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低场脉冲核磁共振(NucIear Magnetic Resonance-NMR)测量技术是一项新技术,可以广泛应用于工农业产品的无损检测,有着巨大的发展潜力。然而,在实际测量中,系统接收到的信号非常微弱(通常为μV甚至nV级),同时信号中不可避免地混入了噪声,导致信号的信噪比低,检测非常困难。所以,在不损失有用信号的前提下滤除噪声以提高信噪比是低场脉冲NMR的关键技术之一。
大多NMR信号降噪算法都将噪声假设为零均值、标准差σ的加性高斯白噪声,但实际低场脉冲NMR信号中的噪声往往并不符合这种简单化假设。本文研究了实际低场脉冲NMR信号中噪声的特性,并在此基础上探讨了基于小波变换的NMR信号降噪处理算法,主要工作如下:
1)研究了实际低场脉冲NMR系统中噪声的特性。结果表明,实际信号中的噪声不但包含高频成分,还含有很强的低频干扰,并且噪声与信号相关。其中的高频噪声成分虽然服从高斯分布,但不属于白噪声;而低频噪声的干扰强度甚至大于高频噪声。
2)在对实际低场脉冲NMR信号中噪声特性进行分析的基础上,探讨并对比了三种基于小波变换的经典降噪算法。模极大值重构降噪法对NMR信号中的高、低频噪声都能较好地抑制,但会造成信号峰值的较大损失;基于平稳小波变换的阈值降噪法相对简单且能很好地抑制高频噪声,但对低频噪声的滤除能力却很差;空域相关降噪法不但能同时较好地滤除高、低频噪声,而且信号峰值的损失较小,是噪声滤除与峰值保护之间的一种折中选择。
3)针对空域相关降噪法中小波系数位置偏移将影响降噪性能的缺点,提出了对小波系数先平移对齐边沿再进行相关处理的改进,主要思想为“分解-平移-相关处理-反平移-重构”。实验表明,将该方法应用于低场脉冲NMR信号的降嗓,能在有效保护信号峰值的同时很好地抑制噪声。
4)对空域阈值法也进行了改进。先通过平移校正信号边沿在各尺度上的平移,然后再做相邻尺度的乘积,同时给出了一种新的相关系数阈值计算方法。该改进算法同样能在有效保护NMR信号的前提下很好地抑制噪声,其降嗓性能与改进的空域相关法相当,但算法稍简洁。
5)提出对NMR信号中高、低频噪声分别进行处理的两步降噪法,针对高、低频噪声各自的特性,分别选取合适的降噪算法进行处理,并给出了自适应于NMR信号信噪比变化的阈值确定方法。实验结果表明,该算法取得了比较满意的降噪效果,但同时也增加了算法的复杂程度。