CN117056677A - 基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,涉及信号处理技术领域,包括如下步骤:步骤一,利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子α和模态数K进行全局寻优,得到最优参数[K,α];步骤二,利用寻优后得到的最优参数组合对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,实现对原始信号的去噪过程,本发明利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子α和模态数K进行全局寻优,得到最佳参数,避免了人为选择参数可能带来的模态混叠问题,提高了信号去噪的效果。

Description

基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域,具体涉及一种基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法。
背景技术
针对资源探测与开发、工程地质调查以及环境地质灾害预测等需求,地下结构探测的重要性不断凸显。电磁探测方法是地下结构勘探的重要地球物理手段之一,该方法以地下物质的电性差异为基础,利用人工场源或天然场源激励大地产生电磁场响应,并通过对海底、井下、地表或空中电磁场变化的测量以及对地下结构电性分布的成像解释,实现电性异常结构的探测,进而达到资源探查及地质灾害评估等目的。由于电磁探测方法对环境破坏小而且测量方便、高效,因此应用广泛,其主要应用场景包括但不限于矿产资源勘探和开采、地热资源探测和开发、地下水资源探查、地质结构调查和评估、地质灾害预测和防治等。
电磁噪声是影响瞬变电磁探测精度的重要因素之一,在城市强噪声环境下更是如此,城市环境中大量的电力线、复杂的交通、多样的电子设备会产生高强度电磁噪声,常见的噪声包含工频干扰、随机噪声、天电噪声等,其中,工频干扰和随机噪声在城市环境探测过程中最为常见。由于城市环境中的噪声源与探测设备的距离更近,噪声强度更大,而瞬变电磁信号衰减速度快,晚期信号可能完全淹没于噪声中,而晚期信号包含重要的地下深层信息。因此,一种有效的城市强噪声压制方法具有重要意义。
授权公告号为CN 110850482 B的发明专利提出了一种基于变分模态分解原理的瞬变电磁信噪分离方法,该方法中将含噪的瞬变电磁数据s(t)分解为K个本征模态函数;对每一个本征模态函数进行希尔伯特变换,得到单边频谱;根据单边频谱将各本征模态函数的频谱解调到相对应的基频带,计算解调后的L2范数,并计算分解出本征模态函数的带宽,得到约束变分模型;引入二次惩罚因子α和拉格朗日乘法算子λ,将约束变分模型转换为非约束性变分形式;计算非约束性变分形式的最优解,得到由VMD(变分模态分解)后的一系列优化的本征模态分量,最后重构信号。该方法能够自适应地对信号进行分解,不需要先验知识,实际操作更为简单方便,但是计算量大,需要设置的参数较多。
申请公开号为CN111766549A的发明专利提出一种非负矩阵分解的有监督瞬变电磁信号降噪方法,在训练阶段,将纯净信号进行短时傅里叶变换和非负矩阵分解处理,得到表征信号各自特征的原子字典,然后,在降噪阶段,利用原子字典和降噪模型处理含噪信号,得到初步估计的瞬变电磁信号,最后,重复以上步骤多次,将初步估计的瞬变电磁信号的晚期数据和含噪信号的原始早中期数据分别累加,求各自的算术平均值,再将两者拼接,估计出最终的完整的瞬变电磁信号。该发明能有效去除实际瞬变电磁信号中的噪声,提高瞬变电磁信号反演的准确度,但是因为需要对数据进行训练,步骤太多,工作量大,且因为计算数据过多对处理器本身的性能具有较高的要求。
在瞬变电磁信号处理前期,人们研究了各种噪声的特性,提出了多种降噪方法,如小波变换、卡尔曼滤波、奇异值分解和堆栈式降噪自编码器等,这些方法有着缺乏自适应性、降噪结果不理想、处理步骤复杂以及模型复杂等不足,不利于后续的反演工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,包括如下步骤:
步骤一,利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>进行全局寻优,得到最优参数/>
步骤二,利用寻优后得到的最优参数组合对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,实现对原始信号的去噪过程;
所述步骤一中,寻找最优参数的步骤包括:
初始化参数,设置变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>的初始取值范围,在取值范围内初始化麻雀的位置向量,每只麻雀的位置向量即对应随机选取的n组的参数组合;
根据位置向量对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,然后计算每个麻雀位置下的包络熵;
选择历次迭代中计算的包络熵中的最小值对应的参数组合作为最优参数组合;
根据所得到的分解参数组合对信号进行变分模态分解,将分解出IMF分量(IMF分量,即信号分解后各频率段的分量)相加得到重构信号,得到去噪后的信号。
更进一步而言,变分模态分解能将采集到的瞬变电磁信号分解为个模态分量,/>,...,/>
式中,为各分量的迭代格式,/>为采集到的信号,/>为第/>个模态分量,/>为拉格朗日乘子经傅里叶变换后的结果,/>为原始输入信号包括的各个频率,为第/>个模态分量的中心频率。
更进一步而言,计算每个模态分量的包络熵值,以包络熵极小值作为适应度函数;
每个模态分量的包络熵表示为:
式中,为总采样点数,/>为计算包络熵时对应的采样点数,/>是信号通过希尔伯特解调后所得的包络信号序列,/>为输入的原始信号,/>的归一化形式。
在验证本发明的实际效果时,采用的验证参数为信噪比(SNR,SIGNAL-NOISERATIO),他是信号中有效参数与原输入信号的比值,即:使用本发明降噪后的信号幅度与原始信号幅度的比值,当信噪比越大证明降噪效果越好。与目前主流降噪方法对比可以发现,本发明具有良好的降噪效果。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子和模态数 />进行全局寻优,得到最佳参数,避免了人为选择参数可能带来的模态混叠问题,提高了信号去噪的效果。
