【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地震观测领域，尤其涉及一种基于eemd的井水位同震响应特征提取方法。
技术介绍
1、地下水是反映地壳应力与固体变形最敏感的物质之一，当井-含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时，井-含水层系统即为一个天然体应变仪。地震引起的各类水文响应中，以井水位的变化最为普遍，地震孕育过程中的应力积累、地震发生后断层位错引起的静态应力以及地震波传播引起的动态应力，都会引起局部或区域尺度地壳介质渗透性结构的改变，导致岩体中孔隙压力和含水层介质特性的改变，进而引起井孔水位的变化。因此，通过地震引起的井水位同震响应信息能够了解地下介质度应力-应变的响应过程、孔隙压变化特征及含水层水文地质参数变化等信息，进而反演承压井含水层水文地质参数。
2、井水位能够记录到地震的能力与观测仪器采样率、地震强度、发震位置及观测井所在构造位置密切相关。井水位同震响应是对地震波统一施加在区域范围内各井含水层岩体上的反应，研究发现在井震距在500km范围内，水位变化以及阶变为主，井震距大于2000km时，水位变化以震荡型为主。
3、井水位同震响应与周边地震的关系，依据水位同震响应形态不同，主要分为两种。一是根据井水位同震阶变形态反演区域应力场，研究发现水位阶变上升或下降集中区域可能是未来的发震区域。另一种是研究井水位记震能力的变化与周边地震的关系，这里的记震能力是指井孔水位对远大震面波(周期10～20s)的响应能力，可以用地震百分比、震荡幅度等参数表示强弱，在中强地震前，存在井水位记震能力变化的现象。引起井水位同震变化的地震震级与井震
4、目前，中国观测水位仪多为分钟值采样率，对同震响应幅值的记录并不完整，井水位秒值数据可记录到较为完整井水位同震响应形态和幅值，但秒值白噪声会影响井水位同震响应观察。图1为2021年11月28日-29日唐山井水位观测数据，其中虚线标出的地方分别为秘鲁7.3级地震和日本6.4级地震，(a)为井水位观测数据秒钟值，(c)为井水位观测数据分钟值，(b)为秘鲁7.3级地震引起的井水位同震响应，(d)为日本6.4级地震引起的井水位同震响应。对比(a)和(c)可观察到在秘鲁7.3级地震后(a)中井水位出现了不易观察到的井水位振荡，其最大变幅6.52mm，在同一时刻(c)中井水位观察不到井水位变化。在日本6.4级地震后(a)中井水位出现了明显的水位振荡，最大变幅156.31mm，在同一时刻(c)中井水位出现不易观察到的小幅值脉冲。因此，井水位观测数据秒钟值可以记录到更丰富、更完整的井水位同震响应信息。图1中(b)为秘鲁7.3级地震引起的水震波，受秒值数据白噪声影响，井水位同震响应特征观察较为困难，(d)为日本6.4级地震引起的水震波，其变化幅度较大，较为容易观察到，因秒值数据采样较密，水震波特征观察较为困难。目前，井水位同震响应通常在震后结合地震震级和井震距进行判别，部分近场地震可能存在少量井水位临震异常。因此，如何行之有效的在地震发生时判别地震引起的井水位变化，压制秒值白噪声对井水位同震响应的影响，客观、真实地提取井水位同震响应信息非常重要。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术的缺陷，目的是提出一种基于eemd的井水位同震响应特征提取方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于eemd的井水位同震响应特征提取方法，包括以下步骤：
4、s1、对秒值井水位数据进行eemd分解，引入高斯噪声标准差设置为0.1，迭代次数为1000次，井水位同震响应特征频率分布在10～10-2hz，获得16～20个imf分量和1个残余趋势项r，井水位同震响应特征包含在井水位高频分量imf1～5中；
5、s2、对井水位高频分量imf1～5部分或者全部求和重构，即获得同震响应特征和幅值。
6、进一步地，步骤s1中，对秒钟值井水位数据进行eemd分解时的步骤为：
7、求取输入信号s(t)上的所有极大值点和极小值点，通过三次样条函数插值，拟合出上包络线x1(t)和下包络线x2(t)，且需要满足x1(t)＜s(t)＜x2(t)，取其和的均值，记作m1(t)，
8、
9、取原信号s(t)与m1(t)的差值，记作h1(t)，
10、h1(t)＝s(t)-m1(t)
11、判断h1(t)是否满足构成imf的限定条件如下：
12、(1)在整个信号波形中，极值点的个数和过零点的个数必须相等，或最多相差不超过一个；
13、(2)在任意时刻，由局部极大值点构成的上包络线和局部极小值构成的下包络线的平均值为零，即上、下包络线关于时间轴局部对称；
14、上述两个条件必须同时满足，若h1(t)不满足构成imf的条件，则将h1(t)视作新的信号序列重复上述算法，直到满足构成imf的条件，此时记c1(t)＝h1(t)，此时c1(t)为信号s(t)的第一个imf分量，取s(t)与c1(t)的差，记作re1(t)，
15、re1(t)＝s(t)-c1(t)
16、将re1(t)作为新的时间序列，重复上述分解过程，分离出下一个imf，分离出来的imf在频率尺度上由高到低，直到获得一个单调、正交、唯一且收敛的函数re1(t)，结束计算过程，得到的ren(t)称为残余项，代表了信号的平均趋势，原始序列s(t)表示为：
17、
18、在经过emd分解后，在原始信号中多次加入均值为零的随机高斯白噪声信号，得到含噪信号x(t)：
19、xi(t)＝s(t)+kni(t)
20、式中，i为添加白噪声次数k为添加白噪声标准差，ni(t)为白噪声信号；
21、含噪信号x(t)通过emd分解，取均值得到一组imfs，得到：
22、
23、原信号s(t)经过eemd分解后，表示为：
24、
25、式中，n为添加白噪声总次数，ci，j(t)为第i次添加白噪声后emd分解得到的第j个固有模态函数分量，rn(t)为原始信号的趋势分量。
26、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
27、1、本专利技术提供的一种基于eemd的井水位同震响应特征提取方法，利用eemd以自身为基进行自适应分解，能够较好的提取井水位高频部分。因为地震引起的井水位频率较高，其他因素引起井水位变化频率较小，在对高频分量进行观察时，地震引起的井水位变化在高频部分显得更为明显，起到放大作用。
28、2、虽然井水位秒值记录到同震响应信息更为完整、更精确，但是受到的干扰更多。井水位秒值信号在经过eemd分解后可压制噪声干扰，易于分辨其他干扰因素引起的井水位变化，可以更快、更精准的识别地震引起的井水位变化。
29、3、因为ee本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于EEMD的井水位同震响应特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于EEMD的井水位同震响应特征提取方法，其特征在于，步骤S1中，对秒钟值井水位数据进行EEMD分解时的步骤为：
【技术特征摘要】
1.一种基于eemd的井水位同震响应特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：许英霞，丁俊柯，马传璧，尹宝军，王震坤，郭建芳，董祎玮，王金生，张雨，
申请(专利权)人：山西工程技术学院，
类型：发明
国别省市：
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