基于差分结构的地面核磁共振数据噪声压制技术

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术是一种可直接定性定量探测地下水的非侵害式地球物理方法,已广泛应用于资源勘探、地质灾害预警和环境检测等方面。但在实际应用中,复杂的环境噪声导致微弱的SNMR信号常常被淹没,很难获取有效的SNMR信号。针对这一问题,本文提出了一种基于差分结构的SNMR数据噪声压制技术,采用两个接收线圈等距设置在发射线圈上下位置。这种分布可以实时抵消大部分环境噪声以及消除收发线圈耦合影响。理论建模和仿真结果验证了新方法能够有效压制噪声,并可靠获取到早期自由感应衰减(free induction decay,FID)信号。

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。

基于Google Earth兴城地学信息共享系统的设计与实现

结合兴城深部探测野外实验示范基地地学信息特征分析,构建了基于地理空间关联性的面向对象数据储存模型。在此基础上,利用电子地图和数据库技术设计并实现了基于Google Earth的兴城地学信息共享系统,实现了对兴城基地地学信息的统一管理与共享,为基地内勘探工程设计和勘探结果分析比对提供信息服务支持。

基于自旋回波探测的地面磁共振T_(2)谱正反演策略

作为新兴地球物理方法之一,地面磁共振技术具有直接探测优势.但由于其发展时间较短,相关建模及反演方法介绍较少,传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限,且适应性较差.近年来,应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域的研究热点.本文推导了其灵敏度核函数及正演公式,引入线性空间反演方案,即通过奇异值分解将含噪自旋回波信号由时间域变换至空间域.为避免矩阵病态问题,采用奇异值滤波法抑制分解病态程度,并联合同时迭代重建技术进一步提升空间域矩阵求解精度.结合非线性拟合对空间域矩阵参数进行提取,实现含水层对应含水量、横向弛豫时间的有效估计.通过模拟野外实验并进行数据解释,证实了该方案能够有效降低浅层含水量至1.5%,横向弛豫时间估测误差至0.02 s.本文的研究成果,将为地面横向弛豫时间探测及相关理论发展及方法在水文地质调查方面的推广应用提供有力支撑.

地热资源与地震活动共生深部驱动机制研究现状与展望

地球内部地质过程及其相互作用不仅控制了全球地质格局的形成演化,也控制着地热资源的形成和地震活动的发生。本文通过系统调研及归纳总结,系统讨论地热资源与地震活动的共生深部驱动机制。首先,总结了全球高温地热带及大型/超大型地震带的形成背景,大多数高温地热与大型地震在空间分布上具有重合性,形成于活跃的板块边缘,而板内常形成中—低温地热且周缘伴随地震活动;其次,总结了地热资源及地震活动共生的深部驱动要素,发现流体及断裂构造在热能和地震的释放中起着至关重要的作用,是地热资源与地震活动深部主要的控制要素;再次,总结了地热资源与地震活动深部地球物理探测成果,表明大地电磁等方法可揭示地热与地震形成的同源关系与因果关系,地热与地震源于深部物质与能量的交换;最后,对地热资源与地震活动的共生深部驱动机制研究方法及发展方向进行了展望。

BSR-2宽频带地震记录仪的研制

介绍了一种完全自主研发的新型数字地震记录仪,系统采用双CPU结构、GPS授时同步与高精度恒温晶振相结合的时钟机制、新型24位A/D、完全超大容量电子固态存储以及内建自测试(BIST)等新技术,非常适合于天然地震的野外流动观测,也可应用在人工源反射、折射地震勘探等其他领域,是一种数据可靠、使用方便、具有较高性能价格比的宽频带地震数据采集系统.

