用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法技术

本发明专利技术属于非平稳数据分析领域的应用，具体涉及一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，包括以下步骤：向原始的地球天然脉冲电磁场信号加入正态分布白噪声，再不断加入正态分布白噪声并对其进行EEMD分解直到得到一组单一频率的IMF分量，再对各IMF分量进行WVD分解计算，最后对WVD分解结果求和。通过本发明专利技术的用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，可获取较为明显的震前时频能量谱的分布异常，从而进行有效的基于地球天然脉冲电磁场分析的孕震信息时频特点研究。

【技术实现步骤摘要】
用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法
本专利技术涉及一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，属于非平稳数据分析领域的应用。
技术介绍
本专利技术属于地震前兆研究与地震预测领域，地震给人类的生活带来了巨大的灾难。据统计，全球的自然灾害之中，地震造成的死亡人数占全部自然灾害死亡人数的54％，堪称自然灾害之最。如何预测地震一直以来都是一个热门敏感的话题。然而，因地震预测有着地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”、“地震物理过程的复杂性”三大困难，地震预测是一种公认的世界性难题，利用观测到的地球天然脉冲电磁场数据难以获取明显的震前时频能量谱的分布异常。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，可获取较为明显的震前时频能量谱的分布异常，从而进行有效的基于地球天然脉冲电磁场分析的孕震信息时频特点研究。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，具体包括以下步骤：(1)向原始的地球天然脉冲电磁场信号加入正态分布白噪声；(2)将加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号作为一个整体进行EEMD分解，得到一组IMF分量；若本步骤得到的一组IMF分量均为单一频率分量，则进入步骤(4)，否则进入步骤(3)；(3)将各IMF分量进行集成平均处理，使其构成一个整体，再向其中加入正态分布白噪声，进行EEMD分解，重复本步骤直到所有IMF分量均为单一频率分量；进入步骤(4)；(4)通过以下公式对各IMF分量进行WVD计算：其中，WVDσi(t,ω)表示第i个IMF分量的WVD分解结果，i表示第i个IMF分量，t表示时域中的时间，ω表示频域中的频率，τ表示时域中的变量，M表示IMF分量的数量，σi表示第i个IMF分量的时域表达式；(5)通过以下公式将各个分量的WVD分解结果进行求和计算：其中，WVDx(t,ω)表示所有分量的WVD的求和结果；(6)利用matlab演算上述步骤，得到二维三维时频谱。所述EEMD分解具体包括以下步骤：(a)对于加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号，或者进行集成平均处理并且加入正态分布白噪声的IMF分量整体，将其作为原始信号x(t)；(b)设置分解次数N，对于每一次分解，向原始信号x(t)中加入均值为0且标准差为常数的白噪声n(t)，得到信号xi(t)＝x(t)+n(t)；对xi(t)进行EMD分解，得到本次分解的IMF分量记为ci(t)，余量为ri(t)。步骤(2)在进行EEMD分解时，可以采用相关系数判断方法对分解的IMF分量进行判别，以剔除虚假分量，其中相关系数r通过以下公式得到：其中，n表示IMF分量数目，xi表示第i个IMF分量的横坐标，yi表示第i个IMF分量的纵坐标，表示所有IMF分量横坐标的均值，表示所有IMF分量纵坐标的均值。相关系数r也可以通过以下公式得到：其中，n表示IMF分量数目，xi表示第i个IMF分量的横坐标，yi表示第i个IMF分量的纵坐标，表示所有IMF分量横坐标的均值，表示所有IMF分量纵坐标的均值。本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于：(1)在进行EEMD分解时对IMF分量进行判别，能够对虚假分量予以尽可能的剔除，有效信号则予以保留，增强了结果的准确性和可靠性；(2)本专利技术对IMF的分解结果作为一个整体合并后不断进行EEMD分解，直到所有IMF分量均为单一频率分量，再进一步进行WVD分解，能够得到高质量的单一频率成分；(3)本专利技术利用EEMD算法对地球天然脉冲电磁场数据这样的大数据进行预处理，再通过WVD算法进行模态分解，能够大幅度提高运算效率；(4)通过本专利技术的步骤可获取较为明显的震前时频能量谱的分布异常，从而进行有效的基于地球天然脉冲电磁场分析的孕震信息时频特点研究。附图说明图1是EEMD分解产生的一组均为单一频率分量IMF分量示意图。图2是WVD分解结果示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供了一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，具体包括以下步骤：(1)向原始的地球天然脉冲电磁场信号加入正态分布白噪声；(2)将加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号作为一个整体进行EEMD分解，得到一组IMF分量；若本步骤得到的一组IMF分量均为单一频率分量，则进入步骤(4)，否则进入步骤(3)；所述EEMD分解具体包括以下步骤：(a)对于加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号，或者进行集成平均处理并且加入正态分布白噪声的IMF分量整体，将其作为原始信号x(t)；(b)设置分解次数N，对于每一次分解，向原始信号x(t)中加入均值为0且标准差为常数的白噪声n(t)，得到信号xi(t)＝x(t)+n(t)；对xi(t)进行EMD分解，得到本次分解的IMF分量记为ci(t)，余量为ri(t)。步骤(2)在进行EEMD分解时，可以采用相关系数判断方法对分解的IMF分量进行判别，以剔除虚假分量，其中相关系数r通过以下公式得到：其中，n表示IMF分量数目，xi表示第i个IMF分量的横坐标，yi表示第i个IMF分量的纵坐标，表示所有IMF分量横坐标的均值，表示所有IMF分量纵坐标的均值。相关系数r也可以通过以下公式得到：其中，n表示IMF分量数目，xi表示第i个IMF分量的横坐标，yi表示第i个IMF分量的纵坐标，表示所有IMF分量横坐标的均值，表示所有IMF分量纵坐标的均值。(3)将各IMF分量进行集成平均处理，使其构成一个整体，再向其中加入正态分布白噪声，进行EEMD分解，重复本步骤直到所有IMF分量均为单一频率分量；进入步骤(4)；经过步骤(2)和/或步骤(3)得到的一组均为单一频率分量IMF分量如图1所示。图中C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13和C15代表的是一次EEMD分解的IMF分量，Res代表的是分解的余量。(4)通过以下公式对各IMF分量进行WVD计算：其中，WVDσi(t,ω)表示第i个IMF分量的WVD分解结果，i表示第i个IMF分量，t表示时域中的时间，ω表示频域中的频率，τ表示时域中的变量，M表示IMF分量的数量，σi表示第i个IMF分量的时域表达式；WVD分解结果如图2所示。图中IMF1、IMF3、IMF5、IMF7、IMF9和IMF10代表的是经过WVD分解的IMF分量，Res代表的是WVD分解的余量。(5)通过以下公式将各个分量的WVD分解结果进行求和计算：其中，WVDx(t,ω)表示所有分量的WVD的求和结果；(6)利用matlab演算上述步骤，得到二维三维时频谱。得到二维三维时频谱结果后，能够得出最佳的信号时频能量谱特性，并进一步分析出震前的孕震信息特点。通过一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，可以获取较为明显的震前时频能量谱的分布异常，得出基于地球天然脉冲电磁场分析孕震信息的有效性。本专利技术可以处理地球天然脉冲电磁场信号数据，本专利技术的结构新颖，效果良好，满足科学分析研究的需要，对地震前兆研究以及非平稳信号的研究有积极的意义。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)向原始的地球天然脉冲电磁场信号加入正态分布白噪声；(2)将加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号作为一个整体进行EEMD分解，得到一组IMF分量；若本步骤得到的一组IMF分量均为单一频率分量，则进入步骤(4)，否则进入步骤(3)；(3)将各IMF分量进行集成平均处理，使其构成一个整体，再向其中加入正态分布白噪声，进行EEMD分解，重复本步骤直到所有IMF分量均为单一频率分量；进入步骤(4)；(4)通过以下公式对各IMF分量进行WVD计算：WVDσi(t,ω)=12π∫∞+∞σi*(t-12τ)σi(t+12τ)eiτωdτ,i=1,2,3...M]]>其中，WVDσi(t,ω)表示第i个IMF分量的WVD分解结果，i表示第i个IMF分量，t表示时域中的时间，ω表示频域中的频率，τ表示时域中的变量，M表示IMF分量的数量，σi表示第i个IMF分量的时域表达式；(5)通过以下公式将各个分量的WVD分解结果进行求和计算：WVDx(t,ω)=Σi=1MWVDσi(t,ω),i=1,2,3...M]]>其中，WVDx(t,ω)表示所有分量的WVD的求和结果；(6)利用matlab演算上述步骤，得到二维三维时频谱。...

