一种估计微地震波达方向及距离的方法技术

本发明专利技术公开了一种估计微地震波达方向及距离的方法，应用于稀疏线阵下的远场单信源，属于微地震信号处理技术领域。本发明专利技术根据微地震信号的特征将接收到的远场单源微地震数据使用TCT算法把信号带宽频带内各个频率点的信号空间聚焦到参考频率点上，聚焦变换后得到单一频率点的数据协方差矩阵；其后在通过预估计算法粗略预估方位角估计值的情况下，通过MUSIC算法得到信号源波达角及距离的估计值。本发明专利技术能够有效提高微地震事件波达方向的估计精度，提升定位效果，从而在微地震事件反演解释上减少多解性，且在有缺陷的微地震监测阵列下也可以正常进行监测定位。

【技术实现步骤摘要】
一种估计微地震波达方向及距离的方法
本专利技术涉及信号处理
，更具体的说是涉及一种估计微地震波达方向及距离的方法。
技术介绍
随着世界对能源的需求不断上升以及一定程度上的能源短缺现象，越来越多的国家将希望放在了页岩气、页岩油的开发上来。但是在页岩气、油的压裂开发过程中，由于其作业深度往往较深，往往使地下裂隙展布的真实信息难以得到体现，从而导致水力压裂的效果不如预期。而对于常规能源，虽然随着人们对环境问题的日益关注，煤炭在主要能源里的占比逐渐下降，但是依然改变不了现阶段其在我国能源里的主导地位。随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的逐步完善，资源开采正不断地在向深部发展，占我国煤炭资源总量的53％均埋深在1000m以下。我国目前东部矿井开采深度正以每10年100-250m的速度发展，预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度；一批金属矿山近年也已进入深部开采，例如红透山铜矿目前开采已进入900-1100m深度。然而由于我国95％以上煤炭生产是井工作业，加之煤炭资源赋存条件复杂，生产技术条件和装备总体比较落后，人员素质参差不齐且技术管理水平较低，煤矿安全仍是制约我国煤炭工业发展的突出问题。尽管我国近十来年全国煤矿死亡人数及百万吨死亡率呈逐年下降趋势，但是死亡人数和百万吨死亡率依然偏高。而在页岩气、页岩油的生产过程中对地下地层裂缝改造的发育状况的掌控十分重要，因此，对于油气增产而言，更加准确、高分辨率的微地震技术是迫切需要发展的。另一方面对于矿井安全保障和地下空间利用，由于地下深处的压力、温度等物理参数的持续升高，深部岩石常常表现出不同于浅部的物理特性，因此，发展实时微地震技术可以有效预防由于岩石破裂所产生的岩爆、矿震以及有一定滞后性的矿井突水等事件所产生的对人身安全或财产的威胁的发生。在过往对于地下岩层压裂、矿井安全监测等领域的微震定位研究过程中，台站布设是否合理及对地震波方位估计的精度是决定定位效果好坏的重要前提。但以往和现阶段的微震台网布置往往没有具体布设准则，致使布设的台站位置经常有缺陷，从而导致得到的微震观测数据不满足定位要求，造成不可弥补的损失。而且在将微震检波器放置于矿井中常年进行监测的过程中，不可避免地会有一些信号采集通道由于芯片老化等原因而失效，而这些阵列探测系统早已深埋于矿井，再对失效的信号采集通道进行维修或替换几乎不可能；同时在微地震地震波方位估计方面一直没有较为系统的波达估计算法。以往在监测过程中，往往通过特定的约束条件(观测排列、观测井与压裂井的相对关系等)去解决180°不确定性的问题。但是，约束条件很可能不存在，这时就无法进行精确的微地震定位，也自然无法保证开采的正常进行。微地震信号震源浅、传播距离小，虽然波长较地震波更短，局部介质的不均匀性对微地震信号的影响比对地震波的影响大，但其传播距离远远小于地震波，可以近似地看成是在相同层相结构的岩体中传播。微地震信号的频率一般为50～200赫兹，但实际频率范围要根据实际情况进行研究，例如在水力压裂中微震频率最高可达2000赫兹；而在煤矿矿震监测方面，根据前人所测得的资料，微地震频率大都在10-30赫兹的范围内，例如北京木城涧矿频率范围为20～30赫兹，阜新五龙矿频率范围为5～15赫兹。假定微地震波波速为3500m/s，则可得其在矿井中传播的波长大约在116m～700m范围内。同时，微地震信号频率具有衰减性：低频声发射信号在传播过程中的衰减小于高频声发射信号，高频信号在传播过程中衰减较大，且传播距离相较低频部分短；而且由于岩石非线性蠕变的存在，在围岩类别一定的条件下，微地震信号的频率还可能与振幅相关，振幅大(小)，频率低(高)；声发射活动弱时频率域靠近低频，声发射活动强时频率域向中部区域集中。相比主动源地震是为了得到地层属性，信噪比高。被动源则是只需要知道地震的发生，定位出其发生位置即可，但由于信号微弱，信噪比低，所以研究更适合的定位方位就尤为重要。空间谱估计技术(DOA)是近30年来发展起来的一门新兴的主要应用于空域的信号处理技术，其主要目标是研究提高在处理带宽内空间信号(包括独立、部分相关和相干)角度的估计精度、角度分辨力和提高运算速度的各种算法。空间谱估计技术有着很高的空间角度分辨能力，因此，这项技术主要应用与雷达和无线电通信领域，如：雷达对飞行器的定位、水声阵列对水下目标的定位以及日常生活中的手机信号定位等。对于天线阵列，我们可以通过估计信号的到达角度，借助天线的旋转使天线对准所需的信号，从而达到抑制干扰、提高分辨力的目的。而在微地震方面，我们一般认为声发射及地震信号是一种天然的宽频带信号，因此微地震信号可以看成是检波器阵列对地下地质体信号的接收形成的阵列信号，自然也可以将空间谱估计理论应用于地震信号的处理分析中。而作为空间谱估计技术中十分高效的一种算法，MUSIC算法的基本思想则是将任意阵列输出数据协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的参数如：入射方向、极化信息及信号强度及距离信息等。因此，如何提供一种定位精确的估计微地震波达方向及距离的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种估计微地震波达方向及距离的方法，能够有效提高微地震事件波达方向的估计精度，提升定位效果，从而在微地震事件反演解释上减少多解性，且在有缺陷的微地震监测阵列下也可以正常进行监测定位。一种估计微地震波达方向及距离的方法，包括以下步骤：S1，接收微地震数据：对频率进行分析，并进行远场判别；S2，利用TCT(双边相关变换)对微地震数据进行聚焦变换；S3，对聚焦变换后的数据使用预估计算法获得方位角φp的粗略估计值根据获得的设置一个预估计搜索范围其中，Δφ是一个常量；S4，基于线性稀疏阵列模型，使用经典MUSIC算法在通过S3所得预估计搜索范围内执行搜索，获得H个估计值S5，以S3所得方位角粗略估计值为标准，使用确定精确方位角估计值φp，其中方位角估计值为S4通过经典MUSIC算法所获得的；S6，精确方位角φp已经确定的情况下，在扫描过程中使用同时对距离信息rp,p＝1,2,...,p进行估计；S7，综合判断所估计信息是否满足监测要求，输出方位角φp及距离信息rp。本专利技术中根据微地震信号的特征将接收到的远场单源微地震数据使用TCT算法把信号带宽频带内各个频率点的信号空间聚焦到参考频率点上，聚焦变换后得到单一频率点的数据协方差矩阵；其后在通过预估计算法粗略预估方位角估计值的情况下，通过MUSIC算法得到信号源波达角及距离的估计值。优选的，在所述一种估计微地震波达方向及距离的方法中，步骤S2中所述聚焦变换包括以下步骤：S21，利用M个微地震检波器接收到的微地震数据得到数据协方差矩阵R的最大似然估计值其中X为信号子空间导向矢量，L代表快拍次数，对选择的参考频率点f0和宽带各频率点fi,i＝1,2,...,I上的数据协方差矩阵进行去噪；S22，对上一步得到的去噪后的数据协方差矩阵进行特征分解，并在选择参考频率f0后构造不同频率点的聚焦矩阵；S23，经过聚焦变换得到所选参考频率点的数据协方差矩阵R1。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种估计微地震波达方向及距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，接收微地震数据：对频率进行分析，并进行远场判别；S2，利用TCT(双边相关变换)对微地震数据进行聚焦变换；S3，对聚焦变换后的数据使用预估计算法获得方位角φp的粗略估计值

