本上改变了航空电磁探测噪声压制理念，解决了测量系统时变性与非线性带来的乘性噪声问题；最小噪声分离变换基于噪声估计理论，将数据变换与信噪比关联，避免了航空电磁信号与噪声时频混叠带来的滤波难题。本项目的实施将提供一套航空电磁探测噪声压制新算法，开拓航空电磁探测噪声模型与噪声压制技术联合创新的科学研究思路，为我国实现大深度与高精度的国土资源战略普查勘查提供关键科学技术支撑。

针对航空电磁数据和噪声在时域、频域存在重叠，难以采用传统滤波方法进行噪声压制的技术难题，本项目研究了航空电磁探测数据与噪声的时频统计特性，推导了接收线圈在飞行测量过程中，由于切割地磁场磁力线而引入的线圈运动噪声，建立了航空电磁探测的加-乘噪声模型；根据噪声协方差估计，对数据进行噪声白化处理，采用最小噪声分离变换，将航空电磁数据变换为按信噪比排列的最小噪声分离成分，通过高信噪比的最小噪声成分重构达到噪声压制的目的。本项目攻克了“线性-同态”循环处理、最小噪声分离滤波主成分重构以及分段最小噪声分离等关键技术，形成了航空电磁探测噪声分析与压制的理论体系，研发了一套基于最小噪声分离的航空电磁探测噪声压制算法。通过理论推导、仿真实验以及实测数据噪声压制的对比分析，表明了该算法可应用于航空电磁实测数据的噪声压制，能够为我国深地国土资源普查勘查提供关键科学技术支撑。.本项目研发的噪声压制算法在国家重点研发计划项目“直升机航空电磁测量技术系统研制”的野外飞行生产实践中得到了成功应用，在新疆哈密等地区开展了10000公里以上的测线飞行，发现了一座中型金矿及二十余处矿化地点。该算法被世界著名航空电磁探测公司加拿大Geotech评价为“目前唯一有效的运动噪声压制方法”，并应用于其数据处理平台，彰显了本项目研究成果的重要学术价值和应用价值。.在本项目的资助下，项目组成员共发表学术论文11篇（含1篇已录用），其中SCI检索5篇，EI检索2篇；授权发明专利5项；博士研究生学位论文1篇，硕士研究生学位论文5篇；著名航空电磁探测公司Geotech的应用证明1份；项目组1名同学赴丹麦奥胡斯大学联合培养博士1年，项目组成员赴美国、丹麦等地参加SEG、AEM以及AGU国际会议8人次，中国国际会议7人次。