一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，使其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)经EMD分解后得到一系列IMF分量，这些IMF分量按频率从大到小顺序排列，剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。该方法能充分保留微震信号固有的非平稳、非线性特征，具有自适应性且实时性较强，能对低信噪比微震信号进行有效消噪滤波。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法
本专利技术涉及一种消噪滤波方法，具体的说，涉及一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，属于信息处理

技术介绍
微震技术通过监测井下煤岩破裂引发的微震动信号实现对冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井突水等煤矿动力灾害的监测预警，但井下布设的拾震器获取的信号往往夹杂有机械震动、爆破、运输等多种环境噪声，这些噪声能量较大甚至将煤岩破裂引发的微震信号淹没其中，使得有效微震信号无法提取，严重干扰了微震监测系统的正常功能，因此，如何在低信噪比信号中准确辨识有效微震信号变得极为困难。由于微震是非平稳随机信号，基于平稳随机过程的传统信号消噪滤波方法无法胜任。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对以上不足，提出一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法，克服了现有技术无法提取有效微震信号的缺陷，采用本专利技术所述的经验模态分解（EmpiricalModeDecomposition，EMD）对含噪微震信号进行分解，形成多个不同的固有模式函数（IntrinsicModeFunction，IMF）分量，这些IMF分量按照频率从高到低的次序依次排列，因为微震多为低频振动，故可将分解得到的高频IMF剔除，重构剩余分量即可实现低信噪比微震信号的有效消噪滤波。为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法,包括以下步骤：步骤S101：读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0,1,...,T，然后进入步骤S102；在步骤S102：对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，分解终止条件有两个：①在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；②在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)进行EMD分解详细过程从步骤S201到步骤211；在步骤S201：找出曲线X(t)上的所有局部极大值，局部极大值指的是曲线波峰的顶端值，然后进入步骤S202；在步骤S202：采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，然后进入步骤S203；在步骤S203：找出曲线X(t)上的局部极小值，局部极小值指的是波谷的底端值，然后进入步骤S204；在步骤S204：用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，然后进入步骤S205；在步骤S205：根据上包络线与下包络线得到均值包络线，即计算出上包络线与下包络线的平均值的包络线，记为m(t)，然后进入步骤S206；在步骤S206：求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，记为h(t),则：h(t)=X(t)-m(t)，然后进入步骤S207；在步骤S207：判断差值h(t)是否满足EMD分解终止的两个条件，如果是，则进入步骤S208；否则，将h(t)看做新的时间序列曲线，即X(t)=h(t),返回步骤S201继续分解；所述EMD分解终止的两个条件可表示为：（1）其中，hk(t)是指在第k次迭代过程中信号h(k-1)(t)与其均值包络线m(k-1)(t)之差,即：hk(t)=h(k-1)(t)-m(k-1)(t)；当SD值取为0.2，分解终止；在步骤S208，经过k次迭代后，满足前述EMD分解终止的两个条件，就得到了含噪微震信号X(t)的一个IMF分量，将其记为c(t)，然后进入步骤S209；在步骤S209：从含噪微震信号X(t)中减去该信号的高频部分c(t)，得到频率较低的信号残差r(t)，即：r(t)=X(t)-c(t)，然后进入步骤S210；在步骤S210，判断信号残差r(t)是否可分解，如果是，则将r(t)看做一个新的信号序列，即X(t)=r(t)，返回步骤S201继续分解，否则，进入步骤S211；在步骤S211，经过n次迭代，就可得到一系列的IMF分量ci(t),i=1,2,…,n和最后一个不可分解的信号残差res.，含噪微震信号X(t)可表达如下：（2）含噪微震信号经过EMD分解后，其中IMF1对应c1(t),IMF2对应c2(t)，…，依此类推，signal表示含噪微震信号X(t)；步骤S103：剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号：(3)其中，k取值为3，表示消噪滤波后的微震信号；含噪微震信号X(t)经过EMD分解后得到的第一个IMF分量c1(t)频率最高，第二个IMF分量c2(t)频率次之，…；而微震信号是非平稳的低频信号，因此可将高频部分的IMF分量进行剔除，将余下的IMF分量重构，即可实现含噪微震信号的消噪滤波。本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：依据含噪信号EMD分解结果的频谱特性进行有选择的IMF分量重构，能充分保留微震信号固有的非平稳、非线性特征，消噪滤波算法具有自适应性且实时性较强，能对煤矿井下微震监测系统拾取的低信噪比微震信号进行有效消噪滤波。