一种微震信号p波初至点综合拾取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，尤其是设及一种微震信号P波初至点综合拾取方 法。
【背景技术】
[0002] 微震监测技术作为一种先进且行之有效的区域灾害监测和预测手段，在国内外矿 山工程、油气开采、边坡稳定和隧道工程等领域得到了广泛应用。微震监测技术主要包括： 监测台网布置、数据处理和微震事件定位(Ge，2005)，而微震信号P波初至点拾取是数据处 理的核屯、工作之一。目前，主要采用人工拾取P波初至点，但人工拾取效率低，且易受个人因 素影响。为此，研究一种精度高、稳定性好的P波初至点拾取方法非常重要。
[0003] Stevenson( 1976)提出了长短时窗均值比（STA/LTA)法，A1 len( 1978，1982)、Baer& Krado 1 f er (1987)、Ear 1 e&Shearer (1994)和刘哈閲长建中（2014)等提出了 不同的 STA/LTA特 征函数，增强了 STA/LTA值对微震信号幅值和频率变化的响应;Saragiotis等（2002，2004) 提出了基于高阶统计量-偏度和峰度的PAI-S/K法，Galiana-Merino等(2008)、脚perkoch等 (2010)和Bai 1 lard等(2014)结合小波分解或改进拾取的功能函数，实现PAI-S/K法的提升 拾取；Maeda(1985)提出了无需使用AR系数的VAR-AIC法，Sleeman&van Eck(1999)和 LeonarcK 1999，2000)提出了自回归池赤准则(AR-AIC)法。STA/LTA法利用了P波初至点微震 信号幅值和频率的变化，该算法简单易懂、计算速度快，但其采用阀值触发点作为P波初至 点：阀值较小时，微震信号容易被噪音提前触发；阀值较大时，微震信号可能不被触发或触 发较晚，致使误差较大，由此很难找到一个适合不同波形的阀值。PAI-K法和AIC法充分利用 了 P波初至前后微震信号的奇异性，拾取精度较高（图3和表2)，但易受低信噪比、尖刺和尾 部振荡信号影响（图2)，拾取稳定性较差。
[0004] 可见现有的微震信号P波初至点拾取方法存在很大的局限，需要研究一种拾取精 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微震信号P波初至点综合拾取方法，该微 震信号P波初至点综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] -种微震信号P波初至点综合拾取方法，包括W下步骤：
[000引步骤1:导入微震时间序列x(n)
[0009] 导入微震时间序列X(n)(n = l，2,…，N)，其中N为微震信号的总采样点数，取N = 4000~7000,微震信号采样频率f = 4000~7000Hz;
[0010] 步骤2:拾取STA/LTA法首个阀值触发点ki
[0011] 由公式
十算X(n)的长短时窗均值比值STA化)/LTA(k)，k为 第k个采样点，k=WLTA，WLTA+l，…，N，取STA/LTA首个阀值触发点作为第一P波初至点ki;
[0012] 其中，STA/LTA阀值λ取2~3;
[OOU] 其中，Wsta、Wlta分别为短、长时窗采样点个数，Wsta=50~70，Wlta=500~700;
[0014] 步骤3:拾取PAI-K法峰度最大值点k2
[0015] 由公iS
3计算χ(η)的峰度值K(k)，k = M，M+ 1，…，N，取峰度最大值点作为第二P波初至点k2。
[0016] 其中
Μ为滑动时窗的长度，M = 200~300;
[0017] 步骤4:拾取AIC法自相关最小值点k3
[001 引 由公式AlC(k) =k · log{va;r(x[ 1 ,k]) } + (N-k_l) · log{va;r(x[k+l ,Ν])}计算x(n) 的自相关值AI(Xk)，k=l，2,…，N，取自相关最小值点作为第ΞΡ波初至点k3。
[0019] 其中，var(x[l，k])为第1点至第k点的微震时间序列方差，var(x比+1，N])为第k+1 点至第N点的微震时间序列方差；
[0020] 步骤5:综合法确定P波初至点k
[0021 ] 综合法确定P波初至点k:(l)ki无拾取时，取k = k3;(2)ki有拾取时:① Iki-ksI <曰， 取k = k3;② |lu-k21 < a，且 I lu-k31〉日，取k = k2;③ I lu-k21〉日，且 I lu-k31〉日，取k = ki。
[0022] 其中，a = 180 ~300。
[0023] 误差范围a由STA/LTA法与PAI-K法、AIC法拾取结果合理差值确定:误差范围过小， 则会减少PAI-K法和AIC法拾取结果的比例，最终拾取结果误差较大;误差范围过大，则可能 取PAI-K法和AIC法得到的不稳定结果。经过试验得到a = 180~300为合理值。
[0024] 有益效果：
[0025] 本发明提供的一种微震信号P波初至点综合拾取方法，主要解决STA/LTA法无拾取 事件较多、拾取精度较低，PAI-K法和AIC法拾取稳定性较差的问题。本方法包括如下步骤： 导入微震时间序列数据;拾取STA/LTA法首个阀值触发点ki;拾取PAI-K法峰度最大值点k2; 拾取AIC法自相关最小值点k3;综合法确定P波初至点k: (l)ki无拾取时，k = k3; (2)ki有拾取 时：① I k广k31 < a，取k = k3;② I k广k21 < a，且 I lu-k31〉a，取k = k2;③ I lu-k21〉a，且 I lu-k31〉a， 取k = ki。本发明借助于STA/LTA法有拾取时稳定性较好，PAI-K法和AIC法拾取精度较高，且 AIC法的稳定性和精度均优于PAI-K法的特性(图3和表2): STA/LTA法的ki无拾取时，取拾取 结果较优的k3作为P波初至点；STA/LTA法有拾取时，ki即为P波大致初至点，再设定ki与k2、k3 的允许误差范围a,排除PAI-K法和AIC法稳定性较差的问题，从而提高P波初至点拾取的稳 定性和精度。此方法具有处理简便、适用性强、准确性高等特点。
【附图说明】
[00%]图1是本发明所述方法流程图。
[0027] 图2是STA/LTA、PAI-K和AIC法拾取典型案例图。其中，（a)、（b)为起振明显信号， (C)为信噪比低，起振不明显信号，（d)为尾部振荡严重信号，（e)为含尖刺信号。
[0028] 图3是STA/LTA、PAI-K和AIC法工程拾取误差图。
[0029] 图4是综合法工程拾取误差图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图1~4,对本发明提出的一种综合拾取方法作进一步说明。
[0031] 本发明算法思想的描述如下：针对微震信号P波初至点STA/LTA法无拾取事件较 多、拾取精度较低，PAI-K法和AIC法拾取稳定性较差的问题，提出一种微震信号P波初至点 综合拾取法，该方法借助于STA/LTA法有拾取时稳定性较好，PAI-K法和AIC法拾取精度较 高，且AIC法的稳定性和精度均优于PAI-K法的特性(图3): STA/LTA法无拾取时，取拾取结果 较优的k3作为P波初至点；STA/LTA法有拾取时，ki即为P波大致初至，再设定ki与k2、k3的允许 误差范围a,排除PAI-K法和AIC法稳定性较差的问题，从而提高P波初至点拾取的稳定性和 精度。
[0032] 如图1所示，一