一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法，讀取含噪微震信號監(jiān)測數(shù)據(jù)時序序列X(t)，對含噪微震信號X(t)進行EMD分解，使其極值點個數(shù)和過零點的數(shù)目相等或最多差1個；由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)線和由局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)線的均值為零；含噪微震信號X(t)經(jīng)EMD分解后得到一系列IMF分量，這些IMF分量按頻率從大到小順序排列，剔除高頻IMF分量，對剩余的IMF分量進行重構(gòu)，得到消噪濾波后的微震信號。該方法能充分保留微震信號固有的非平穩(wěn)、非線性特征，具有自適應(yīng)性且實時性較強，能對低信噪比微震信號進行有效消噪濾波。
【專利說明】一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種消噪濾波方法，具體的說，涉及一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法，屬于信息處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微震技術(shù)通過監(jiān)測井下煤巖破裂引發(fā)的微震動信號實現(xiàn)對沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井突水等煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警，但井下布設(shè)的拾震器獲取的信號往往夾雜有機械震動、爆破、運輸?shù)榷喾N環(huán)境噪聲，這些噪聲能量較大甚至將煤巖破裂引發(fā)的微震信號淹沒其中，使得有效微震信號無法提取，嚴重干擾了微震監(jiān)測系統(tǒng)的正常功能，因此，如何在低信噪比信號中準確辨識有效微震信號變得極為困難。由于微震是非平穩(wěn)隨機信號，基于平穩(wěn)隨機過程的傳統(tǒng)信號消噪濾波方法無法勝任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對以上不足，提出一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)無法提取有效微震信號的缺陷，采用本發(fā)明所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)對含噪微震信號進行分解,形成多個不同的固有模式函數(shù)(Intrinsic Mode Function, MF)分量，這些MF分量按照頻率從高到低的次序依次排列，因為微震多為低頻振動，故可將分解得到的高頻IMF剔除，重構(gòu)剩余分量即可實現(xiàn)低信噪比微震信號的有效消噪濾波。
[0004]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法，其特征在于:所述消噪濾波方法包括以下步驟:
步驟SlOl:讀取含噪微震信號監(jiān)測數(shù)據(jù)時序序列X(t)，t=0, 1，...，T，然后進入步驟S102 ；
在步驟S102:對含噪微震信號X (t)進行EMD分解，分解終止條件有兩個:
X在含噪微震信號X(t)的數(shù)據(jù)集中，其極值點個數(shù)和過零點的數(shù)目相等或最多差I(lǐng)
個；
S在任意點，由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)線和由局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)線的均值為零；含噪微震信號X (t)經(jīng)EMD分解后得到一系列MF分量，這些MF分量按頻率從大到小順序排列，然后進入步驟S103;
步驟S103:剔除高頻IMF分量，對剩余的IMF分量進行重構(gòu)，得到消噪濾波后的微震信號。
[0005]一種優(yōu)化方案，所述對含噪微震信號X(t)進行EMD分解包括以下步驟:
開始于步驟S201:找出曲線X(t)上的局部極大值，然后進入步驟S202 ；
在步驟S202:采用三次樣條函數(shù)插值擬合出局部極大值的上包絡(luò)線，然后進入步驟S203 ；
在步驟S203:找出曲線X(t)上的局部極小值，然后進入步驟S204 ；在步驟S204:用三次樣條函數(shù)插值擬合出局部極小值的下包絡(luò)線，然后進入步驟