下面结合实施例和说明书对本专利技术进行进一步说明。附图说明附图1为本专利技术实施例中消噪滤波方法的流程图；附图2为本专利技术实施例中含噪微震信号波形图；附图3为本专利技术实施例中含噪微震信号局部极大值的波形图；附图4为本专利技术实施例中含噪微震信号拟合极大值的上包络线波形图；附图5为本专利技术实施例中含噪微震信号局部极小值的波形图；附图6为本专利技术实施例中含噪微震信号拟合极小值的下包络线波形图；附图7为本专利技术实施例中含噪微震信号均值包络线的波形图；附图8为本专利技术实施例中含噪微震信号与均值包络线的差值波形图；附图9为本专利技术实施例中含噪微震信号的EMD分解示意图；附图10为本专利技术实施例中重构前后微震信号的波形对比图；附图11为本专利技术实施例中含噪微震信号EMD分解的流程图。具体实施方式实施例，如图1所示，一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法,包括以下步骤：步骤S101：读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0,1,...,T，然后进入步骤S102，含噪微震信号曲线如图2所示；在步骤S102：对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，分解终止条件有两个：①在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；②在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)进行EMD分解的流程图如图11所示，EMD分解详细过程从步骤S201到步骤211；在步骤S201：找出曲线X(t)上的所有局部极大值，局部极大值指的是曲线波峰的顶端值，如图3所示，为清晰描述处理过程，附图3至附图8显示的为曲线X(t)上的部分数据，然后进入步骤S202；在步骤S202：采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，见图4，然后进入步骤S203；在步骤S203：找出曲线X(t)上的局部极小值，局部极小值指的是波谷的底端值，见图5，然后进入步骤S204；在步骤S204：用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，见图6，然后进入步骤S205；在步骤S205：根据上包络线与下包络线得到均值包络线，即计算出上包络线与下包络线的平均值的包络线，记为m(t)，见图7，然后进入步骤S206；在步骤S206：求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，见图8，记为h(t),则：h(t)=X(t)-m(t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法, 其特征在于：所述消噪滤波方法包括以下步骤：步骤S101：读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0,1,...,T，然后进入步骤S102；在步骤S102：对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，分解终止条件有两个：在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)经EMD分解后得到一系列IMF分量，这些IMF分量按频率从大到小顺序排列，然后进入步骤S103；步骤S103：剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法,包括以下步骤：步骤S101：读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0,1,...,T，然后进入步骤S102；在步骤S102：对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，分解终止条件有两个：①在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；②在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)进行EMD分解详细过程从步骤S201到步骤211；在步骤S201：找出曲线X(t)上的所有局部极大值，局部极大值指的是曲线波峰的顶端值，然后进入步骤S202；在步骤S202：采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，然后进入步骤S203；在步骤S203：找出曲线X(t)上的局部极小值，局部极小值指的是波谷的底端值，然后进入步骤S204；在步骤S204：用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，然后进入步骤S205；在步骤S205：根据上包络线与下包络线得到均值包络线，即计算出上包络线与下包络线的平均值的包络线，记为m(t)，然后进入步骤S206；在步骤S206：求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，记为h(t),则：h(t)=X(t)-m(t)，然后进入步骤S207；在步骤S207：判断差值h(t)是否满足EMD分解终止的两个条件，如果是，则进入步骤S208；否则，将h(t)看做新的时间序列曲线，即X(t)=h(t),返回步骤S201继续分解；所述EMD分解终止的两个条件可表示为：（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红梅，贾瑞生，赵同彬，傅游，于建志，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37