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: 

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[1] 涂君汕, 陈辉, 邓居智, 陈康, 李焱, 余辉. 水库堤坝对高密度电法的影响及校正技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1013-1025.
[2] 李海港, 王涛, 杨艳伟, 董学征, 廖利勇, 付晓东, 刘硕磊, 倪雨苗.  基于深度学习的地下管线探地雷达数据反演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1026-1037.
[3] 崔扬, 刘洋, 李鹏, 刘璐, 陈佳伟.  海洋可控源电磁偶极子振荡噪声局部时频域阈值压制方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1038-1050.
[4] 张恩威, 孟庆涛, 唐佰强, 胡菲, 党微.  基于机器学习的TOC测井预测方法:以松辽盆地南部青山口组一段为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1062-1075.
[5] 丁梦颜, 冯晅, 刘财. 裂缝对岩石非线性弹性特征的影响[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1051-1061.
[6] 张阳阳, 杜威. 基于超收敛单元片梯度恢复的自适应有限元法音频大地电磁正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 673-683.
[7] 李祥, 姚忠劭, 陈进, 王珑浩.

 基于不同物探方法的高寒高海拔地区隧道地质信号特征 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 703-712.

[8] 范佳奇, 吴秋莹, 王典, 李鹏.

 Radon变换的贪婪-快速迭代收缩阈值算法实现及多次波压制应用 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 684-693.

[9] 赵天硕, 宋超, , 刘财, , , , 徐雨歆.

物理信息神经网络地震走时层析成像程函方程因式分解方法 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 694-702.

[10] 辛中华, 周建波, 李功宇, 陈卓, 王红燕, 孙宁辰. 吉黑高压带岩石圈结构——大地电磁测深与深地震反射数据联合约束[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 199-208.
[11] 谭晓淼, 周建波, 饶莹, 王海燕, 侯贺晟, 李明芮, 高锐. 中亚造山带中南部索伦缝合带岩石圈结构及其对古亚洲洋演化的制约[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 209-218.
[12] 毛子雄, 侯贺晟, 周建波, 符伟. 佳木斯地块—那丹哈达地体近地表速度结构[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 219-228.
[13] 岳良广, 林君, 赵静, 王智翔. 超导地球物理矢量磁测技术研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 352-365.
[14] 韩复兴, 王源, 高正辉, 常志邈, 马飞, 秦昊, 尚浩. 基于NEWUOA的CRS叠加成像技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 386-396.
[15] 刘长胜, 高菲. 基于地空频率域电磁法的深部地层极化效应探测方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 366-376.
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[1] 张世广, 柳成志, 卢双舫, 张雁, 吴高平, 刘秋宏. 高分辨率层序地层学在河、湖、三角洲复合沉积体系的应用--以朝阳沟油田扶余油层开发区块为例[J]. J4, 2009, 39(3): 361 -368 .
[2] 李碧乐,沈鑫,陈广俊,杨延乾,李永胜. 青海东昆仑阿斯哈金矿Ⅰ号脉成矿流体地球化学特征和矿床成因[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(6): 1676 -1687 .
[3] 杨晓平,李仰春,柳 震, 汪 岩,王洪杰. 黑龙江东部鸡西盆地构造层序划分与盆地动力学演化[J]. J4, 2005, 35(05): 616 -621 .
[4] 李发文, 冯平, 张超. 天津北三河地区垂向耦合产流模型及应用[J]. J4, 2011, 41(2): 459 -464 .
[5] 王立军,刘国才,黄继国,李跃迁,丛颖,沈照理,赵晓波. 接触氧化技术在公园景观水体功能恢复中的运用试验研究[J]. J4, 2006, 36(03): 458 -461 .
[6] 雷如雄,吴昌志,屈迅,顾连兴,陈刚,吾尔娜,孙洪涛,刘国宁. 中天山天湖东铁钼矿含矿片麻状花岗岩年代学、地球化学和锆石Hf同位素-对于中天山早古生代构造演化的启示[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(5): 1540 -1552 .
[7] 初凤友,胡大千,姚杰. 中太平洋YJB海山富钴结核矿物组成与元素地球化学[J]. J4, 2007, 37(1): 8 -0014 .
[8] 周燕,郑培玺,王铁夫,张延洁. 招平断裂带上盘金矿床氢氧同位素地质特征[J]. J4, 2007, 37(4): 668 -0671 .
[9] 唐华风,王璞珺,姜传金,刘杰,张庆晨,冯有良. 松辽盆地火山岩相地震特征及其与控陷断裂的关系[J]. J4, 2007, 37(1): 73 -0078 .
[10] 范晓敏,李舟波. 裂缝性碳酸盐岩储层声波时差曲线的波动和增幅分析[J]. J4, 2007, 37(1): 168 -0173 .