基于稀疏表示的地面磁共振信号提取方法

在多孔隙含水层中地面磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)信号呈现多弛豫衰减特性,常规盲源分离方法和单指数拟合方法引起信号严重失真和信息缺失等问题.本文提出了基于稀疏表示的随机噪声背景下多弛豫SNMR信号的提取方法.根据SNMR信号的衰减特征,设计了精确刻画SNMR信号且与随机噪声不相关的离散衰减余弦冗余字典.其次,针对多弛豫SNMR信号稀疏度未知的问题,通过设置合理的残差比阈值控制迭代次数,改进了广义正交匹配追踪(generalized orthogonal matching pursuit,gOMP)算法,使得该方法应用于SNMR信号的提取时,具有更好的自适应性和普适性.再次,鉴于SNMR测量数据为多次独立重复采集的结果,提出了基于数据流的SNMR信号提取策略,在提高算法鲁棒性的同时,保证了信号提取结果的唯一性.最后,通过仿真和实测数据证明了基于gOMP算法的稀疏表示方法可以显著地提升多弛豫SNMR信号的提取质量,降低随机噪声对含水层反演结果的影响,提高SNMR探测能力.

基于L1范数的低场核磁共振T_2谱稀疏反演方法

低场核磁共振技术(LF-NMR)以其无损、非侵入、原位和绿色等优势被广泛应用在食品、农业、能源和化工等行业,尤其是在食品安全监管领域发挥着越来越重要的作用.在油品品质检测中,常规非负奇异值分解(SVD)弛豫(T_2)谱反演方法,只能反映光滑模型的T_2谱,对于稀疏模型的反演结果存在较大差异,从而导致T_2谱反演分辨率低和品质分析不准确的问题.针对这一问题,本文提出基于L1范数最小化约束的T_2谱稀疏反演算法,建立NMR回波曲线的稀疏模型表达式,利用截断牛顿内点法求解L1范数最小化问题,得到稀疏模型的T_2谱反演结果.通过构造光滑模型的T_2谱、以及不同峰值数和信噪比的稀疏模型的T_2谱,对比非负SVD算法和L1稀疏算法的反演效果,得到当信噪比大于20 d B时,L1稀疏算法能精确反演多峰T_2谱,峰值幅度和峰位置均优于非负SVD算法结果.最后通过多组煎炸油样品进行低场核磁共振检测实验和不同信噪比数据的反演结果对比,验证了L1范数稀疏反演算法的准确性和优越性.

基于全方向波束定向的地震记录信噪比改善方法

常规波束定向方法利用多炮地震记录、采用恒定延时差实现目标方向上地震波场的加强,所用的地震记录是由相同震源在不同位置激发得到的,由于不同地震记录的震源与大地的耦合程度不同,即震源的一致性存在差异,因而降低了波束定向的质量,同时,该方法未能实现全方向波束加强,波束定向结果的整体信噪比仍较低。为此,提出了一种全方向波束定向方法(Omnidirectional Beam-forming,OB),该方法基于波场叠加原理,通过不同方向有效波场的叠加,实现地震记录全方向有效信号的增强。其具体实现包括5个步骤:单炮记录的复制、角度域划分、延时参数计算及波束定向、有效波场的提取和有效波场的合并。利用数值模拟的含随机噪声单炮记录,验证了OB方法的正确性和有效性。将OB方法应用于某地区实际地震资料处理,使地震资料中的随机噪声得到明显压制,信噪比提高了6.75dB。

基于重构激发信号的电磁式可控震源相关检测参考信号方法研究

针对电磁式可控震源地震数据的相关检测,研究发现,在地下结构复杂、基板-大地耦合不佳时,常规方法——基于震源控制信号或基板附近信号作为参考信号检测得到的地震记录中,存在子波到时误差和虚假多次波问题.本文分析了上述问题的理论原因,并提出基于重构激发信号的相关检测参考信号方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal,CDRSBRES).首先,利用直达波与其他地震波到时不一致的特点,从震源基板附近信号中分离、提取直达波.然后,利用直达波重构震源激发信号并作为参考信号对地震数据进行相关检测.最后,应用谱白化技术提高检测结果质量.数值模拟研究表明,重构激发信号与理想激发信号的相关系数为0.9869,达到高度线性相关,CDRSBRES方法检测的地震记录在子波到时和波形特征上均与模型相符.随后,在某金属矿区开展了可控震源对比实验.与液压式可控震源MiniVib T15000检测结果相比,电磁式可控震源PHVS 500的检测结果中:基于震源控制信号的检测结果存在子波到时误差约0.012s,对应垂向精度误差约11.16m;基于基板附近信号的检测结果部分区域出现虚假多次波,信噪比降低;而CDRSBRES方法的检测结果子波到时误差约0.001s,对应垂向精度误差约0.93m,波形特征一致,相同区域无虚假多次波.综上,本方法适用于电磁式可控震源地震数据的高精度检测,尤其对于地下结构复杂区域的高分辨率地震勘探具有重要意义.

