基于模糊聚类和赤池信息准则的微震信号到时拾取方法

本发明属于微震监测，具体涉及一种基于模糊聚类和赤池信息准则的微震信号到时拾取方法，用于识别微震信号并拾取初至时刻。

背景技术：

1、随着我国煤炭开采深度的增加，面临的煤矿动力灾害更加频繁，因此冲击地压、顶板灾害等灾害的有效预警是目前亟需解决的工程问题。微震监测技术利用检波器采集大规模岩体失稳、岩层滑移等产生的微震信号，并从微震信号中提取出有效信息，推测出煤岩体的力学状态，能够有效地预防煤矿动力灾害。

2、微震p波初至时刻的拾取是微震定位的基础，其拾取精度的高低直接影响微震监测的预警效果。国内外研究人员提出了许多p波到时拾取方法，其中长短时窗均值比法(sta/lta)与赤池信息量准则法(aic)是目前应用最广泛的方法。sta/lta方法基于波形振幅的突然变化来判断是否为微震信号，算法简单，计算速度快，但拾取精度不高，并且当信噪比较低时难以拾取。aic方法通过求取局部波形段的aic函数最小值所对应的时间作为p波初至时刻，该方法合理应用的前提是已知信号初至时刻的大致位置；而传统aic方法是利用sta/lta方法初步确定微震信号的初至时刻，对信噪比水平较低的微震信号不敏感，拾取效果不稳定，甚至会漏掉微震p波，并依赖于经验选取阈值。

3、为满足微震监测系统的精确性、实时性和稳定性，亟需一种计算效率高、拾取精度高、抗噪声能力强的自动拾取方法。

技术实现思路

1、针对现有aic拾取方法中的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于模糊聚类和赤池信息准则的微震信号到时拾取方法，它能增强抗噪声能力，能初选更准确的p波初至时间窗，对连续的微震数据进行可靠分析，能提高aic拾取法对低信噪比信号的拾取效果。

2、本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

3、步骤1、输入微震序列数据，对原始微震数据进行滤波；

4、步骤2、计算用于聚类的特征函数的时间序列，该特征函数的时间序列包括功率e(i)、峰度k(i)和sta/lta值r(i)；

5、步骤3、通过模糊c均值算法得到聚类结果：

6、模糊c均值算法设置有聚类的个数c和一个用来度量全局最优的目标函数jm，在计算目标函数的过程中，给予并更新每一个数据独有的隶属度u，并通过隶属度u的更新得到每个类别的聚类中心c；通过反复迭代训练，降低目标函数的误差值，当目标函数接近收敛时，得出聚类中心c，并根据数据的隶属度u判定数据所归属的聚类；

7、步骤4、确定包含微震p波到时的到时区间t0；

8、步骤5、精确找出微震信号初至时刻：

9、计算到时区间t0内的aic函数值，并作出aic曲线，再拾取到时区间内aic曲线的最小值点作为精确的微震信号初至时刻。

10、本发明的技术效果是：

11、本发明在步骤2、3使用模糊c均值算法(fcm)改进了现有的aic拾取法，将传统sta/lta方法替换为模糊聚类方法，模糊聚类具有更强的抗噪声能力且计算并不复杂，作为微震信号初拾的方法更为稳健，特别是对低信噪比的信号，解决了现有aic拾取法拾取精度高但计算效率低、低信噪比信号拾取不稳定的问题。

技术特征：

1.基于模糊聚类和赤池信息准则的微震信号到时拾取方法，其特征是，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的微震信号到时拾取方法，其特征是：在步骤2中，计算特征函数的时间序列的公式为：

3.根据权利要求2所述的微震信号到时拾取方法，其特征是：在步骤3中，计算隶属度函数为：

4.根据权利要求3所述的微震信号到时拾取方法，其特征是：在步骤3中，计算隶属度函数按以下步骤：

5.根据权利要求4所述的微震信号到时拾取方法，其特征是：在步骤3中，取m＝2，聚类的数量c＝2，特征向量xi的维数为3，得到两类隶属度结果：一类代表属于噪声的概率u1，另一类代表属于微震信号的概率u2。

6.根据权利要求5所述的微震信号到时拾取方法，其特征是：在步骤4中，设置初始阈值a，确定u2≥a曲线段，得到微震p波初动点a0与结束点a1以及微震p波的估计时长l0，令df表示微震信号的采样率；

技术总结
本发明公开了基于模糊聚类和赤池信息准则的微震信号到时拾取方法，包括以下步骤：步骤1、输入微震序列数据，对原始微震数据进行简单滤波；步骤2、计算用于聚类的特征函数的时间序列的功率E(i)、峰度K(i)和STA/LTA值R(i)；步骤3、通过模糊C均值算法得到聚类结果；步骤4、确定包含微震P波到时的到时区间T<subgt;0</subgt;；步骤5、计算到时区间T<subgt;0</subgt;内的AIC曲线，再拾取局部窗口内AIC曲线的最小值点作为精确的微震信号初至时刻。本发明的技术效果是：用模糊聚类方法替换传统STA/LTA方法，具有更强的抗噪声能力，作为微震信号初拾的方法更为稳健，解决了现有AIC拾取法计算效率低、低信噪比信号拾取不稳定的问题。

技术研发人员：罗永江,王思成,张振宇,郭坤勇,胡千庭
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15