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物探与化探  2025, Vol. 49 Issue (1): 100-117    DOI: 10.11720/wtyht.2025.2309
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基于VMD-LSTM对大地电磁信号进行噪声检测和预测重构
李博1(), 李长伟1,2(), 罗润林1,2, 吕玉增1,2, 王占1
1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541000
2.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541000
VMD-LSTM-based noise detection and predictive reconstruction for magnetotelluric signals
LI Bo1(), LI Chang-Wei1,2(), LUO Run-Lin1,2, LU Yu-Zeng1,2, WANG Zhan1
1. College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541000, China
2. Guangxi Key Laboratory of Exploration for Hidden Metallic Ore Deposits, Guilin 541000, China
全文: PDF(11043 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

在大地电磁法中,强干扰噪声限制了该方法还原真实地下结构的精度,会对后期资料解释造成不良影响。本文基于大地电磁时间序列的特点,对不同类型噪声的特征进行分析,提出了一种基于VMD(变分模态分解)与LSTM(长短时记循环神经网络)预测重构的信号去噪技术。首先通过VMD信号分解算法对原始大地电磁数据进行去基线漂移处理,对处理好的时间序列继续通过VMD分解为多个不同的模态IMFs,选用含噪声轮廓信息的RSE分量中无干扰数据训练LSTM时间序列检测模型,对RSE分量进行识别并标记含噪时间段,计算噪声的步长,将噪声信息传递给原始信号并截断删除。最后通过对IMFs训练LSTM多维预测模型,对空缺的位置预测不同模态下的信号,将所有模态输出结果叠加可得大地电磁预测信号,重构信号后针对VMD方法识别度不高的尖脉冲噪声进行二次信噪分离即完成去噪。通过该技术可精确识别大地电磁信号中的强干扰噪声,只针对噪声发生时间段进行处理,有效保护了信号中无干扰数据,且预测数据误差可控制在大地电磁信号数据处理的误差允许范围内,去噪效果显著。

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李博
李长伟
罗润林
吕玉增
王占
关键词 大地电磁变分模态分解VMD长短时循环神经网络LSTM深度学习信号去噪    
Abstract

In thereconstruction of actual subsurface structures, strong noise limits the accuracy of the magnetotelluric (MT) method,causing adverse effects on later data interpretation. Given this and the characteristics of the MT time series,this study analyzed different types of noise in the MT time series,proposing a signal denoising technique based on variational mode decomposition (VMD) and long short-term memory (LSTM) predictive reconstruction. First, baseline drift correctionwas performed for the original MT datausing the VMD signal decomposition algorithm. Then, the time series was further decomposed into multiple different intrinsic mode functions (IMFs) through VMD. The LSTM time series detection model was trained using interference-free data in the RSE component, which was then identified. Afterward, the time intervals containing noise weremarked, the increasement of noise was calculated, and the noise information wastransmitted to the original signal for truncation and removal. Finally, an LSTM multi-dimensional prediction model was trained for the IMFs, followed by the prediction of missing values under various modes. The predicted results under all modes were combined to obtain the final predicted MT signals. After signal reconstruction, a secondary signal-noise separationwas performed for spike-pulse noise that was not effectively identified through VMD. TheVMD-LSTM-based signal denoisingtechnique can accurately identify strong noise in MT signals by merely processing the time series intervals containing noise, thuseffectively preserving interference-free data. Moreover, its prediction errors can berestricted within the allowable error range of the data processing for MT signals. Therefore, this technique enjoys significant denoising effects.

