一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法制造技术

本发明专利技术公开了一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，解决了现有技术拾取微震初至精确不够、动化程度低、以及时窗选取多且受时窗选取长短影响大的问题。本发明专利技术首先判断微震数据是单分量或三分量微震数据，三分量对应三个特征值序列，单分量对应一个特征值序列；其次利用偏振分析方法计算出偏振协方差矩阵的特征值序列，然后计算出三分量最大特征值序列的最大值点或单分量特征值序列的最大值点，微震事件初至点在上述计算出的最大值点之前；最后计算特征值序列最大值点之前数据的AIC函数，此段AIC函数的最小值点即为微震事件初至点。本发明专利技术拾取微震初至精确、动化程度高、以及时窗选取少且几乎不受时窗选取长短的影响。

An algorithm for automatically picking up microseismic traces using polarization constrained AIC algorithm

The invention discloses a method using polarization constrained AIC algorithm to automatically pick up the seismic initial algorithm solves the pickup to accurate enough, the seismic initial dynamic degree is low, and the time window selection and time window selection by the influence of the length of the problem. The invention firstly determines the microseismic data is single component or the three component microseismic data, three components corresponding to three eigenvalues, single component corresponds to a feature value sequence; then calculate the polarization characteristics of polarization using covariance matrix series analysis method, and then calculate the maximum point or single component characteristic value sequence the three component is the largest eigenvalue sequence of microseismic event onset point before the maximum of the calculated; finally calculate the eigenvalues of maximum data before the AIC function, the AIC function is the minimum point of microseismic events early. The invention has the advantages of picking up the initial stage of the microseismic, high accuracy and high mobility, and less time window selection and almost no time window selection.