地面核磁偏共振响应特征与复包络反演方法

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)方法在地下水探测领域具有直接、定量和解释唯一等优势,但是由于地磁场存在不均匀、随时间变化和易受噪声影响等难以确定的问题,导致偏共振激发,严重影响反演结果的准确性.本文基于地面核磁偏共振(surface nuclear magnetic off-resonance,SNMOR)模型和相应的核函数表达式,讨论了频率偏量对偏共振信号的影响,并提出了基于系统相位自动搜索和信号实部与虚部同时参与的复包络反演方法.通过仿真模型和反演结果对比得到:偏共振信号相位随频率的增加而增大,仿真模型中的信号幅度最大提高了65.9%;当频率偏量大于2 Hz时,利用SNMOR核函数的反演结果的准确度明显优于SNMR核函数的结果;当噪声较大时,复包络方法充分利用测量数据的有用信息,比常规幅度反演具有更高的稳定性和可靠性.最后,通过野外实测数据和反演结果,验证了本文提出的SNMOR模型和复包络反演方法的有效性和准确性,为地下水探测领域提供了新的技术手段.

基于局部相关加权的时域地震波束形成方法

定向地震波束能够加强主波束方向信号,但同时在主波束方向外产生畸变信号,导致多波束定向地震记录的信噪比降低。为此,依据地震波束定向记录中主波束方向内外的信号与原始信号之间的局部相关性差异提出了基于局部相关加权的时域地震波束形成方法。首先提取中心地震记录与延时后的地震记录或波束定向结果之间的局部最大相关系数谱,然后利用多种滤波方法和编码技术提高局部相关系数谱对有效信号的表征能力,最终实现对主波束信号的有效提取以及畸变信号的消除。理论模型数值实验结果表明,在波束定向前、后进行局部相关加权都能够准确提取主波束方向信号,消除畸变信号对有效信号的影响,改善地震记录和地震剖面的质量。

伪随机源时间域航空电磁响应系统辨识

在时间域航空电磁系统中,采用高频伪随机序列作为激励源是实现浅层高分辨地质探测的有效途径。为了提高大地脉冲响应的辨识精度,在基本相关辨识方法的基础上,本文提出了一种基于时间域循环相关计算的高精度辨识方法,通过消除旁瓣效应影响和在时间域下求解维纳-霍夫方程获取大地脉冲响应。数值模拟仿真结果表明,辨识大地响应相对误差均方根为2.2×10^(-7),早期大地响应辨识误差小于10^(-10)。该高精度辨识方法具有较好的噪声压制能力,在观测时间较短时,单周期辨识提升的信噪比为8.7 dB,优于同等条件下线性叠加降噪方法提升的信噪比6.1 dB。

基于随机衰减因子粒子群的最优潮流计算

针对传统粒子群算法自身存在的易早熟收敛和在问题复杂时无法寻找到最优解等缺陷,分析了其位置和速度状态转移公式中各项的含义及各项绝对值在搜索过程中的增减变化趋势和特点,并据此改进标准粒子群算法中的转移公式和初始化过程。与已有活跃目标点改进方法对比的同时,提出了基于随机衰减因子粒子群算法。分析将其应用于电力系统最优潮流计算中的方法,包括N−1粒子维度设定方式以及将适应度函数与惩罚函数结合的思想,用以控制优化过程中可能出现的越限情况,得到较为完整的计算流程和优化模型。使用IEEE-7节点、某实际37节点、IEEE-118节点的三个网络,验证了计算方法的有效性。

