一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法制造技术

本发明专利技术公开了一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，包括以下步骤，读取设定时窗内采样点数据；计算采样点的特征函数、长短时平均值；进行微震信号及其P波初至自动拾取判断；参数值缓存清零；读取下一段时窗内数据。本发明专利技术针对工程尺度下微震信号特点，改进地震领域的识别算法，本发明专利技术能够准确的自动拾取工程尺度下的微震信号特别是性噪比较低的弱信号，同时提高了自动拾取P波初至的准确率，进而提高岩爆、矿震、塌方等地质灾害预警的及时性与准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法
本专利技术涉及微震监测
具体涉及一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，该方法可广泛用于矿业工程、水利水电工程、石油工程、岩土工程以及地下工程。
技术介绍
微震源定位是微震监测与灾害预警的重要组成部分，而微震信号的识别及P波初至拾取是微震源定位的关键。现有的微震信号识别方法大部分来源于地震领域，方法很多，主要有：根据在时间域能量和能量变化构建特征函数时间域的STA/LTA算法；根据地震信号到达前后地震波形数据统计性质的差别，如AIC算法；此外还有神经网络法、高阶统计法、以及基于小波理论的小波变换法等。STA/LTA及其改进算法，由于算法简单、计算效率高、适于实时处理，在地震领域被广泛应用。这些方法用于地震信号的处理具有较好的适用性，但工程尺度下产生的岩石破裂信号与天然地震信号不同：1)地震信号频率一般为几十赫兹以下，而微震信号的频率一般为几十到几百赫兹，有的高达几千赫兹；2)地震信号持续时间较长，一般大于1秒，微震信号持续时间较短，一般不超过0.1秒；3)微震与天然地震相比，一般震级小，较小的微震事件不易被拾取；4)工程环境下由于机械施工、电气干扰、车辆行驶等因素造成背景噪音复杂，使得监测到的大多数微震信号信噪比较低。因此，将地震领域的信号识别及P波到时拾取方法用于工程尺度微震信号是不合适的，主要表现为：1)难以识别低信噪比的微弱信号；2)P波初至自动拾取误差较大。为此，针对上述不足，专利技术一种可以有效识别工程尺度下微震信号及其p波初至的自动识别的方法，提高工程尺度下微震信号及其P波初至的拾取准确率，进而提高岩爆、矿震、塌方等地质灾害预警的及时性与准确性，是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的问题，提供了一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，提高工程尺度下微震信号及其P波初至的拾取准确率，进而提高岩爆、矿震、塌方等地质灾害预警的及时性与准确性。一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，包括以下步骤：步骤1、读取振动传感器实时监测到的设定时窗内波形的采样点数据，建立平面直角坐标系，其中X轴对应波形的采样点编号，Y轴对应波形的幅值，在平面直角坐标系中对时窗内波形的采样点进行对称校准；步骤2、计算采样点个数N，设置零交叉点个数上限M1，零交叉点个数下限M2；设置微震信号时间判断阀值T；步骤3、设定第A个采样点的加权因子K(A)和特征函数CF(A)；设定第A个采样点短时平均值STA(A)和长时平均值LTA(A)；设定第A个采样点的动态阈值r(A)；其中A为采样点个数的编号；步骤4、以平面直角坐标系中编号最小的采样点为当前采样点，当前采样点的编号为i；步骤5、设置算法参数变量M、S、L、t，M、S、L、t的初值均设置为0，其中M为零交叉点个数；S为计数器；L的计算公式为L＝3+M/3；t为拾取出的微震信号的持续时间；步骤6、比较当前采样点的短时平均值STA(i)和动态阈值r(i)的大小；步骤7、若当前采样点的短时平均值STA(i)小于当前采样点的动态阀值r(i)，则当前采样点不是P波初至点，此时将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回到步骤(6)；若当前采样点的短时平均值STA(i)大于等于当前点的动态阀值r(i)，则将当前采样点的编号i赋值给k，计算当前采样点的幅值P1，将当前采样点的幅值大小P1赋值给缓存最大幅值P0，然后进行步骤(8)；步骤8、计算编号为k的采样点的下一个采样点k+1的幅值P2；步骤9、如果采样点的编号为k的采样点的下一个采样点k+1不是零交叉点，将缓存最大幅值P0和采样点k+1的幅值P2中较大值赋值给缓存最大幅值P0，将k+1赋值给k，当k的值小于波形采样点个数N时，返回步骤8；当k的值大于等于波形采样点个数N时，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；如果采样点的编号为k的下一个采样点k+1是零交叉点，则零交叉点个数M值加1，将k+1赋值给k，然后进行步骤10；步骤10、若零交叉点个数M值大于零交叉点个数上限M1值，则当前采样点不为P波初至点，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