Key wordsmagnetotellurics (MT)    variational mode decomposition (VMD)    long short-term memory (LSTM) recurrent neural network    deep learning    signal denoising
收稿日期: 2023-07-25      修回日期: 2023-10-08      出版日期: 2025-02-20
ZTFLH:  P631  
基金资助:广西自然科学基金项目(2020GXNSFAA297079);国家自然科学基金项目(42274182)
通讯作者: 李长伟(1972-),女,桂林理工大学,博士,教授,研究方向为电磁地球物理方法。Email:lcw@glut.edu.cn
作者简介: 李博(1997-),男,桂林理工大学研究生,主要从事大地电磁信号处理工作。Email:1049895983@qq.com
引用本文:   
李博, 李长伟, 罗润林, 吕玉增, 王占. 基于VMD-LSTM对大地电磁信号进行噪声检测和预测重构[J]. 物探与化探, 2025, 49(1): 100-117.
LI Bo, LI Chang-Wei, LUO Run-Lin, LU Yu-Zeng, WANG Zhan. VMD-LSTM-based noise detection and predictive reconstruction for magnetotelluric signals. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(1): 100-117.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2025.2309      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2025/V49/I1/100
Fig.1  基于VMD-LSTM预测重构模型流程
Fig.2  Bi-LSTM网络结构
Fig.3  LSTM网络结构
Fig.4  原始MT信号时间序列(a)和原始MT信号频谱(b)
Fig.5  加噪后实测信号的时间序列(a)和加噪后实测信号频谱(b)
Fig.6  K=2时对测试信号VMD分解时间序列和频谱
a—IMF1时间序列; b—IMF1频谱;c—IMF2时间序列; d—IMF2频谱
Fig.7  K=3时对测试信号VMD分解时域和频谱
a—IMF1时间序列; b—IMF1频谱;c—IMF2时间序列; d—IMF2频谱;e—IMF3时间序列; f—IMF3频谱
Fig.8  K=4时对测试信号VMD分解时间序列图和频谱
a—IMF1时间序列; b—IMF1频谱;c—IMF2时间序列; d—IMF2频谱;e—IMF3时间序列; f—IMF3频谱;g—IMF4时间序列;h—IMF4频谱
Fig.9  K=5时对测试信号VMD分解时间序列和频谱
a—IMF1时间序列; b—IMF1频谱;c—IMF2时间序列; d—IMF2频谱;e—IMF3时间序列; f—IMF3频谱;g—IMF4时间序列; h—IMF4频谱;i—IMF5时间序列; j—IMF5频谱
Fig.10-1   K=2时,不同α值下两个分量的时间序列图和频谱
Fig.10-2  K=2时,不同α值下两个分量的时间序列和频谱
a、e、i、m、q—IMF1时间序列;b、f、j、n、r—IMF1频谱;c、g、k、o、s—IMF2时间序列;d、h、l、p、t—IMF2频谱
Fig.11  含噪原始信号与RES分量时序谱(a)和含噪原始信号与RES分量频谱(b)
数据集 K α 模型训练个数 数据集大小
A 2 2000 2 300×2400×2
B 3 2000 3 300×2400×3
C 4 2000 4 300×2400×4
D 5 2000 5 300×2400×5
E 6 2000 6 300×2400×6
F 7 2000 7 300×2400×7
Table 1  实验参数
K 2 3 4 5 6 7
RMSE 319.684 288.3506 278.5965 242.9843 286.9627 293.2542
MAE 255.3978 177.6701 216.9816 175.6035 219.5106 235.4275
MAPE 12.0185% 11.82071% 11.4593% 11.2015% 11.3134% 11.5241%
TIME 3.1h 4.4h 6.5h 9.8h 13.2h 17.6h
Table 2  不同K值下模型预测误差
Fig.12  LSTM预测信号(a)VMD-LSTM预测信号(b)与原始信号对比
隐含单元数 求解器 梯度阈值 特征维数 初始学习率 学习因子
128×3 Adam 1 50 0.1 0.3
处理器: AMD RADEON7 5000 SERIES
显卡: NVIDIA GeForce RTX 3060
平台: Matlab2021a
Table 3  LSTM模型实验参数与训练环境
Fig.13  含噪MT信号中添加基线漂移分量
Fig.14  控制α值,K值20 000时VMD分解分解效果
Fig.15  控制K值取20 000,α取值逐渐增大时VMD分解效果
Fig.16  基线漂移处理结果
Fig.17  原始测试信号添加10个尖脉冲噪声
Fig.18  不同阈值设置下的检测结果
a—取预测最大值的90%;b—取预测最大值
Fig.19  实测含噪MT信号去噪流程
Fig.20  实测信号去噪前后视电阻率对比
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