一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法
2023-05-13 21:17:01
一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法，該方法包括：在礦用微震檢波器信中的檢波器敏感單元最大靈敏度方向上安裝n+1個檢波器敏感單元；分析同一方向上的n+1個通道信號的頻譜相關性，提取有效信號，實現隨機噪聲的抑制；並通過設置單個檢波器敏感單元的過採樣率，利用隨機噪聲的不相關，對同一檢波器敏感單元過採樣數據進行均值降噪，從而提高信噪比。通過採用本發明公開的方法，提高了對能量、頻率等參數信息均未知震源信號的拾取能力，且有效的抑制了隨機噪聲的幹擾，提高了信噪比。
【專利說明】—種提高礦用微震檢波器信噪比的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及本發明涉及礦山安全應用【技術領域】，尤其涉及一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法。
【背景技術】
[0002]礦山開採中，由於巖體開挖後，破壞了原巖應力平衡狀態，巖體中的應力重新分布，從而產生圍巖變形、移動和破壞，引起巖層塌陷，嚴重威脅礦山井下工作人員的安全。礦山巖體在變形破壞的整個過程中幾乎都伴隨著裂紋的產生、擴展、摩擦，積聚的能量在釋放的過程中，產生微震事件。微震事件被礦山微震監測系統中的分別安裝在巖體不同位置的檢波器(傳感器)採集，並轉化為微震信號，通過判斷微震信號到達每個檢波器的時刻，結合各個檢波器自身坐標，可以定位出微震事件發生的位置，即震源的位置，再經過微震信號的分析可以進一步推測出巖體發生破壞的方式及程度等信息。
[0003]礦山微震監測系統根據地壓活動的一般規律，實時完成微震事件的採集，通過對微震事件監測結果的分析，為礦山安全生產提供有效預警和治理，確保安全、高效的開採地下礦產資源。
[0004]其中，檢波器是礦山微震監測系統拾取信號的源頭，常以工作原理的不同劃分為速度型檢波器和加速度型檢波器，以結構不同劃分單分量檢波器和三分量檢波器。通常，檢波器拾取到的微震信號為極其微弱的模擬信號，極易受到外界隨機幹擾噪聲的影響，如環境噪聲、次生噪聲、系統噪聲等，使微弱的有效信號被幹擾噪聲淹沒，妨礙了有效信號拾取，從而直接影響到微震監測系統後期數據分析的準確性。因此，設計高信噪比的礦用檢波器對於礦山微震監測系統發揮安全監測作用有著重要意義。
[0005]現有技術中，只有通過以下兩種方法提高檢波器的信噪比:
[0006]I)採用可控震源激勵，勘探檢波器接收可控震源的產生震動事件，為了提高檢波器拾取有效信號的能力，往往通過增大震源能量的方式使檢波器拾取震動事件後，轉化為幅值較大的震動信號。此外，在不改變震動事件能量的前提下，為提高檢波器採集信號的信噪比，常採用多個檢波器進行串聯、並聯或兩種混合的組合方式，通過調整檢波器的布局及間距、增加檢波器數量等具體措施，將多個檢波器拾取到的已知信號進行疊加作為單個信道數據，使多個檢波器拾取的信號因疊加而增強。但是，地震勘探中震源多為已知可控震源，而礦山微震監測屬於被動監測未知參數信息的震源，無法通過增強震源能量的方式，提高檢波器拾取有效信號的能力；並且，礦山微震監測是通過多個分布安裝的檢波器信道拾取未知微震事件的到時，並結合各個檢波器自身坐標，實現微震事件定位分析，而通過這種檢波器組合方式來合成一個信道的方案無法定義微震事件到時、檢波器坐標，不適用微震事件的定位；另外，由於礦山微震監測與地震勘探兩者所採集信號的頻率範圍不同，微震檢波器要保證其高靈敏度和寬頻帶，因此，微震檢波器成本較高，若採用多個檢波器組合的方式無疑增加了微震監測系統應用成本。