；若零交叉点个数M值小于等于零交叉点个数上限M1值，则计算当前采样点的判定参数δ＝LTA(i)×M，然后进行步骤11；步骤11、比较编号为k的采样点的短时平均值STA(k)与当前采样点的判定参数δ的大小：若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)小于等于当前采样点的判定参数δ，计数器S值归零，将P2赋值给P0，此时将k加1，返回步骤8；若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)大于当前采样点的判定参数δ，计数器S值加1，计算L＝3+M/3，进入步骤12；步骤12、比较计数器S值与L的大小：若计数器S值小于等于L，则将P2赋值给P0，将k加1，返回步骤8；若计数器S值大于L，计算从当前采样点i到编号为k的采样点的这段波形的持续时间t，t＝(k-i)/f，其中f为采样频率；步骤13、当t小于微震信号时间判断阀值T或零交叉点个数M小于零交叉点个数下限M2时，则当前采样点i与编号为k的采样点之间的采样点不是微震信号，将编号为k的采样点的下一个采样点作为当前采样点，清零M、P0、P1、P2、S、L的取值，进行步骤5；当t大于等于时间阀值T且零交叉点个数M大于等于零交叉点个数下限M2时，则当前采样点i与编号为k的采样点之间的采样点为微震信号，将当前采样点的编号i赋值给T1，将k赋值给T2，其中编号为T1的采样点为微震信号的P波初至点，编号为T2的采样点为信号结束点，进入步骤14；步骤14、将编号为k的采样点的下一个采样点作为当前采样点，清零M、P0、P1、P2、S、L的取值，进行步骤5，直至将设定时窗内波形的采样点数据分析完。如上所述的对称校准包括以下步骤：选取时窗中设定个数的连续的采样点作为校正样本，若校正样本中幅值为正的采样点个数与幅值为负的采样点个数的比值不在设定比值范围内，则设定时窗内波形的采样点数据需对称校准，计算校正样本幅值的平均值，将设定时窗内波形的采样点幅值与校正样本幅值的平均值相加，完成对称校准；若校正样本中幅值为正的采样点个数与幅值为负的采样点个数的比值不在设定比值范围内，则设定时窗内波形的采样点数据不需对称校准。如上所述的第A个采样点的加权因子K(A)基于以下公式：所述的第A个采样点的特征函数CF(A)基于以下公式：其中，A为对称校准后波形中采样点个数的编号，y(A)为对称校准后波形的第A个采样点的幅值，为y(A)一阶差分；所述的第A个采样点的短时平均值STA(A)基于以下公式：STA(A)＝STA(A-1)+C3×[CF(A)-STA(A-1)]所述的第A个采样点的长时平均值LTA(A)基于以下公式：LTA(A)＝LTA(A-1)+C4×[CF(A)-LTA(A-1)]所述的第A个采样点的动态阈值r(A)基于以下公式：r(A)＝C5×LTA(A)其中，C3为短时平均系数，C4为长时平均系数，C5为触发阀值。当P波到来时，将引起微震信号振幅或者频率等波形特征变化，若信号的信噪比越低，则P波初至越不明显。因而提高拾取算法对该类变化的敏感性，将能有利于提高工程尺度下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、读取振动传感器实时监测到的设定时窗内波形的采样点数据，建立平面直角坐标系，其中X轴对应波形的采样点编号，Y轴对应波形的幅值，在平面直角坐标系中对时窗内波形的采样点进行对称校准；步骤2、计算采样点个数N，设置零交叉点个数上限M1，零交叉点个数下限M2；设置微震信号时间判断阀值T；步骤3、设定第A个采样点的加权因子K(A)和特征函数CF(A)；设定第A个采样点短时平均值STA(A)和长时平均值LTA(A)；设定第A个采样点的动态阈值r(A)；其中A为采样点个数的编号；步骤4、以平面直角坐标系中编号最小的采样点为当前采样点，当前采样点的编号为i；步骤5、设置算法参数变量M、S、L、t，M、S、L、t的初值均设置为0，其中M为零交叉点个数；S为计数器；L的计算公式为L＝3+M/3；t为拾取出的微震信号的持续时间；步骤6、比较当前采样点的短时平均值STA(i)和动态阈值r(i)的大小；步骤7、若当前采样点的短时平均值STA(i)小于当前采样点的动态阀值r(i)，则当前采样点不是P波初至点，此时将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回到步骤(6)；若当前采样点的短时平均值STA(i)大于等于当前点的动态阀值r(i)，则将当前采样点的编号i赋值给k，计算当前采样点的幅值P1，将当前采样点的幅值大小P1赋值给缓存最大幅值P0，然后进行步骤(8)；步骤8、计算编号为k的采样点的下一个采样点k+1的幅值P2；步骤9、如果采样点的编号为k的采样点的下一个采样点k+1不是零交叉点，将缓存最大幅值P0和采样点k+1的幅值P2中较大值赋值给缓存最大幅值P0，将k+1赋值给k，当k的值小于波形采样点个数N时，返回步骤8；当k的值大于等于波形采样点个数N时，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；如果采样点的编号为k的下一个采样点k+1是零交叉点，则零交叉点个数M值加1，将k+1赋值给k，然后进行步骤10；步骤10、若零交叉点个数M值大于零交叉点个数上限M1值，则当前采样点不