基于FastICA和小波阈值的联合算法对瞬变电磁信号的降噪

摘要

对于煤矿采空区的探测,运用地球物理勘探的瞬变电磁法是行之有效的手段之一。它通过接地电极或不接地回线发射电流,在地下建立一次磁场,在关断电流的间歇,接收二次场的感应电动势的变化情况,来判断地下信息。它具有工作方便、经济快捷等优点,但同时它在工作时较易受到外在的干扰,如高压电线、无线电波以及仪器本身,使接收到的信号中含有噪声,这些噪声会导致信号失真、反映地下情况的深度变浅。
　　 本论文就是根据瞬变电磁勘探原理及信号的衰减特征的基础上,首先探讨了影响瞬变电磁信号的噪声的来源、噪声的特点;总结了目前的学者对于瞬变电磁信号降噪提出的一些方法,如三点指数逼近非线性平滑去噪、信号的叠加、小波分析去噪等,但到目前为止没有一种精确地去噪方法。然后提出了用FastICA和小波阈值的联合算法对瞬变电磁信号降噪的方法研究;并简述了有关ICA和小波分析的理论,介绍了FastICA和小波阈值,其中FastICA是ICA中最为快速、有效的算法,而小波阈值也是小波分析的算法之一,它是通过小波的分解后的各层系数的模与某阈值系数比较,处理完后重构出新的信号。最后,用仿真实验和野外试验的方式,来证实先FastICA后小波阈值联合算法降噪的可行性,并对比了不同的信噪比对降噪效果的影响。
　　 本文的重点就在是否能将普遍用于信噪分离的ICA和小波分析算法联合用于瞬变电磁信号降噪的观点论证上,作者通过Matlab软件进行仿真的实验,利用Matlab中的FastICA工具箱和调用小波阈值函数,严格按照FastICA的计算步骤,选用合适的小波阈值参数来进行计算,得到的图形与分别单独用FastICA、小波阈值、三点自相关的降噪方法对比,并进行相关性评价,证实联合计算的降噪效果要优于其它方法:1.虽然经过FastICA计算之后,数据的幅值发生改变,但联合算法后的曲线波形更接近理想源曲线;2.用小波阈值计算后,曲线的光滑性越好,便于图形的识别和进一步的判断。将此联合算法可以尝试在野外的实际工作中应用;3.在野外的实验工作中,完全按照现行的瞬变电磁工作方式和资料处理,只是在降噪中加入了联合算法,由此形成的V/I多测道曲线与实际地下采空区位置完全吻合,进一步证明了联合算法用于降噪的可行性。通过仿真实验和野外试验的开展,验证了该联合算法对于煤矿采空区的探测,可以提高信号的利用率和信噪比,并对提高探测的准确率具有指导意义。为瞬变电磁法在金属矿床、地下水等领域探测的资料处理中提供了借鉴。