一種基于dwt_sta/lta的含噪信號(hào)p波初至峰度拾取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種礦山微震信號(hào)P波初至?xí)r刻聯(lián)合 拾取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] P波初至拾取是礦山微震識(shí)別、震源定位及震源機(jī)制解釋中最為基礎(chǔ)和重要的一 步。目前主要采用人工拾取P波到時(shí)，但其易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、情緒等因素影響，且拾取數(shù)據(jù)量 大時(shí)非常耗時(shí)。鑒于上述原因，國(guó)內(nèi)外提出了一系列P波初至自動(dòng)拾取方法，但到目前為止 還沒(méi)有任何一種算法能夠在不同的震源環(huán)境、震中距范圍、噪聲背景下進(jìn)行微震初至的一 致性檢測(cè)，更不用說(shuō)對(duì)后續(xù)震相初至的有效檢測(cè)和拾取。
[0003] 常見(jiàn)的P波拾取方法包括長(zhǎng)短時(shí)窗平均值比法、分形維數(shù)法、自回歸模型、人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、高階統(tǒng)計(jì)量法等。長(zhǎng)短時(shí)窗平均值比法利用短時(shí)窗平均值與長(zhǎng)時(shí)窗平均值之比 來(lái)反映信號(hào)幅值的變化，并取比值大于某一設(shè)定閾值時(shí)為P波到時(shí)。長(zhǎng)短時(shí)窗平均值比法 具有算法簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、平均值特征函數(shù)多樣等特點(diǎn)，但其拾取低信噪比信號(hào)困難，且 閥值較大時(shí)，則可能拾取不到P波初至或增大拾取誤差；閥值較小時(shí)，則可能過(guò)早的被噪音 觸發(fā)。分形維數(shù)法認(rèn)為噪音與信號(hào)疊加時(shí)分形維數(shù)發(fā)生變化，并以此作為P波拾取的依據(jù)。 該算法抗噪性能好，拾取精度較高，但其對(duì)插值的準(zhǔn)確性、時(shí)窗和步長(zhǎng)的依賴性很高，稍有 不慎就會(huì)嚴(yán)重影響拾取結(jié)果，且其計(jì)算速度較慢。自回歸模型將微震信號(hào)分為兩個(gè)局部統(tǒng) 計(jì)時(shí)段，并取自相關(guān)最小值點(diǎn)作為P波到時(shí)。該算法拾取精度較高，但其對(duì)低信噪比和尾部 震蕩信號(hào)拾取不穩(wěn)定，且其采用最小值點(diǎn)作為P波到時(shí)，因此對(duì)純?cè)胍粜盘?hào)仍會(huì)拾取到時(shí) (HaijiangZhang等，2003)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法采用峰值振幅、時(shí)窗內(nèi)均方根振幅比、峰值與 其前后峰值的包絡(luò)斜率及噪聲與信號(hào)的比值等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入因素，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是 一種較為綜合的P波初至拾取方法，對(duì)微震波形適應(yīng)性強(qiáng)，但其參數(shù)計(jì)算工作量大，學(xué)習(xí)速 度慢，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。高階統(tǒng)計(jì)量法（PAI-S/K法）由Saragiotis等（2002,2004)提出，取峰度 (或偏度）最大值點(diǎn)作為P波初至?xí)r刻，該算法借助于信號(hào)只包含噪音時(shí)，峰度值和偏度值 趨于0,而當(dāng)P波到達(dá)時(shí)峰度和偏度值開(kāi)始增加，并當(dāng)滑動(dòng)窗口內(nèi)包含部分微震信號(hào)時(shí)達(dá)到 最大值。該算法拾取精度高，但未考慮尖刺和尾部震蕩信號(hào)對(duì)拾取的影響，由此可能產(chǎn)生較 大的拾取誤差，且其采用最大值拾取P波到時(shí)，對(duì)純?cè)胍粜盘?hào)仍會(huì)拾取到時(shí)。