[0007]2)在礦山微震監測應用中，檢波器常見安裝方式有表面安裝和深孔安裝。檢波器採集微震信號的過程中，隨機噪聲無處不在，隨機噪聲的來源大致可以分為二種:一是巖體表面微震，如人為因素引起的震動；二是檢波器的本底噪聲。因此，為提高檢波器採集信號的信噪比，常通過可靠安裝、後續信號處理等方式，實現隨機噪聲的抑制。首先，採用可靠安裝方式:檢波器的表面安裝實現與巖體間有效傳遞震動的連接方式，儘量避免因不可靠安裝降低檢波器拾取微震信號的能力；檢波器的深孔安裝通過在巖體上鑽孔，將檢波器放入孔內並灌封泥漿完成安裝，防止因灌漿密封效果差造成震動信號衰減。其次，採用信號處理方式:通過檢波器拾取到微震信號後，對信號進行濾波、閾值降噪，提高檢波器採集信號的信噪比。但是，採用可靠安裝的方式只能降低微震信號到檢波器傳遞過程的衰減，而此過程中噪聲與信號同時被無衰減地傳遞，並沒有起到隨機噪聲的抑制作用；且通過信號處理的方式，不能從信號獲取的源頭抑制幹擾噪聲，加上微震檢波器拾取的信號的頻率、幅值等均未知，無法準確設置閾值及濾波方式對信號進行降噪；另外，後續信號處理過程中又會引入微震監測系統其他設備的本底噪聲，進一步增大了有效信號提取的難度。因此，這樣既增加了後續抑制幹擾噪聲的難度，也很難較好地實現幹擾噪聲的抑制。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法，提高了對能量、頻率等參數信息均未知震源信號的拾取能力，且有效的抑制了隨機噪聲的幹擾，提高了信噪比。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0010]一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法，該方法包括:
[0011]在礦用微震檢波器信中的檢波器敏感單元最大靈敏度方向上安裝n+1個檢波器敏感單元；
[0012]分析同一方向上的n+1個通道信號的頻譜相關性，提取有效信號，實現隨機噪聲的抑制；並通過設置單個檢波器敏感單元的過採樣率，利用隨機噪聲的不相關，對同一檢波器敏感單元過採樣數據進行均值降噪，從而提高信噪比。
[0013]進一步的，同一方向上的n+1個檢波器敏感單元拾取振動信號在時域下疊加後的表達式為:
【權利要求】
1.一種提高礦用微震檢波器信噪比的方法，其特徵在於，該方法包括: 在礦用微震檢波器信中的檢波器敏感單元最大靈敏度方向上安裝n+1個檢波器敏感單元； 分析同一方向上的n+1個通道信號的頻譜相關性，提取有效信號，實現隨機噪聲的抑制；並通過設置單個檢波器敏感單元的過採樣率，利用隨機噪聲的不相關，對同一檢波器敏感單元過採樣數據進行均值降噪，從而提高信噪比。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，同一方向上的n+1個檢波器敏感單元拾取振動信號在時域下疊加後的表達式為:
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，輸入信號V(t)包括:有效信號和隨機噪聲，表不為:
V(t) =s (t) +n (t)。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，所述分析同一方向上的n+1個通道信號的頻譜相關性，提取有效信號，實現隨機噪聲的抑制包括: 當同一方向上的n+1個檢波器敏感單元進行信號疊加後，輸出信號為:
5.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，所述通過設置單個檢波器敏感單元的過採樣率，利用隨機噪聲的不相關，對同一檢波器敏感單元過採樣數據進行均值降噪，從而提高信噪比包括: 將所述單個檢波器敏感單元的過採樣率設為大於被測微震信號頻率L倍，當同一個檢波器敏感單元實現過採樣時，由於過採樣頻率遠大於被採集振動信號頻率，其過採樣輸出信號為:
【文檔編號】G01V1/18GK103852784SQ201410090687
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】楊小聰, 冀虎, 張達, 劉冠洲 申請人:北京礦冶研究總院