一种矿山微震信号p波初至时刻联合拾取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，尤其是涉及一种矿山微震信号P波初至时刻联合 拾取方法。
【背景技术】
[0002] 随着深部矿产资源的开发利用，矿山岩爆事故剧增，有效预测岩爆灾害成为刻不 容缓的研宄课题。预测岩爆灾害可为矿山安全提供可靠保障，近年发展起来的微震监测是 对岩爆灾害预警的主要技术之一，且国内外已建立了很多微震监测系统。微震监测系统主 要包括占网布置、波形识别、震相拾取、震源定位、震源机制解释和矿山微震活动预测等，其 中震相拾取是矿山微震识别、震源定位及震源机制解释中最为基础和重要的一步。震相拾 取包括P波和S波初至拾取，然而S波通常叠加于P波尾波中难以拾取，为此工程上一般选 用P波到时拾取，其拾取精度直接影响震源定位并对震源机制分析具有重要意义。
[0003] 目前微震震相初至主要采用人工拾取，但人工拾取受人为因素影响较大，且拾取 数量有限。为此国内外提出了一系列P波初至自动拾取方法，但到目前为止还没有任何一 种算法能够在不同的震源环境、震中距范围、噪声背景下进行微震初至的一致性检测，更不 用说对后续震相初至的有效检测和拾取。拾取方法可分为：时域分析、频域分析、时频分析 和综合分析，且时域分析拾取最为简单实用。常见的时域拾取方法包括：长短时窗平均能量 比法（STA/LTA)、卓越周期法（Tpd)、高阶统计量法（PAI-S/K)和自回归模型（AIC)等。STA/ LTA和Tpd法采用固定阈值拾取：阈值过低，则易拾取到噪音信号；阈值过高，则拾取误差增 大或拾取不到初至。矿山微震信号变化较大，因而固定阈值拾取精度较低。PAI-S/K和AIC 法采用最值拾取，克服了阈值法易受噪音干扰的影响，但单一的PAI-S/K和AIC法存在对低 信噪比、刺突、尾部震荡及纯噪音信号拾取不稳定的问题。
[0004] 可见现有的矿山微震信号P波初至点拾取方法存在很大的局限，需要研宄一种拾 取精度高、稳定性好的自动拾取方法。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种矿山微震信号P波初至时刻联合拾取方 法，该矿山微震信号P波初至时刻联合拾取方法计算简便、适用性强、准确性高。
[0006] 发明的技术解决方案如下：
[0007] -种矿山微震信号P波初至时刻联合拾取方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :提取微震信号X (η)
[0009] 从矿山微震信号中截取待拾取信号X (η) (η = 1，2, ...，Ν)，其中N为所述微震信 号的采样点个数，取N = 4000~6000,微震信号采样频率4000-7000ΗΖ ;Ν的取值与采样频 率有关，不存在固定范围之说，如本专利使用了用沙坝矿区的IMS微震系统，其采样频率为 6000Hz，取4000~6000个采样点即可满足P波到时拾取；
[0010] 步骤2 :计算峰度值K (k)
[0011] 由公式
计算x(n)的滑动峰度值K(k)，k为采 样的第k个点，k = M，M+l，. . .，N，选取K(k)最大值点作为第一 P波初至点k1;
[0012] 其中，
M为滑动时窗的长度，取M = 200~300, M值过大会增 加步骤（2)中峰度值的计算量；
[0013] 步骤3 :计算所述信号x(n)的自相关值AIC(k)
[0014] 由公式 AIC (k) = k · log {var (X [1，k])} + (N-k-l) · log {var (X [k+1，N])}计算 x(n)的自相关值AIC(k)，k= 1，2，...，N，选取AIC(k)最小值点作为第二P波初至点k2;
[0015] 其中，k = 1，2, · · ·，N，
[0016] var (x[l，k])表示第1点至第k点所有信号值的方差，var (x[k+l，N])表示第k+1 点至最后一点所有信号值的方差；
[0017] 步骤4 :PAI_K_AIC联合拾取
[0018] 若Ik1-Ic2I大于阈值L，若是则舍弃该段微震信号，无拾取P波到时；认为该段信号 为低信噪比、刺突、尾部震荡或纯噪音信号，PAI-K和AIC法单独拾取误差可能较大.错误的 P波到时拾取对后续的微震事件定位影响很大，且一个微震事件通常触发很多个传感器，舍 弃几组信号对定位影响不大，提高了定位系统的稳定性，反之则输出P波到时k = k2;其中 L = 50 ~150。
[0019] 由图7知，k2的整体拾取误差较小k i，故输出P波到时k = k2。
[0020] 假定传感器触发点为k3，真实时刻为t3，则P波到时为t = t3+ (k2_k3) * Λ Τ，Λ T为 采样周期。本人所看文献均使用采样点作为P波到时，不存在k2* △ T之说，且采用k点作 为P波到时为本领域常用表示方式。
[0021] 取 N = 4000 或 6000 ;M = 200, L = 100。
[0022] 设定阈值为L，当Ik1-Ic2I > L时，则认为该段信号为低信噪比、刺突、尾部震荡或 纯噪音信号，PAI-K法和AIC法单独拾取误差可能较大，舍弃该段微震信号，无拾取P波到 时；，反之，鉴于AIC法拾取的整体误差较PAI-K法小，输出P波到时k = k2。工程实例（图 7)表明：AIC法拾取的整体误差较PAI-K法小。
[0023] 有益效果：
[0024] 本发明的矿山微震信号P波初至时刻联合拾取方法，主要解决单一 PAI-K法和AIC 法拾取精度较高，但对低信噪比、刺突、尾部震荡及纯噪音信号拾取不稳定的技术问题。本 方法包括如下步骤：提取矿山微震信号波形数据；最大峰度值到时点GO拾取；最小自相 关值到时点（k2)拾取；判定Ik1-Ic2I是否大于阈值L，若是则舍弃该段微震信号，反之则输出 P波到时k = k2。本发明借助于PAI-K法和AIC法单独拾取低信噪比、刺突、尾部震荡及纯 噪音信号时，两者结果相差较大，设定阀值排除上述干扰，从而极大地降低了错误拾取率， 增强了 P波拾取的稳定性。此方法具有处理简便、适用性强、准确性高等特点。
[0025] PAI-K法和AIC法单独拾取低信噪比、刺突、尾部震荡及纯噪音信号时，两者结果 相差较大，设定阀值排除上述干扰，从而极大地降低了错误拾取率，增强了 P波拾取的稳定 性，详见图3~图6。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明所述方法流程图。
[0027] 图2是常规信号PAI_K_AIC拾取图。
[0028] 图3是刺突信号PAI-K_AIC拾取图。
[0029] 图4是尾部震荡信号PAI_K_AIC拾取图。
[0030] 图5是低信噪比信号PAI-K_AIC拾取图。
[0031] 图6是噪音信号PAI-K_AIC拾取图。
[0032] 图7是PAI-K和AIC拾取误差图
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