[0004] 可見(jiàn)現(xiàn)有的礦山微震信號(hào)P波初至拾取方法存在很大的局限，需要研究一種拾取 精度高、穩(wěn)定性好的自動(dòng)拾取方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種改進(jìn)的含噪信號(hào)P波初至峰度拾取方法， 解決峰度法（PAI-K法）拾取低信噪比、刺突、尾部震蕩及純?cè)胍粜盘?hào)不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題，該 礦山微震信號(hào)P波初至拾取方法適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高。
[0006] 針對(duì)礦山微震信號(hào)P波初至PAI-K法拾取精度較高，但對(duì)低信噪比、刺突、尾部震 蕩及純?cè)胍粜盘?hào)拾取不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了W-S/L-K拾取法，該方法借助于小 波分解高頻細(xì)節(jié)信號(hào)能夠較好的保留P波初至信息以及STA/LTA法能很好地克服刺突和尾 部震蕩的影響并確定P波大致到時(shí)，進(jìn)而采用權(quán)重分析排除上述干擾，極大地降低了錯(cuò)誤 拾取率，增強(qiáng)了P波拾取的準(zhǔn)確性。
[0007] -種基于DWT_STA/LTA的含噪信號(hào)P波初至峰度拾取方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0008] 步驟1 :提取微震信號(hào)X(n)
[0009] 從礦山微震信號(hào)中提取待拾取信號(hào)X(n)，n= 1，2,…，N，其中，N為所述微震信號(hào) 的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，取N= 400~600,微震信號(hào)采樣頻率600Hz;
[0010] 步驟2 :對(duì)微震信號(hào)采用離散小波變換DWT得到細(xì)節(jié)信號(hào)D1,i= 1，2, 3, 4 ;
[0011] 步驟3 :依據(jù)STA/LTA算法按照以下公式確定細(xì)節(jié)信號(hào)P波大致到時(shí)k1;
[0013] 其中，STA(k，D1)和LTA(k，D1)分別為短、長(zhǎng)時(shí)窗的振幅平均值；x(n，D1)為細(xì)節(jié)信 號(hào)D1的第n個(gè)采樣信號(hào)；k為采樣的第k個(gè)點(diǎn)，k=WWA，Wm+1，…，N;WSTJPWm分別為短、 長(zhǎng)時(shí)窗的長(zhǎng)度，分別取10和60個(gè)米樣點(diǎn)；
[0014] 若細(xì)節(jié)信號(hào)DJt應(yīng)的短時(shí)窗和長(zhǎng)時(shí)窗的振幅平均值的比值A(chǔ)(k，D1)的最大值大 于設(shè)定閥值a，則取首個(gè)觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)序號(hào)為該細(xì)節(jié)信號(hào)P波大致到時(shí)ki，否 貝1J，記該細(xì)節(jié)信號(hào)P波大致到時(shí)k 0。其中，i= 1，2, 3, 4 ;
[0015] 步驟4 :計(jì)算細(xì)節(jié)信號(hào)的P波大致到時(shí)Ic1= 0的個(gè)數(shù)L，i= 1，2, 3, 4 ;
[0016] 步驟5 :利用權(quán)重分析計(jì)算P波初至準(zhǔn)確到時(shí)；
[0017] 若步驟4中L>2,則認(rèn)為該信號(hào)為純?cè)胍粜盘?hào)，反之則采用以下權(quán)重公式計(jì)算P波 準(zhǔn)確到時(shí)k' ：
[0019] 其中，1/8、3/8、3/8和1/8分別為04、03、0 2和01的權(quán)重系數(shù)洫1和1^1'分別為1?1的 最大振幅和局部峰度拾取到時(shí)，R1SD1在區(qū)間[ki-b^i+b]的信號(hào)，b為確定局部峰度拾取 區(qū)間的常量，取b= 10~15 ;
[0020]
計(jì)算X(n,Di)的滑動(dòng)峰度值K(k，Di)，k為采樣的第k個(gè)點(diǎn)， 動(dòng)時(shí)窗的長(zhǎng)度，取M= 20~30,并取K(I^D1)最大值點(diǎn)作為局部峰度拾取到時(shí)k/ ;
[0021] 步驟6 :依據(jù)步驟5輸出拾取結(jié)果，該信號(hào)為純?cè)胍粜盘?hào)或者P波初至準(zhǔn)確到時(shí)為 k'。
[0022]所述設(shè)定閾值a= 2~3。
[0023] 利用MalIat算法快速實(shí)現(xiàn)離散小波變換。
[0024] 并采用低通濾波器h和高通濾波器g獲得原始信號(hào)c。（等同于本發(fā)明中的X(n)) 的小波系數(shù){山，d2，…，七}，從而將微震信號(hào)X(n)分解得到細(xì)節(jié)信號(hào)D1 (取i= 1，2, 3, 4)。
