一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，使其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)经EMD分解后得到一系列IMF分量，这些IMF分量按频率从大到小顺序排列，剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。该方法能充分保留微震信号固有的非平稳、非线性特征，具有自适应性且实时性较强，能对低信噪比微震信号进行有效消噪滤波。
【专利说明】一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种消噪滤波方法，具体的说，涉及一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，属于信息处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微震技术通过监测井下煤岩破裂引发的微震动信号实现对冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井突水等煤矿动力灾害的监测预警，但井下布设的拾震器获取的信号往往夹杂有机械震动、爆破、运输等多种环境噪声，这些噪声能量较大甚至将煤岩破裂引发的微震信号淹没其中，使得有效微震信号无法提取，严重干扰了微震监测系统的正常功能，因此，如何在低信噪比信号中准确辨识有效微震信号变得极为困难。由于微震是非平稳随机信号，基于平稳随机过程的传统信号消噪滤波方法无法胜任。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提出一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，克服了现有技术无法提取有效微震信号的缺陷，采用本发明所述的经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)对含噪微震信号进行分解,形成多个不同的固有模式函数(Intrinsic Mode Function, MF)分量，这些MF分量按照频率从高到低的次序依次排列，因为微震多为低频振动，故可将分解得到的高频IMF剔除，重构剩余分量即可实现低信噪比微震信号的有效消噪滤波。
[0004]为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下:一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，其特征在于:所述消噪滤波方法包括以下步骤:
步骤SlOl:读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0, 1，...，T，然后进入步骤S102 ；
在步骤S102:对含噪微震信号X (t)进行EMD分解，分解终止条件有两个:
X在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差I
个；
S在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X (t)经EMD分解后得到一系列MF分量，这些MF分量按频率从大到小顺序排列，然后进入步骤S103;
步骤S103:剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。
[0005]一种优化方案，所述对含噪微震信号X(t)进行EMD分解包括以下步骤:
开始于步骤S201:找出曲线X(t)上的局部极大值，然后进入步骤S202 ；
在步骤S202:采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，然后进入步骤S203 ；
在步骤S203:找出曲线X(t)上的局部极小值，然后进入步骤S204 ；在步骤S204:用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，然后进入步骤
5205；
在步骤S205:根据上包络线与下包络线得到均值包络线，记为m(t)，然后进入步骤
5206；
在步骤S206:求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，记为h(t)，贝U:h (t) =X (t) -m (t),然后进入步骤 S207 ；
在步骤S207:判断差值h(t)是否满足EMD分解终止的两个条件，如果是，则进入步骤S208 ;否则，令X(t)=h(t)，返回步骤S201继续分解；
在步骤S208，经过k次迭代分解后，满足前述EMD分解终止的两个条件，就得到了含噪微震信号X (t)的一个MF分量c (t)，然后进入步骤S209 ；
在步骤S209:从含噪微震信号X(t)中减去该信号的高频部分c (t)，得到频率较低的信号残差r (t)，即r (t) =X (t) -C (t)，然后进入步骤S210 ；
在步骤S210，判断信号残差r (t)是否可分解，如果是，令X (t) =r (t)，返回步骤S201继续分解，否则，进入步骤S211 ；
在步骤S211，经过η次分解，得到一系列的MF分量Ci (t)，i=l，2，…，η和最后一个不可分解的信号残差res.。 [0006]进一步地，所述EMD分解终止的两个条件可表示为:
【权利要求】
1.一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，其特征在于:所述消噪滤波方法包括以下步骤: 步骤SlOl:读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0, 1，...，T，然后进入步骤S102 ； 在步骤S102:对含噪微震信号X (t)进行EMD分解，分解终止条件有两个: 3}在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差I个； S在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X (t)经EMD分解后得到一系列MF分量，这些MF分量按频率从大到小顺序排列，然后进入步骤S103; 步骤S103:剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。
2.如权利要求1所述的消噪滤波方法，其特征在于:所述对含噪微震信号X(t)进行EMD分解包括以下步骤: 开始于步骤S201:找出曲线X(t)上的局部极大值，然后进入步骤S202 ； 在步骤S202:采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，然后进入步骤S203 ； 在步骤S203:找出曲线X(t)上的局部极小值，然后进入步骤S204 ； 在步骤S204:用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，然后进入步骤5205； 在步骤S205:根据上包络线与下包络线得到均值包络线，记为m(t)，然后进入步骤5206； 在步骤S206:求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，记为h(t)，贝U:h (t) =X (t) -m (t),然后进入步骤 S207 ； 在步骤S207:判断差值h(t)是否满足EMD分解终止的两个条件，如果是，则进入步骤S208 ;否则，令X(t)=h(t)，返回步骤S201继续分解； 在步骤S208，经过k次迭代分解后，满足前述EMD分解终止的两个条件，就得到了含噪微震信号X (t)的一个MF分量c (t)，然后进入步骤S209 ； 在步骤S209:从含噪微震信号X(t)中减去该信号的高频部分c (t)，得到频率较低的信号残差r (t)，即r (t) =X (t) -C (t)，然后进入步骤S210 ； 在步骤S210，判断信号残差r (t)是否可分解，如果是，令X (t) =r (t)，返回步骤S201继续分解，否则，进入步骤S211 ； 在步骤S211，经过η次分解，得到一系列的MF分量Ci (t)，i=l，2，…，η和最后一个不可分解的信号残差res.。
3.如权利要求2所述的消噪滤波方法，其特征在于:所述EMD分解终止的两个条件可表示为:
【文档编号】E21F17/18GK103982241SQ201410184828
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】孙红梅, 贾瑞生, 赵同彬, 傅游, 于建志 申请人:山东科技大学