CN111175810B - 微震信号到时拾取方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微震信号到时拾取方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿时刻数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时。提高了微震信号的P波到时拾取精度，适用于矿山微震监测领域。

Description

微震信号到时拾取方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及微震监测领域，具体涉及一种微震信号到时拾取方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

微震监测需要准确拾取到微震信号中的纵波(P波)和横波(S波)，譬如，震源参数计算依赖于P、S波到时，震源机制解答同样受到P、S波到时的影响。因此，准确的P、S波到时是微震数据处理的关键。由于矿山工程中的监测事件的数量庞大，导致人工拾取到时成为一项非常冗杂、耗时的工作，因此，到时自动拾取一直是各国地震界与微震界学者研究的热点。矿山微震监测由于其复杂的地下生产情况，各类噪声干扰严重，导致其自动拾取复杂程度高于其他行业。相关的到时拾取方法应用于矿山微震监测中仍然存在精度不高、需要人工调整的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种微震信号到时拾取方法、装置、设备及存储介质，旨在有效提高微震信号中P波到时拾取准确率。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种微震信号到时拾取方法，包括：

对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时。

第二方面，本发明实施例提供一种微震信号到时拾取装置，包括：

第一到时拾取模块，用于对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

第二到时拾取模块，用于对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

零点相交模块，用于相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时。

第三方面，本发明实施例提供一种微震信号到时拾取设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现本发明实施例所述的微震信号到时拾取方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本发明实施例所述的微震信号到时拾取方法。

本发明实施例的技术方案中，通过对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿时刻数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时，通过复合的算法进行拾取处理，提高了微震信号的P波到时拾取精度，适用于矿山微震监测领域。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例中微震信号到时拾取方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例中微震信号到时拾取方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例中微震信号到时拾取装置的结构示意图；

图4为本发明一实施例中微震信号到时拾取设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明技术方案做进一步的详细阐述。应当理解，此处所提供的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。另外，以下所提供的实施例是用于实施本发明的部分实施例，而非提供实施本发明的全部实施例，在不冲突的情况下，本发明实施例记载的技术方案可以任意组合的方式实施。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明实施例提供一种微震信号到时拾取方法，请参阅图1，该方法包括：

步骤101，对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

本发明实施例中，微震信号到时拾取装置接收微震监测***监测的微震信号，基于多步赤池信息量准则(Akaike information criterion，AIC)算法对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时。通过采用多步AIC算法可以明显提高优质微震信号的第一P波到时。

在一具体实施方式中，对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时，包括：

基于第一设定时长区间，采用AIC算法拾取到时，确定所述微震信号的初步到时，其中，所述第一设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定；

基于所述初步到时确定第二设定时长区间，进行第二次AIC算法拾取到时，得到所述第一P波到时。

由于传统的AIC算法在计算时，以整段波形为输入。若微震信号中含有较多振动源干扰，则可能出现在AIC函数中含有多个极小值，从而导致第一P波到时拾取错误。因此，首先通过减少窗口长度进行改进。

由于P波到达后，信号才会出现强烈的振幅变化，P波到时必然早于整段信号能量最强处。因此，提出通过下列特征函数判定能量最强位置：

CF_i＝|x_i|+4|x_i-x_i-1| (1)

其中，x_i为微震信号第i个采样点对应的振幅。假定公式(1)取最大值时的时刻为t_max，以[0,t_max]为第一设定时长区间，应用AIC算法拾取初步到时，记为p₁。

经过大量矿山微震监测信号测试发现，p₁在多数质量很好的信号中是较为准确的到时，但也存在例外。例如，在某些信号中，刚开始达到的信号振幅较后续信号振幅而言极弱。为此，提出多步AIC计算。计算时，以p₁为基础，在p₁前取一段长时窗w_l，在p₁后取一段短时窗w_s，以[p₁-w_l,p₁+w_s]为第二设定时长区间，进行第二次AIC算法拾取到时，记为P_maic，即为第一P波到时，P_maic较p₁提高了拾取精度。

步骤102，对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

本发明实施例中，基于长短时窗能量比(Short Time Average over Long TimeAverage，STA/LTA)算法进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时，其能答复提高拾取精度。

在一具体实施方式中，所述对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时，包括：

基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻和所述第一P波到时确定第三设定时长区间；

在所述第三设定时长区间内，基于长短时窗能量比STA/LTA算法拾取到时，得到所述第二P波到时。

具体地，设x_i,i＝1,…,N代表微震信号，定义长时窗长度为N_LTA，短时窗长度为N_STA，长短时比为：

其中，

其中，diff_i＝x_i+1-x_i,i＝1,...,N-1。

经典STA/LTA方法直接从R_i中取大值对应的时刻，即为P波到时。然而，该方法过于粗略，经常造成较大误差。例如，在P波很弱、S波很强的信号，直接取最大值会将S波到时判定为P波到时。因此，本发明实施例提出从长短时比中提取P波到时的新方法。具体包括：