为P波初至点，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；若零交叉点个数M值小于等于零交叉点个数上限M1值，则计算当前采样点的判定参数δ＝LTA(i)×M，然后进行步骤11；步骤11、比较编号为k的采样点的短时平均值STA(k)与当前采样点的判定参数δ的大小：若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)小于等于当前采样点的判定参数δ，计数器S值归零，将P2赋值给P0，此时将k加1，返回步骤8；若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)大于当前采样点的判定参数δ，计数器S值加1，计算L＝3+M/3，进入步骤12；步骤12、比较计数器S值与L的大小：若计数器S值小于等于L，则将P2赋值给P0，将k加1，返回步骤8；若计数器S值大于L，计算从当前采样点i到编号为k的采样点的这段波形的持续时间t，t＝(k‑i)/f，其中f为采样频率；步骤13、当t小于微震信号时间判断阀值T或零交叉点个数M小于零交叉点个数下限M2时，则当前采样点i与编号为k的采样点之间的采样点不是微震信号，将编号为k的采样点的下一个采样点作为当前采样点，清零M、P0、P1、P2、S、L的取值，进行步骤5；当t大于等于时间阀值T且零交叉点个数M大于等于零交叉点个数下限M2时，则当前采样点i与编号为k的采样点之间的采样点为微震信号，将当前采样点的编号i赋值给T1，将k赋值给T2，其中编号为T1的采样点为微震信号的P波初至点，编号为T2的采样点为信号结束点，进入步骤14；步骤14、将编号为k的采样点的下一个采样点作为当前采样点，清零M、P0、P1、P2、S、L的取值，进行步骤5，直至将设定时窗内波形的采样点数据分析完。...

【技术特征摘要】
1.一种工程尺度下微震信号及p波初至自动识别算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、读取振动传感器实时监测到的设定时窗内波形的采样点数据，建立平面直角坐标系，其中X轴对应波形的采样点编号，Y轴对应波形的幅值，在平面直角坐标系中对时窗内波形的采样点进行对称校准；步骤2、计算采样点个数N，设置零交叉点个数上限M1，零交叉点个数下限M2；设置微震信号时间判断阀值T；步骤3、设定第A个采样点的加权因子K(A)和特征函数CF(A)；设定第A个采样点短时平均值STA(A)和长时平均值LTA(A)；设定第A个采样点的动态阈值r(A)；其中A为采样点个数的编号；步骤4、以平面直角坐标系中编号最小的采样点为当前采样点，当前采样点的编号为i；步骤5、设置算法参数变量M、S、L、t，M、S、L、t的初值均设置为0，其中M为零交叉点个数；S为计数器；L的计算公式为L＝3+M/3；t为拾取出的微震信号的持续时间；步骤6、比较当前采样点的短时平均值STA(i)和动态阈值r(i)的大小；步骤7、若当前采样点的短时平均值STA(i)小于当前采样点的动态阀值r(i)，则当前采样点不是P波初至点，此时将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回到步骤(6)；若当前采样点的短时平均值STA(i)大于等于当前点的动态阀值r(i)，则将当前采样点的编号i赋值给k，计算当前采样点的幅值P1，将当前采样点的幅值大小P1赋值给缓存最大幅值P0，然后进行步骤(8)；步骤8、计算编号为k的采样点的下一个采样点k+1的幅值P2；步骤9、如果采样点的编号为k的采样点的下一个采样点k+1不是零交叉点，将缓存最大幅值P0和采样点k+1的幅值P2中较大值赋值给缓存最大幅值P0，将k+1赋值给k，当k的值小于波形采样点个数N时，返回步骤8；当k的值大于等于波形采样点个数N时，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；如果采样点的编号为k的下一个采样点k+1是零交叉点，则零交叉点个数M值加1，将k+1赋值给k，然后进行步骤10；步骤10、若零交叉点个数M值大于零交叉点个数上限M1值，则当前采样点不为P波初至点，则将当前采样点的下一个采样点作为当前采样点，返回步骤5；若零交叉点个数M值小于等于零交叉点个数上限M1值，则计算当前采样点的判定参数δ＝LTA(i)×M，然后进行步骤11；步骤11、比较编号为k的采样点的短时平均值STA(k)与当前采样点的判定参数δ的大小：若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)小于等于当前采样点的判定参数δ，计数器S值归零，将P2赋值给P0，此时将k加1，返回步骤8；若编号为k的采样点的短时平均值STA(k)大于当前采样点的判定参数δ，计数器S值加1，计算L＝3+M/3，进入步骤12；步骤12、比较计数器S值与L的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炳瑞，李贤，王文杰，符启卿，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉科技大学，武汉海震科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42