[0027] 式中：c]+lik為第k個(gè)采樣點(diǎn)的近似信號(hào)值c]+1，d]+1，k為第k個(gè)采樣點(diǎn)的細(xì)節(jié)信號(hào) 值dj+1，k為采樣的第k個(gè)點(diǎn)，1為濾波器確定指標(biāo)，j為尺度參數(shù)（j= 0, 1，…，J-l)，J為 最大分解層數(shù)。為簡(jiǎn)化說(shuō)明，記Cj+1= {(^+1』}和1+1= {d_j+lik}。
[0028] 設(shè)定Ici= 0時(shí)，A;= 0,k/ = 0,i= 1，2, 3, 4,簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高計(jì)算速度。
[0029] 有益效果
[0030] 本發(fā)明提供了一種基于DWT_STA/LTA的含噪信號(hào)P波初至峰度拾取方法，包括如 下步驟：提取礦山微震信號(hào)；離散小波變換（DWT)得到微震細(xì)節(jié)信號(hào)；計(jì)算各細(xì)節(jié)信號(hào)的 STA/LTA值；判定STA/LTA最大值是否大于閥值a，若是則取首個(gè)觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)序號(hào) 為該細(xì)節(jié)信號(hào)的大致到時(shí)，否則記該細(xì)節(jié)信號(hào)到時(shí)為0 ;再對(duì)到時(shí)非0的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行局部 峰態(tài)拾?。蛔詈蟛捎脵?quán)重分析確定P波最終到時(shí)。本發(fā)明拾取純?cè)胍粜盘?hào)時(shí)，細(xì)節(jié)信號(hào)STA/ LTA觸發(fā)數(shù)通常小于2,設(shè)定STA/LTA觸發(fā)數(shù)大于等于2即可排除噪音信號(hào)；拾取低信噪比 信號(hào)時(shí)，STA/LTA對(duì)含噪音較大的細(xì)節(jié)信號(hào)無(wú)拾取，且細(xì)節(jié)信號(hào)無(wú)拾取的數(shù)目通常不大于 2,因此可用其余細(xì)節(jié)信號(hào)拾取初至，從而排除低信噪比的影響；通常刺突信號(hào)對(duì)STA/LTA 值影響較小，設(shè)定合適的STA/LTA觸發(fā)值即可排除刺突的影響；STA/LTA通常在P波初至?xí)r 已觸發(fā)，不會(huì)受尾部震蕩的影響。由此，通過(guò)一種基于DWT_STA/LTA的含噪信號(hào)P波初至峰 度拾取方法有效排除了低信噪比、刺突、尾部震蕩及純?cè)胍粜盘?hào)的干擾，極大地降低了錯(cuò)誤 拾取率，增強(qiáng)了P波拾取的準(zhǔn)確性。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明所述方法流程圖；
[0032] 圖2是典型波形W-S/L-K法實(shí)現(xiàn)過(guò)程圖，其中，（a)為礦山微震原始信號(hào)x(n)(n =1，2,…，400)，虛線為人工拾取P波初至點(diǎn)；(b)為原始信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰度值K(k)(k= 21，22,…，400)，括號(hào)中數(shù)值分別為PAI-K法拾取P波初至點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的峰度值；（c)為小 波分解所得細(xì)節(jié)信號(hào)D1Q= 1，2, 3, 4) ;(d)為細(xì)節(jié)信號(hào)D1Q= 1，2, 3, 4)的STA(I^D1)/ LTA(I^D1)值A(chǔ)(I^D1) ;(e)為細(xì)節(jié)信號(hào)局部峰態(tài)拾取k/(i= 1，2,3,4);
[0033] 圖3是PAI-K和W-S/L-K法工程拾取效果對(duì)比圖，其中，（a)為PAI-K拾取誤差圖； (b)為W-S-L-K拾取誤差圖；
[0034] 圖4是PAI-K和W-S/L-K法拾取典型案例圖，其中，虛線、點(diǎn)線和實(shí)線分別對(duì)應(yīng)人 工、PAI-K法和W-S/L-K法拾取到時(shí)，（a)為含刺突純?cè)胍粜盘?hào)，（b)為低信噪比信號(hào)，（c) 為起震明顯信號(hào)，（d)為低信噪比且含刺突信號(hào)，（e)為極低信噪比、含刺突且尾部存在震 蕩信號(hào)，（f)為起震不明顯且尾部存在震蕩的低信噪比信號(hào)。
【具體實(shí)施方式