5205；
在步驟S205:根據(jù)上包絡(luò)線與下包絡(luò)線得到均值包絡(luò)線，記為m(t)，然后進入步驟
5206；
在步驟S206:求出含噪微震信號X(t)與均值包絡(luò)線m(t)之差，記為h(t)，貝U:h (t) =X (t) -m (t),然后進入步驟 S207 ；
在步驟S207:判斷差值h(t)是否滿足EMD分解終止的兩個條件，如果是，則進入步驟S208 ;否則，令X(t)=h(t)，返回步驟S201繼續(xù)分解；
在步驟S208，經(jīng)過k次迭代分解后，滿足前述EMD分解終止的兩個條件，就得到了含噪微震信號X (t)的一個MF分量c (t)，然后進入步驟S209 ；
在步驟S209:從含噪微震信號X(t)中減去該信號的高頻部分c (t)，得到頻率較低的信號殘差r (t)，即r (t) =X (t) -C (t)，然后進入步驟S210 ；
在步驟S210，判斷信號殘差r (t)是否可分解，如果是，令X (t) =r (t)，返回步驟S201繼續(xù)分解，否則，進入步驟S211 ；
在步驟S211，經(jīng)過η次分解，得到一系列的MF分量Ci (t)，i=l，2，…，η和最后一個不可分解的信號殘差res.。 [0006]進一步地，所述EMD分解終止的兩個條件可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦井下低信噪比微震信號消噪濾波方法，其特征在于:所述消噪濾波方法包括以下步驟: 步驟SlOl:讀取含噪微震信號監(jiān)測數(shù)據(jù)時序序列X(t)，t=0, 1，...，T，然后進入步驟S102 ； 在步驟S102:對含噪微震信號X (t)進行EMD分解，分解終止條件有兩個: 3}在含噪微震信號X(t)的數(shù)據(jù)集中，其極值點個數(shù)和過零點的數(shù)目相等或最多差I(lǐng)個； S在任意點，由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)線和由局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)線的均值為零；含噪微震信號X (t)經(jīng)EMD分解后得到一系列MF分量，這些MF分量按頻率從大到小順序排列，然后進入步驟S103; 步驟S103:剔除高頻IMF分量，對剩余的IMF分量進行重構(gòu)，得到消噪濾波后的微震信號。
2.如權(quán)利要求1所述的消噪濾波方法，其特征在于:所述對含噪微震信號X(t)進行EMD分解包括以下步驟: 開始于步驟S201:找出曲線X(t)上的局部極大值，然后進入步驟S202 ； 在步驟S202:采用三次樣條函數(shù)插值擬合出局部極大值的上包絡(luò)線，然后進入步驟S203 ； 在步驟S203:找出曲線X(t)上的局部極小值，然后進入步驟S204 ； 在步驟S204:用三次樣條函數(shù)插值擬合出局部極小值的下包絡(luò)線，然后進入步驟5205； 在步驟S205:根據(jù)上包絡(luò)線與下包絡(luò)線得到均值包絡(luò)線，記為m(t)，然后進入步驟5206； 在步驟S206:求出含噪微震信號X(t)與均值包絡(luò)線m(t)之差，記為h(t)，貝U:h (t) =X (t) -m (t),然后進入步驟 S207 ； 在步驟S207:判斷差值h(t)是否滿足EMD分解終止的兩個條件，如果是，則進入步驟S208 ;否則，令X(t)=h(t)，返回步驟S201繼續(xù)分解； 在步驟S208，經(jīng)過k次迭代分解后，滿足前述EMD分解終止的兩個條件，就得到了含噪微震信號X (t)的一個MF分量c (t)，然后進入步驟S209 ； 在步驟S209:從含噪微震信號X(t)中減去該信號的高頻部分c (t)，得到頻率較低的信號殘差r (t)，即r (t) =X (t) -C (t)，然后進入步驟S210 ； 在步驟S210，判斷信號殘差r (t)是否可分解，如果是，令X (t) =r (t)，返回步驟S201繼續(xù)分解，否則，進入步驟S211 ； 在步驟S211，經(jīng)過η次分解，得到一系列的MF分量Ci (t)，i=l，2，…，η和最后一個不可分解的信號殘差res.。
3.如權(quán)利要求2所述的消噪濾波方法，其特征在于:所述EMD分解終止的兩個條件可表示為:
【文檔編號】E21F17/18GK103982241SQ201410184828
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】孫紅梅, 賈瑞生, 趙同彬, 傅游, 于建志 申請人:山東科技大學(xué)