本发明将经典的维纳滤波器推广到多个自适应波段,使得其具有坚实的理论基础,并且容易理解。采用交替方向乘子法对变分模型进行有效优化,使得变分模型对采样噪声的鲁棒性更强。
本发明计算每个模态分量的包络熵值,以包络熵极小值作为适应度函数,将包络熵最小值对应的代入变分模态分解,将原始信号分解并重构,可以实现对原始信号的信噪分离。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的城市探测流程示意图;
图2为本发明的理想瞬变电磁信号示意图;
图3为本发明的加噪信号示意图;
图4为本发明加噪信号经过本方法处理前后的信号与经过其他滤波方法处理前后信号的对比示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案,下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
本发明的实施例一
请参阅图1至图4,基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,包括如下步骤:
步骤一,利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>进行全局寻优,得到最优参数/>
步骤二,利用寻优后得到的最优参数组合对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,实现对原始信号的去噪过程;
所述步骤一中,寻找最优参数的步骤包括:
初始化参数,设置变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>的初始取值范围,在取值范围内初始化麻雀的位置向量,每只麻雀的位置向量即对应随机选取的n组的参数组合;
根据位置向量对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,然后计算每个麻雀位置下的包络熵;
选择历次迭代中计算的包络熵中的最小值对应的参数组合作为最优参数组合;
根据所得到的分解参数组合对信号进行变分模态分解,将分解出IMF分量(IMF分量,即信号分解后各频率段的分量)相加得到重构信号,即得去噪后的信号。
其中,变分模态分解能将采集到的瞬变电磁信号分解为个模态分量/>,/>,...,/>
式中,为各分量的迭代格式,/>为采集到的信号,/>为第/>个模态分量,/>为拉格朗日乘子经傅里叶变换后的结果,/>为原始输入信号包括的各个频率,为第/>个模态分量的中心频率。
其中,计算每个模态分量的包络熵值,以包络熵极小值作为适应度函数;
每个模态分量的包络熵表示为:
式中,为总采样点数,/>为计算包络熵时对应的采样点数,/>是信号通过希尔伯特解调后所得的包络信号序列,/>为输入的原始信号,/>的归一化形式。
更进一步而言,将包络熵最小值对应的代入变分模态分解,将原始信号分解并重构,实现对原始信号的信噪分离。
本发明利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>进行全局寻优,得到最佳参数组合,避免了人为选择参数可能带来的模态混叠问题,提高了信号去噪的效果。
本发明将经典的维纳滤波器推广到多个自适应波段,使得其具有坚实的理论基础,并且容易理解。采用交替方向乘子法对变分模型进行有效优化,使得变分模型对采样噪声的鲁棒性更强。
本发明计算每个模态分量的包络熵值,以包络熵极小值作为适应度函数,将包络熵最小值对应的代入变分模态分解中,将原始信号分解并重构,采用的验证参数为信噪比(SNR,SIGNAL-NOISE RATIO),他是信号中有效参数与原输入信号的比值,即:使用本发明降噪后的信号幅度与原始信号幅度的比值,当信噪比越大证明降噪效果越好。与目前主流降噪方法对比可以发现,本发明具有良好的降噪效果,可以实现对原始信号的信噪分离。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,但这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一,利用麻雀优化算法对变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>进行全局寻优,得到最优参数/>
步骤二,利用寻优后得到的最优参数组合对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,实现对原始信号的去噪过程;
所述步骤一中,寻找最优参数的步骤包括:
初始化参数,设置变分模态分解中的惩罚因子和模态数/>的初始取值范围,在取值范围内初始化麻雀的位置向量,每只麻雀的位置向量即对应随机选取的n组/>的参数组合;
根据位置向量对采集到的瞬变电磁信号进行变分模态分解,然后计算每个麻雀位置下的包络熵;
选择历次迭代中计算的包络熵中的最小值对应的参数组合作为最优参数组合;
根据所得到的分解参数组合对信号进行变分模态分解,将分解出IMF分量相加得到重构信号,得到去噪后的信号。
2.根据权利要求1所述的基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,其特征在于:变分模态分解能将采集到的瞬变电磁信号分解为个模态分量/>,/>,...,
式中,为各分量的迭代格式,/>为采集到的信号,/>为第/>个模态分量,为拉格朗日乘子经傅里叶变换后的结果,/>为原始输入信号包括的各个频率,/>为第个模态分量的中心频率。
3.根据权利要求2所述的基于麻雀算法改进变分模态分解的瞬变电磁信号去噪方法,其特征在于:计算每个模态分量的包络熵值,以包络熵极小值作为适应度函数;
每个模态分量的包络熵表示为:
式中,为总采样点数,/>为计算包络熵时对应的采样点数,/>是信号/>通过希尔伯特解调后所得的包络信号序列,/>为输入的原始信号,/>是/>的归一化形式。
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