【技术实现步骤摘要】
一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法
本专利技术涉及一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法。
技术介绍
微震监测技术已经被广泛的应用于大坝矿山的安全监测、页岩气开采中水力压裂监测、深埋隧洞稳定性监测等领域，并且取得了许多显著的研究成果，取得这些成果的基础是对微震事件的精确定位，而微震的初至准确拾取是进行微震事件进行定位的必要先决条件之一，因此对微震初至的精确拾取是微震信号处理中的一项必要工作。微震事件初至的拾取主要是在环境噪声中识别出微震信号的初到时，目前常用的初至拾取算法主要是借鉴天然地震数据处理中的地震波初至拾取算法，如STA/LTA(ShortTimeAverage/LongTimeAverage，长短时平均)算法、AIC算法、基于高阶统计量偏斜度和峰度的PAI-S/K算法、分形维数算法、散射积分算法、偏振分析算法等。上述方法虽然在一些工程中成功应用，但相比于传统的地震数据，微震数据中经常会包含机械振动，环境噪声，电磁噪声等多种干扰信号，信噪比普遍偏低，采用单一算法对微震数据进行初至拾取均难以达到理想的效果。针对微震数据的初至拾取，国内外学者也做了较多的相关研究，如谭玉阳等人针对低信噪比的微震数据的初至拾取，提出了SLPEA算法，其相当于是STA/LTA算法和偏振分析方法的结合，利用STA/LTA算法计算出的能量比函数Ri和偏振法计算出的偏振度函数Pi归一化后相乘得到Ki，通过边缘检测函数Di检测Ki的变化快慢，Ki变化最快的点存在一个局部极大值点，微震的初至点被认为是在Di的极值点附近，再通过一定的约束条件，精准的拾取到微震事件的初至，根据其试验可以看出，该方法具有优良的拾取效果，但是通过对算法的分析可以发现，算法在计算过程中，需要设置6个不同时窗和3个不同阈值，同时计算量偏大，耗时较长，难以满足实时处理的要求。吕世超等人利用偏振约束的STA/LTA方法实现对有效微震事件的自动拾取，并将该方法应用于整套水力压裂微震监测资料中，取得了较好的效果，其方法是利用偏振度函数和STA/LTA算法的能量比函数相乘得到一个整体的判断因子，通过其来识别微震事件，由于其基础算法中包含STA/LTA算法和偏振度函数，算法在实现中仍然至少需要设置3个时窗，同时其对信噪比极低的数据可靠性依然不高。贾瑞生等人通过Huang变换将微震信号分解成从高频到低频的多个基本时间序列的组合，对含噪的微震信号进行降噪处理，对降噪后的微震信号进行Hilbert变换和包络分析，并进行归一化处理，沿时间轴顺序搜索，当微震信号的均一化包络值大于设定阈值时，即可确定微震信号初至的大致时刻，然后计算该时刻前后N个采样点时窗范围内的AIC函数，即可求出微震事件的初至，该方法利用归一化处理后的包络值首次超过阈值的方法对AIC函数进行约束，尽管牺牲了部分计算时间，但是对于低信噪比的微震信号初至拾取具有良好的效果，不过该方法仍需要人工设置阈值和时窗的大小。可以看出以上方法，均能不同程度的提高微震初至拾取的准确度，但是在计算时需要人为的设置时窗或阈值，降低了微震数据处理的自动性，同时精度的提高也牺牲了算法的实时性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，该方法拾取微震初至精确、自动化程度高、能满足实时性要求、以及时窗选取少且不受时窗选取长短的影响。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，包括以下步骤：(1)判断微震信号数据是单分量微震信号数据或三分量微震信号数据，如果微震信号数据是三分量微震信号数据，则采用步骤(2)估算出微震初至的范围，如果微震信号数据是单分量微震信号数据，则采用步骤(3)估算出微震初至的范围；(2)利用偏振分析方法计算出微震信号数据的偏振协方差矩阵的特征值序列，三分量微震信号数据中的三个分量分别对应三个特征值序列，运用微震波拾取的特征函数计算三个特征值序列中最大特征值序列的最大值点，所述微震初至在该最大值点之前，计算协方差矩阵的特征值λ1，λ2，λ3，存在λ1≥λ2≥λ3的关系，取其最大特征值λ1，求λ1序列最大值对应的时间点p，依此点作为基准点，利用步骤(4)精确计算微震初至；(3)微震信号数据为单分量微震信号数据时，其可视作为三分量数据特征矩阵仅存在一个分量的特殊情况，以该分量所对应的特征值序列作为其特征值，计算该序列最大值对应的时间点p，利用步骤(4)精确计算出微震初至；(4)以特征值序列最大值点对应的时间点p为基准时间，采用AIC函数计算出微震数据在时间点p前的AIC函数值，该AIC函数计算出的最小值点即为微震事件的初至点。进一步地，步骤(2)中所述协方差矩阵的计算公式为：其中，xi、yi和zi为i时刻对应的三分量微地震数据，cov(x,y)表示数据x和y的协方差，var(x)表示数据x的方差，M为三分量数据的协方差矩阵。进一步地，步骤(4)中所述AIC函数为：AIC(n)＝n×lg(var(x[l，n]))+(L-n-1)×lg(var(x[n+1，L])，其中，x(n)为每个采样点对应的微震数据，n＝1,2,…,L；L＝p+N/10,p为特征值序列最大值对应的点,N为采样点的总长度。进一步地，步骤(3)中所述单分量所对应的特征值序列为var(x)或var(y)或var(z)。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术在微震事件定位分析中对三分量和单分量微震信号数据进行微震初至拾取时均有效，在微震初至拾取时精确度高并且不会受到时窗长短的影响；对于信噪比较低的微震信号数据的初至拾取具有极高的准确性，抗噪性极高，在微震初至拾取过程中仅需设置一个时窗或阀值，极大地提高了微震信号数据处理的自动化程度，很好的满足了微震事件定位分析中的实时性要求。附图说明图1为本专利技术实施流程框图；图2为本专利技术实验例16.7dB合成数据采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图；图3为本专利技术实验例2.6dB合成数据采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图；图4为本专利技术实验例0.2dB合成数据采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图；图5为本专利技术实践例微震监测检波器及现场设备布设的示意图；图6为本专利技术实践例事件A采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图；图7为本专利技术实践例事件B采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图；以及图8为本专利技术实践例事件C采用本专利技术、STA/LTA算法、Maeda-AIC算法、偏振分析法的拾取效果图。具体实施方式下面结合附图说明和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。实施例如图1-8所示，一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，包括以下步骤：(1)判断微震信号数据是单分量微震信号数据或三分量微震信号数据，如果微震信号数据是三分量微震信号数据则采用步骤(2)估算出微震初至的范围，如果微震信号数据是单分量微震信号数据则采用步骤(3)估算出微震初至的范围；(2)利用偏振分析方法计算出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断微震信号数据是单分量微震信号数据或三分量微震信号数据，如果微震信号数据是三分量微震信号数据，则采用步骤(2)估算出微震初至的范围，如果微震信号数据是单分量微震信号数据，则采用步骤(3)估算出微震初至的范围；(2)利用偏振分析方法计算出微震信号数据的偏振协方差矩阵的特征值序列，三分量微震信号数据中的三个分量分别对应三个特征值序列，运用微震波拾取的特征函数计算三个特征值序列中最大特征值序列的最大值点，所述微震初至在该最大值点之前，计算协方差矩阵的特征值λ

【技术特征摘要】
1.一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断微震信号数据是单分量微震信号数据或三分量微震信号数据，如果微震信号数据是三分量微震信号数据，则采用步骤(2)估算出微震初至的范围，如果微震信号数据是单分量微震信号数据，则采用步骤(3)估算出微震初至的范围；(2)利用偏振分析方法计算出微震信号数据的偏振协方差矩阵的特征值序列，三分量微震信号数据中的三个分量分别对应三个特征值序列，运用微震波拾取的特征函数计算三个特征值序列中最大特征值序列的最大值点，所述微震初至在该最大值点之前，计算协方差矩阵的特征值λ1，λ2，λ3，存在λ1≥λ2≥λ3的关系，取其最大特征值λ1，求λ1序列最大值对应的时间点p，依此点作为基准点，利用步骤(4)精确计算微震初至；(3)微震信号数据为单分量微震信号数据时，其可视作为三分量数据特征矩阵仅存在一个分量的特殊情况，以该分量所对应的特征值序列作为其特征值，计算该序列最大值对应的时间点p，利用步骤(4)精确计算出微震初至；(4)以特征值序列最大值点对应的时间点p为基准时间，采用AIC函数计算出微震数据在时间点p前的AIC函数值，该AIC函数计算出的最小值点即为微震事件的初至点。2.根据权利要求1所述的一种利用偏振约束AIC算法自动拾取微震初至的算...

【专利技术属性】
技术研发人员：李怀良，庹先国，沈统，刘勇，陆景，荣文钲，刘颖，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51