吉林大学学报(地球科学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (3): 701-712.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20210243

• 第十五届中国国际地球电磁学术研讨会专栏 • 上一篇    下一篇

基于变分模态分解和奇异谱分析的GPR信号去噪

戴前伟1, 2,丁浩1, 2,张华1, 2,张豪1, 2   

  1. 1.中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083

    2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,长沙410083

  • 出版日期:2022-05-26 发布日期:2024-01-02
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(41874148);国家重点研发计划项目(2018YFC0603903)


Noise Reduction Method of GPR Signal Based on VMD-SSA

Dai Qianwei 1, 2, Ding Hao1, 2, Zhang Hua1, 2, Zhang Hao1 ,2   

  1. 1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China

    2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Changsha 410083, China

  • Online:2022-05-26 Published:2024-01-02
  • Supported by:

    Supported by the National Natural Science Foundation of China (41874148) and the National Key R&D Program of China (2018YFC0603903)


摘要:

受设备及环境等因素的主要影响,采集的探地雷达(GPR)信号中存在不同程度的噪声干扰。传统变分模态分解(VMD)通过搜寻变分模型最优解分离出不同中心频率的分量实现噪声压制,但最优模态数的选择具有一定主观性,致使重构数据存在不同程度的信号振荡。为优化模态数的选择,并改善信号振荡问题,本文提出基于自适应VMD和奇异谱分析(SSA)的GPR信号去噪方法。首先,引入能量损失比,实施最优模态数的自适应选择,并利用皮尔逊相关系数法提取有效信号;其次,针对变分模态分解后的中低频振荡现象,引入SSA进行二次滤波,进一步提高信噪比。合成Ricker子波实验、合成雷达剖面模拟实验和实测资料验证了变分模态分解-奇异谱分析(VMD-SSA)方法的有效性。合成Ricker子波实验中,与集成经验模态分解(EEMD)和传统VMD方法相比,经VMD-SSA方法处理后的信噪比最大提升13.587 8 dB;合成雷达剖面模拟实验中,基于VMD-SSA方法处理后剖面的信噪比较EEMD和传统VMD方法分别提高3.765 9 dB和2.655 7 dB;实测资料处理中也较好地压制了背景噪声及随机噪声,使异常体的信号特征更加突出。

关键词: 探地雷达(GPR), 变分模态分解(VMD), 能量损失比, 奇异谱分析(SSA), 信号去噪

Abstract:  Due to the influence of equipment and environmental factors, the signals collected by ground-penetrating radar (GPR) are vulnerable to varying degrees of noise interference. Traditional variational mode decomposition (VMD) suppresses noise by searching for the optimal solution of variational modes to separate the components with different center frequencies. However, the selection of optimal mode number is challenging and subjective, resulting in the reconstructed signals being affected by different degrees of oscillation. To solve these problems, we proposed a combined denoising method based on the adaptive VMD and singular spectrum analysis (SSA). Firstly, the energy loss ratio is defined to facilitate the adaptive selection of the optimal mode number, and the Pearson correlation coefficient method is employed to extract the valid signal. Secondly, to solve the problem of the low-frequency oscillation phenomenon in VMD, SSA is further used to perform secondary filtering to improve the signal-to-noise ratio (RSN). The effectiveness of the proposed method is verified by the synthetic wavelet experiment, numerical simulation experiment, and field experiment. In the synthetic wavelet experiment, the SNR of VMD-SSA processing is improved maximum by 13.587 8 dB over the ensemble empirical mode decomposition (EEMD) and the traditional VMD methods; in the numerical simulation experiment, the SNR of the processed B-scan using the VMD-SSA method is improved by 3.765 9 dB and 2.655 7 dB respectively compared with the EEMD and traditional VMD methods; in addition, the background noise and the random noise are also properly suppressed in the field data processing. The proposed method not only solves the oscillation problem but also highlights the features of the abnormal signals more effectively.

Key words: ground-penetrating radar (GPR), variational mode decomposition (VMD), energy loss ratio, singular spectrum analysis (SSA), signal denoising

中图分类号: 

  • P631
[1] 韩复兴, 宋炳宣, 陈雨贝, 吴林骏, 黄梦婷, 潘延杰.  基于XGBoost的多重加权谱比降噪方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(6): 1983-1990.
[2] 张盼, 韩立国, 巩向博, 张凤蛟, 许卓. 金属矿地震勘探方法技术研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(6): 1969-1982.
[3] 马国庆, 王君楠, 孟庆发, 孟兆海, 秦朋波, 王泰涵, 李丽丽. 航空重(磁)多参量梯度探测与反演技术研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(6): 1928-1949.
[4] 韩江涛, 牛璞, 刘立家, 吴懿豪, 辛中华, 李卓阳, 贾晓东. 地热资源与地震活动共生深部驱动机制研究现状与展望[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(6): 1950-1968.
[5] 杨帆, 王长鹏, 张春霞, 张讲社, 熊登.

基于联合加速近端梯度和对数加权核范数最小化的地震数据重建 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(5): 1582-1592.

[6] 张鑫崇, 殷长春.

基于Debye模型的时间域航空电磁激电效应正演模拟 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(5): 1573-1581.

[7] 万晓杰, 巩向博, 成桥, 于明浩.

基于DeCNN的逆时偏移低频噪声压制方法 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(5): 1593-1601.

[8] 王婷婷, 孙振轩, 戴金龙, 姜基露, 赵万春.

松辽盆地中央坳陷区储层岩性智能识别方法 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(5): 1611-1622.

[9] 杨夫杰, 杨海燕, 姜志海, 岳建华, 刘志新, 苏本玉, 张华, 李哲, 汪凌. 圆锥型场源瞬变电磁自适应正则化反演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(4): 1328-.
[10] 贺婷, 周宁, 吴啸宇. 基于深度全连接神经网络的储层有效砂体厚度预测[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(4): 1262-1274.
[11] 罗明, 何叶, 周江江, 贾培蒙, 吕华星. 砾砂岩不均匀展布引起的构造畸变[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(4): 1360-.
[12] 张强, 李家金, 王毛毛, 唐湘飞. 基于改进主成分分析法的测井曲线岩性分层技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(4): 1369-.
[13] 闫海洋, 周辉, 刘海波, 徐朝红, 孙赞东, 刘昭, 罗敏学. 基于EZW算法的叠前地震数据分频压缩技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(4): 1238-1238.
[14] 左鹏飞, 刘财, 郭智奇, 冯晅. 基于近场动力学理论的裂纹模型波场数值模拟及频散特性分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(4): 1250-1261.
[15] 崔焕玉, 沈金松, 冉尚, 周杰民. 基于有限体积法的煤矿巷道瞬变电磁响应二维反演与富水区探测应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(4): 1314-.
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[1] 叶青, 王晓, 杜学彬, 解滔, 范晔, 周振贵, 刘高川.

中国地震井下地电阻率研究进展 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(3): 669 -683 .