【技术特征摘要】
1.一种用于地球天然脉冲电磁场数据处理的时频谱分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)向原始的地球天然脉冲电磁场信号加入正态分布白噪声；(2)将加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号作为一个整体进行EEMD分解，得到一组IMF分量；若本步骤得到的一组IMF分量均为单一频率分量，则进入步骤(4)，否则进入步骤(3)；(3)将各IMF分量进行集成平均处理，使其构成一个整体，再向其中加入正态分布白噪声，进行EEMD分解，重复本步骤直到所有IMF分量均为单一频率分量；进入步骤(4)；所述EEMD分解具体包括以下步骤：(a)对于加入正态分布白噪声的地球天然脉冲电磁场信号，或者进行集成平均处理并且加入正态分布白噪声的IMF分量整体，将其作为原始信号x(t)；(b)设置分解次数N，对于每一次分解，向原始信号x(t)中加入均值为0且标准差为常数的白噪声n(t)，得到信号xi(t)＝x(t)+n(t)；对xi(t)进行EMD分解，得到本次分解的IMF分量记为ci(t)，余量为ri(t)；(4)通过以下公式对各IMF分量进行WVD计算：其中，WVDσi(t,ω)表示第i个IMF分量的WVD分解结果，i表示第i个IMF分量，t表示时域中的时间，ω表示频域中的频率，τ表示时域中的变量，M表示IMF分量的数量，σi表示第i个IMF分量的时域表达式；(5)通过以下公式将各个分量的WVD分解结果进行求和计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：郝国成，骆云彤，殷玉可，赵娟，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42