基于奇异值分解的角度域地震波束形成方法

基于接收阵列的时域地震波束形成方法在处理低信噪比地震记录时,因叠加记录数量过大,导致有效波束宽度不能覆盖全部接收排列,波束宽度外的信号产生畸变。而且,当地震记录中相干噪声和随机噪声很强时,该方法压制噪声不均匀,降噪效果不佳。为此,针对相干噪声和随机噪声强、目标信号弱的地震记录,提出了一种基于奇异值分解的角度域地震波束形成方法。该方法根据地震记录中噪声与信号之间的相干性差异,利用角度域地震波束形成方法增强整个反射信号的能量和相干性,利用奇异值分解方法压制相干噪声和随机噪声,从降噪和增强有效信号的双重处理上,较大程度地提高地震记录的信噪比。仿真实验和实测信号分析结果表明,该方法不仅能增强有效信号,还能进一步压制记录中相干噪声和随机噪声,明显提高了地震记录的信噪比。

基于Web兴城地学岩心库系统的设计与实现

针对目前地学岩心信息管理系统的共享程度和可扩充性低,以及不能方便直观地查看岩心采样信息的问题,提出了基于Web兴城地学岩心库系统,采用MVC框架和数据库技术,并与GoogleEarth结合,实现了对兴城岩心信息的快速查询和有效管理,提高了系统的共享程度和可扩充性,并可以在GoogleEarth中直观地查看岩心采样的信息,实现了资源的信息化,为兴城基地内的地质勘探、岩性等提供服务和支持。

电磁驱动可控震源激发信号估计方法研究

电磁驱动可控震源应用中,常规方法采用基板附近信号估计激发信号。研究发现,复杂地质条件下,该方法估计结果误差较大。因此,提出利用直达波与其他地震波到时不一致的特征,通过匹配滤波技术从震源基板附近信号中提取直达波来估计震源激发信号的新方法。数值模拟研究表明,方法估计的激发信号与理想激发信号相关系数为0.957 4,达到高度线性相关,说明方法适用于复杂地质条件下电磁驱动可控震源激发信号的高精度估计。

基于阈值多级中值滤波的可控震源数据检测

地震勘探领域,可控震源已广泛应用于各种陆地地震勘探项目中。互相关检测技术是可控震源地震数据处理的主要方法,针对常规可控震源地震数据互相关检测方法,当在采集过程中出现强、中脉冲噪声时,会在相当长的时窗内造成噪声水平提升的问题,采用阈值多级中值滤波可控震源数据检测方法,通过对实际可控震源地震资料的处理,结果证明利用阈值多级中值滤波可控震源数据检测方法,有效实现了可控震源地震数据的检测,与传统的检测方法相比数据的信噪比得到了明显提高,说明了此方法的有效性。

基于局部均值分解的地面核磁共振信号包络提取方法

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术由于其直接、定量、高效探测等优势在水文环境调查、预警灾害水源等领域中有着广泛应用.但在实际应用中,纳伏级别的SNMR信号往往淹没在复杂的环境噪声中难以分离,导致反演出的结果准确度降低.针对这一问题,本文提出了一种基于局部均值分解(local mean decomposition,LMD)的SNMR信号包络提取方法.首先,对含噪SNMR信号的实部包络与虚部包络从高频到低频依次进行分解;进而去除信号中的噪声干扰,提取所需的信号成分;最后合成有效的实部分量与虚部分量获得目标SNMR信号包络.结果表明:LMD算法提取SNMR信号包络获得初始振幅的拟合误差在±4.17%之内,平均横向弛豫时间拟合误差在±5.63%以内,信噪比提高了30.3~37.2dB.

基于卷积神经网络的地下水磁共振数据随机噪声压制方法

磁共振探测(magnetic resonance sounding,MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,具有定量、准确和高效等优点,广泛应用于水资源调查等领域.MRS信号的质量对于磁共振数据的解释具有重要作用.本文针对强环境干扰情况下MRS信号的随机噪声压制问题展开研究.基于卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)框架,采用监督学习的训练方式,得到含噪信号的时频谱与原始无噪声信号的时频谱间的非线性映射关系,进而实现磁共振信号噪声的压制.仿真结果表明,CNN方法对含噪MRS信号的信噪比提升可达15dB以上.并对比分析了CNN方法与时频峰值滤波(time-frequency peak filtering,TFPF)方法的噪声压制效果,证明了该方法的有效性和优越性.最后,使用该方法对野外实测数据的噪声压制,进一步证明了本方法的有效性和实用性.