1)、基于步骤101中多步AIC算法的拾取结果，缩短判定区间为[p_maic,t_max]，作为第三设定时长区间。

2)、在该第三设定时长区间[P_maic,t_max]内，判定Ri中间距大于N_LTA的极值点个数。

3)、第一个极值点所在位置即为P波到时，记为P_mslr，即第二P波到时。

步骤103，相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时。

本发明实施例中，若所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，则认定两类算法判定结果一直，本次P波到时拾取结果理想。但P_slr与P_maic并不完全相等，无法判定该采用哪个结果，因此提出零点相交法，用于确定最终P波到时。

在一示例中，该零点相交法确定最终P波到时包括：

选取P_slr与P_maic中的最大值，从该最大值对应的时刻向起点搜索(即沿时刻数值变小的方向搜索)，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时P_f。可以采用下面的公式(5)来表示与振幅零点相交的时刻对应的位置：

本发明实施例微震信号到时拾取方法，通过对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿时刻数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时，通过复合的算法进行拾取处理，提高了微震信号的P波到时拾取精度，适用于矿山微震监测领域。

图2为本发明另一实施例中微震信号到时拾取方法的流程示意图，请参阅图2，该方法包括：

步骤201，对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

步骤201的实现过程可以参照上述步骤101，在此不做赘述。

步骤202，对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

步骤202的实现过程可以参照上述步骤102，在此不做赘述。

步骤203，相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值大于所述设定阈值，对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时。

若P_slr与P_maic相距大于设定阈值，即当满足|P_mslr-P_maic|>ΔT时，两类方法拾取结果出现冲突，认为输入信号并非是高信噪比信号，在此情况下，本发明实施例对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时P_f。

具体地，所述对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时，包括：

构建阻尼耗能函数；

对所述微震信号在第四设定时长区间内，基于所述阻尼耗能函数进行AIC算法拾取到时，得到最终P波到时。

在一具体实施方式中，所述第四设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定。

在一示例中，对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时，具体过程如下：

1)、记f_d为自然频率，ε为阻尼系数，定义：

ω＝2πf_d (6)

2)、对A求以e为底的矩阵指数函数，得A_e。定义：

3)、根据多步AIC计算所得t_max(P波到时必然早于t_max)，以[0,t_max]为第四设定时长区间，设x_k为微震信号波形，y₁＝0，通过下式计算得到阻尼耗能函数：

y_k＝A_e*y_k-1+B_e*x_k,k＝2,...,t_max (9)

E_d＝2εωy² (10)

4)、以t_max为区间终点，即在区间[0,t_max]，以阻尼耗能函数为对象，应用AIC算法，其最小值所对应时刻，即为微震信号P波到时，输出P_f。

该阻尼能量函数具有极好的特性，即在P波到达前，函数相当平稳，在P波到达时，即可表现出与到达前极大的数值差距，随后函数值会继续增大。即使在P波到达前噪声较大或者P波极为微弱的信号中，阻尼能量函数依然能够表现出良好的区分效果。

本发明实施例微震信号到时拾取方法，对于第一到时拾取和第二到时拾取的结果差别超出设定阈值时，利用第三到时拾取进行处理，该第三到时拾取基于阻尼能量函数进行AIC算法计算，准确地判定了P波到时时刻。

需要说明的是，图1所示的实施例和图2所示的实施例在不冲突的情况下，可以结合，即根据第一到时拾取和第二到时拾取的结果的差值情况，选择采用零点相交法确定最终P波到时或者基于第三到时拾取处理，确定最终P波到时。该设定阈值可以根据到时拾取的精度进行选择确定。

本发明实施例微震信号到时拾取方法，对微震信号进行第一到时拾取和第二到时拾取处理，当二者的输出结果相近时，利用零点相交法得出最终到时；当两方法输出结果差距较大时，在该结果的基础上，利用所提第三到时拾取方法拾取最终到时。对某一矿场进行监测实验表明，该算法拾取误差绝对平均值为0.23ms，误差在1ms内的比例为94.37％，大幅提高了P波到时拾取准确率。

请参阅图3，本发明实施例还提供一种微震信号到时拾取装置，该微震信号到时拾取装置300包括：

第一到时拾取模块301，用于对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

第二到时拾取模块302，用于对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

零点相交模块303，用于相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时中的最大值对应的时刻沿数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时。

在一些实施例中，该微震信号到时拾取装置还包括：

第三到时拾取模块304，用于相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值大于所述设定阈值，对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时。

在一些实施例中，第一到时拾取模块301具体用于：

基于第一设定时长区间，采用赤池信息量准则AIC算法拾取到时，确定所述微震信号的初步到时，其中，所述第一设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定；