【技术特征摘要】
1.一种估计微地震波达方向及距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，接收微地震数据：对频率进行分析，并进行远场判别；S2，利用TCT(双边相关变换)对微地震数据进行聚焦变换；S3，对聚焦变换后的数据使用预估计算法获得方位角φp的粗略估计值根据获得的设置一个预估计搜索范围其中，Δφ是一个常量；S4，基于线性稀疏阵列模型，使用经典MUSIC算法在通过S3所得预估计搜索范围内执行搜索，获得H个估计值S5，以S3所得方位角粗略估计值为标准，使用确定精确方位角估计值φp，其中精确方位角估计值为S4通过经典MUSIC算法所获得的；S6，精确方位角φp已经确定的情况下，扫描过程中使用同时对距离信息rp,p＝1,2,...,p进行估计；S7，综合判断所估计信息是否满足监测要求，输出方位角φp及距离信息rp。2.根据权利要求1所述的一种估计微地震波达方向及距离的方法，其特征在于，步骤S2中所述聚焦变换包括以下步骤：S21，利用M个微地震检波器接收到的微地震数据得到数据协方差矩阵R的最大似然估计值其中X为信号子空间导向矢量，L代表快拍次数，对选择的参考频率点f0和宽带各频率点fi,i＝1,2,...,I上的数据协方差矩阵进行去噪；S22，对上一步得到的去噪后的数据协方差矩阵进行特征分解，并在选择参考频率f0后，构造不同频率点的聚焦矩阵Tβ(fi)；S23，经过聚焦变换得到所选参考频率点的数据协方差矩阵R1。3.根据权利要求2所述的一种估计微地震波达方向及距离的方法，其特征在于，步骤S22中所述聚焦矩阵利用进行构造；其中，Tβ(fi)是宽带各频率点fi,i＝1,2,...,I与参考频率点f0的关系；和是各列相互正交的M×M的矩阵。4.根据权利要求1所述的一种估计微地震波达方向及距离的方法，其特征在于，步骤S3中所述方位角φr的粗略的估计值包括以下步骤：S31...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晨阳，郑晶，彭苏萍，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11