一种提高矿用微震检波器信噪比的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高矿用微震检波器信噪比的方法，该方法包括：在矿用微震检波器信中的检波器敏感单元最大灵敏度方向上安装n+1个检波器敏感单元；分析同一方向上的n+1个通道信号的频谱相关性，提取有效信号，实现随机噪声的抑制；并通过设置单个检波器敏感单元的过采样率，利用随机噪声的不相关，对同一检波器敏感单元过采样数据进行均值降噪，从而提高信噪比。通过采用本发明公开的方法，提高了对能量、频率等参数信息均未知震源信号的拾取能力，且有效的抑制了随机噪声的干扰，提高了信噪比。
【专利说明】—种提高矿用微震检波器信噪比的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发明涉及矿山安全应用【技术领域】，尤其涉及一种提高矿用微震检波器信噪比的方法。
【背景技术】
[0002]矿山开采中，由于岩体开挖后，破坏了原岩应力平衡状态，岩体中的应力重新分布，从而产生围岩变形、移动和破坏，引起岩层塌陷，严重威胁矿山井下工作人员的安全。矿山岩体在变形破坏的整个过程中几乎都伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦，积聚的能量在释放的过程中，产生微震事件。微震事件被矿山微震监测系统中的分别安装在岩体不同位置的检波器(传感器)采集，并转化为微震信号，通过判断微震信号到达每个检波器的时刻，结合各个检波器自身坐标，可以定位出微震事件发生的位置，即震源的位置，再经过微震信号的分析可以进一步推测出岩体发生破坏的方式及程度等信息。
[0003]矿山微震监测系统根据地压活动的一般规律，实时完成微震事件的采集，通过对微震事件监测结果的分析，为矿山安全生产提供有效预警和治理，确保安全、高效的开采地下矿产资源。
[0004]其中，检波器是矿山微震监测系统拾取信号的源头，常以工作原理的不同划分为速度型检波器和加速度型检波器，以结构不同划分单分量检波器和三分量检波器。通常，检波器拾取到的微震信号为极其微弱的模拟信号，极易受到外界随机干扰噪声的影响，如环境噪声、次生噪声、系统噪声等，使微弱的有效信号被干扰噪声淹没，妨碍了有效信号拾取，从而直接影响到微震监测系统后期数据分析的准确性。因此，设计高信噪比的矿用检波器对于矿山微震监测系统发挥安全监测作用有着重要意义。
[0005]现有技术中，只有通过以下两种方法提高检波器的信噪比:
[0006]I)采用可控震源激励，勘探检波器接收可控震源的产生震动事件，为了提高检波器拾取有效信号的能力，往往通过增大震源能量的方式使检波器拾取震动事件后，转化为幅值较大的震动信号。此外，在不改变震动事件能量的前提下，为提高检波器采集信号的信噪比，常采用多个检波器进行串联、并联或两种混合的组合方式，通过调整检波器的布局及间距、增加检波器数量等具体措施，将多个检波器拾取到的已知信号进行叠加作为单个信道数据，使多个检波器拾取的信号因叠加而增强。但是，地震勘探中震源多为已知可控震源，而矿山微震监测属于被动监测未知参数信息的震源，无法通过增强震源能量的方式，提高检波器拾取有效信号的能力；并且，矿山微震监测是通过多个分布安装的检波器信道拾取未知微震事件的到时，并结合各个检波器自身坐标，实现微震事件定位分析，而通过这种检波器组合方式来合成一个信道的方案无法定义微震事件到时、检波器坐标，不适用微震事件的定位；另外，由于矿山微震监测与地震勘探两者所采集信号的频率范围不同，微震检波器要保证其高灵敏度和宽频带，因此，微震检波器成本较高，若采用多个检波器组合的方式无疑增加了微震监测系统应用成本。
[0007]2)在矿山微震监测应用中，检波器常见安装方式有表面安装和深孔安装。检波器采集微震信号的过程中，随机噪声无处不在，随机噪声的来源大致可以分为二种:一是岩体表面微震，如人为因素引起的震动；二是检波器的本底噪声。因此，为提高检波器采集信号的信噪比，常通过可靠安装、后续信号处理等方式，实现随机噪声的抑制。首先，采用可靠安装方式:检波器的表面安装实现与岩体间有效传递震动的连接方式，尽量避免因不可靠安装降低检波器拾取微震信号的能力；检波器的深孔安装通过在岩体上钻孔，将检波器放入孔内并灌封泥浆完成安装，防止因灌浆密封效果差造成震动信号衰减。其次，采用信号处理方式:通过检波器拾取到微震信号后，对信号进行滤波、阈值降噪，提高检波器采集信号的信噪比。但是，采用可靠安装的方式只能降低微震信号到检波器传递过程的衰减，而此过程中噪声与信号同时被无衰减地传递，并没有起到随机噪声的抑制作用；且通过信号处理的方式，不能从信号获取的源头抑制干扰噪声，加上微震检波器拾取的信号的频率、幅值等均未知，无法准确设置阈值及滤波方式对信号进行降噪；另外，后续信号处理过程中又会引入微震监测系统其他设备的本底噪声，进一步增大了有效信号提取的难度。因此，这样既增加了后续抑制干扰噪声的难度，也很难较好地实现干扰噪声的抑制。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种提高矿用微震检波器信噪比的方法，提高了对能量、频率等参数信息均未知震源信号的拾取能力，且有效的抑制了随机噪声的干扰，提高了信噪比。
[0009]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0010]一种提高矿用微震检波器信噪比的方法，该方法包括:
[0011]在矿用微震检波器信中的检波器敏感单元最大灵敏度方向上安装n+1个检波器敏感单元；
[0012]分析同一方向上的n+1个通道信号的频谱相关性，提取有效信号，实现随机噪声的抑制；并通过设置单个检波器敏感单元的过采样率，利用随机噪声的不相关，对同一检波器敏感单元过采样数据进行均值降噪，从而提高信噪比。
[0013]进一步的，同一方向上的n+1个检波器敏感单元拾取振动信号在时域下叠加后的表达式为:
【权利要求】
1.一种提高矿用微震检波器信噪比的方法，其特征在于，该方法包括: 在矿用微震检波器信中的检波器敏感单元最大灵敏度方向上安装n+1个检波器敏感单元； 分析同一方向上的n+1个通道信号的频谱相关性，提取有效信号，实现随机噪声的抑制；并通过设置单个检波器敏感单元的过采样率，利用随机噪声的不相关，对同一检波器敏感单元过采样数据进行均值降噪，从而提高信噪比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，同一方向上的n+1个检波器敏感单元拾取振动信号在时域下叠加后的表达式为:
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，输入信号V(t)包括:有效信号和随机噪声，表不为:
V(t) =s (t) +n (t)。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述分析同一方向上的n+1个通道信号的频谱相关性，提取有效信号，实现随机噪声的抑制包括: 当同一方向上的n+1个检波器敏感单元进行信号叠加后，输出信号为:
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述通过设置单个检波器敏感单元的过采样率，利用随机噪声的不相关，对同一检波器敏感单元过采样数据进行均值降噪，从而提高信噪比包括: 将所述单个检波器敏感单元的过采样率设为大于被测微震信号频率L倍，当同一个检波器敏感单元实现过采样时，由于过采样频率远大于被采集振动信号频率，其过采样输出信号为:
【文档编号】G01V1/18GK103852784SQ201410090687
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】杨小聪, 冀虎, 张达, 刘冠洲 申请人:北京矿冶研究总院