基于所述初步到时确定第二设定时长区间，进行第二次AIC算法拾取到时，得到所述第一P波到时。

在一些实施例中，第二到时拾取模块302具体用于：

基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻和所述第一P波到时确定第三设定时长区间；

在所述第三设定时长区间内，基于长短时窗能量比STA/LTA算法拾取到时，得到所述第二P波到时。

在一些实施例中，第三到时拾取模块304具体用于：

构建阻尼耗能函数；

对所述微震信号在第四设定时长区间内，基于所述阻尼耗能函数进行AIC算法拾取到时，得到最终P波到时。

需要说明的是：上述实施例提供的微震信号到时拾取装置在进行微震信号到时拾取时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将微震信号到时拾取装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的微震信号到时拾取装置与微震信号到时拾取方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

在实际应用中，上述各程序模块均可由服务器上的中央处理器(CPU，CentralProcessing Unit)、微处理器(MPU，Micro Processor Unit)、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)、或现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable GateArray)等实现。

本发明实施例还提供一种微震信号到时拾取设备，请参阅图4，该微震信号到时拾取设备400包括：至少一个处理器401、存储器402、用户接口403和至少一个网络接口404。微震信号到时拾取设备400中的各个组件通过总线***405耦合在一起。可以理解，总线***405用于实现这些组件之间的连接通信。总线***405除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图4中将各种总线都标为总线***405。

其中，用户接口403可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。

可以理解，存储器402可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。

本发明实施例中的存储器402用于存储各种类型的数据以支持微震信号到时拾取方法的执行。这些数据的示例包括：用于在移动设备400上运行的任何计算机程序，如可执行程序4021，实现本发明实施例的微震信号到时拾取方法的程序可以包含在可执行程序4021中。

本发明实施例揭示的微震信号到时拾取方法可以应用于处理器401中，或者由处理器401实现。处理器401可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，微震信号到时拾取方法的各步骤可以通过处理器401中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器401可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，DigitalSignal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器401可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器402，处理器401读取存储器402中的信息，结合其硬件完成本发明实施例提供的微震信号到时拾取方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种存储介质，存储介质可以包括：移动存储设备、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。所述可读存储介质存储有计算机程序；所述计算机程序用于被处理器执行时实现本发明任一实施例所述的微震信号到时拾取方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理***的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理***的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理***以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理***上，使得在计算机或其他可编程***上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程***上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种微震信号到时拾取方法，其特征在于，包括：

对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时二者中的最大值对应的时刻沿时刻数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时；

所述对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时，包括：

基于第一设定时长区间，采用赤池信息量准则AIC算法拾取到时，确定所述微震信号的初步到时，其中，所述第一设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定；

基于所述初步到时确定第二设定时长区间，进行第二次AIC算法拾取到时，得到所述第一P波到时；

所述对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时，包括：

基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻和所述第一P波到时确定第三设定时长区间；

在所述第三设定时长区间内，基于长短时窗能量比STA/LTA算法拾取到时，得到所述第二P波到时。

2.如权利要求1所述的微震信号到时拾取方法，其特征在于，还包括：

相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值大于所述设定阈值，对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时。

3.如权利要求2所述的微震信号到时拾取方法，其特征在于，所述对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时，包括：

构建阻尼耗能函数；

对所述微震信号在第四设定时长区间内，基于所述阻尼耗能函数进行AIC算法拾取到时，得到最终P波到时。

4.如权利要求3所述的微震信号到时拾取方法，其特征在于，

所述第四设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定。

5.一种微震信号到时拾取装置，其特征在于，包括：

第一到时拾取模块，用于对接收的微震信号进行第一到时拾取处理，确定第一P波到时；

第二到时拾取模块，用于对所述微震信号进行第二到时拾取处理，确定第二P波到时；

零点相交模块，用于相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值小于或等于设定阈值，基于所述第一P波到时和所述第二P波到时二者中的最大值对应的时刻沿数值变小的方向搜索，确定第一个与所述微震信号的振幅零点相交的时刻为最终P波到时；

所述第一到时拾取模块具体用于：

基于第一设定时长区间，采用赤池信息量准则AIC算法拾取到时，确定所述微震信号的初步到时，其中，所述第一设定时长区间基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻确定；

基于所述初步到时确定第二设定时长区间，进行第二次AIC算法拾取到时，得到所述第一P波到时；

所述第二到时拾取模块具体用于：

基于所述微震信号能量最强位置对应的时刻和所述第一P波到时确定第三设定时长区间；

在所述第三设定时长区间内，基于长短时窗能量比STA/LTA算法拾取到时，得到所述第二P波到时。

6.如权利要求5所述的微震信号到时拾取装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三到时拾取模块，用于相应于所述第一P波到时与所述第二P波到时的差值大于所述设定阈值，对所述微震信号进行第三到时拾取处理，确定最终P波到时。

7.一种微震信号到时拾取设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现如权利要求1至4任一所述的微震信号到时拾取方法。

8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4任一所述的微震信号到时拾取方法。

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