基于時(shí)窗能量熵法的微震P波到時(shí)拾取

夏芳芳 李貞良

【摘要】 P波的自動拾取是微震檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是實(shí)現(xiàn)震源定位的首要條件。針對P波震相拾取的特點(diǎn)，在對長短時(shí)窗平均（STA/LTA）算法分析研究的基礎(chǔ)上，對其能量特征函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，解決了原STA/LTA拾取的到時(shí)點(diǎn)變化幅度過小及觸發(fā)點(diǎn)與實(shí)際到時(shí)點(diǎn)有誤差的問題。針對STA/LTA算法長短窗大小選取困難的缺點(diǎn)，提出了基于時(shí)窗能量熵法的微震到時(shí)拾取，它將滑動時(shí)窗進(jìn)行二等分，計(jì)算每個(gè)時(shí)窗的能量，然后將其作為能量特征計(jì)算總滑動時(shí)窗的能量熵。根據(jù)能量熵的變化情況得出微震P波到時(shí)。研究結(jié)果表明，對典型的高信噪比微震信號，此方法拾取結(jié)果與人工拾取基本一致。

【關(guān)鍵詞】 微震 到時(shí)拾取 長短時(shí)窗平均 時(shí)窗能量熵

引言

近年來，隨著我國礦井逐年增加的開采深度，井下重大惡性事故頻發(fā)，因此微震檢測技術(shù)成為了煤礦開采產(chǎn)業(yè)的重中之重，自動化微震檢測技術(shù)對礦山的安全開采和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義和作用。利用此技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)報(bào)礦山活動情況和危險(xiǎn)狀況，對井下開采過程進(jìn)行實(shí)時(shí)化的監(jiān)控，也可以為礦山設(shè)計(jì)提供安全的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生，保證煤礦開采的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

一、STA/LTA算法

STA/LTA是目前應(yīng)用廣泛的一種微震信號P波到時(shí)自動拾取的方法，它的主要原理是用特征函數(shù)計(jì)算滑動長時(shí)窗和短時(shí)窗的能量平均值，長時(shí)窗平均值（LTA）主要反應(yīng)的是信號背景噪聲的變化趨勢，短時(shí)窗平均值（STA）主要反應(yīng)的是微地震信號的能量變化趨勢[1]。當(dāng)信號到達(dá)時(shí)，短時(shí)窗平均值增加的幅度比長時(shí)窗平均值要大，相應(yīng)的STA/LTA值會有一個(gè)較大的變化，當(dāng)其值大于一個(gè)用戶設(shè)定的閾值時(shí)，此極值點(diǎn)就認(rèn)為是微震P波到時(shí)。

實(shí)驗(yàn)表明在所有地震波中，P波擁有最快的傳遞速度，因此地震發(fā)生時(shí)，P波是最早抵達(dá)測站，并被地震儀紀(jì)錄下來的地震波[2]。每一個(gè)微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，對接收到的微震信號進(jìn)行處理、分析，可作為評價(jià)巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。對P波的精確拾取對于微震震源定位和解釋震源機(jī)制有著重要的意義，但人工查看信號圖和拾取P波到時(shí)既耗時(shí)又耗費(fèi)人力。

目前應(yīng)用廣泛的微震到時(shí)自動拾取方法有基于時(shí)間域信號能量變化構(gòu)建特征函數(shù)提出的長短時(shí)窗平均（STA/ LTA），此方法的原理可以簡單理解為將短時(shí)窗的右側(cè)與長時(shí)窗右側(cè)對齊同時(shí)滑動，待測信號同時(shí)進(jìn)入長短時(shí)窗，并且短時(shí)窗變化靈敏，當(dāng)值達(dá)到極值點(diǎn)時(shí)對應(yīng)微震初至到時(shí)。可以得到此時(shí)STA/LTA的極值點(diǎn)與微震P波到時(shí)基本一致，并且極值點(diǎn)的跳躍幅度較大，易于閾值的選取[3]。此STA/ LTA算法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，時(shí)間成本較低等，但是長短時(shí)窗窗口需分別選取，并且大小設(shè)定較為困難，由此我們引入了基于時(shí)窗能量熵法的微震到時(shí)拾取。

二、基于時(shí)窗能量熵法的微震到時(shí)拾取

信息熵是由信息論創(chuàng)始人香農(nóng)提出來的，他用信息熵的概念來描述信源的不確定度，其目的是為了研究在收到一個(gè)信號前如何科學(xué)的度量結(jié)果的不確定性[4]。本文將長短時(shí)窗的特征函數(shù)引入能量熵的概念，能量熵反應(yīng)的是滑動時(shí)窗內(nèi)的振動信號總能量的不確定度；然后將長時(shí)窗二等分，得到前后兩個(gè)短時(shí)窗，當(dāng)時(shí)窗滑動時(shí)，前后時(shí)窗的能量分布發(fā)生改變，能量熵值大小隨之變化，得到信號能量熵隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)振動信號能量突變，集中在某一個(gè)時(shí)窗內(nèi)時(shí)，振動信號的不確定性減小，即能量熵減小。越集中則能量熵也就越小。當(dāng)前后時(shí)窗的能量值大小相當(dāng)時(shí)，能量熵值達(dá)到最大。

時(shí)窗在待測信號上滑動大致可分為四種情況：時(shí)窗未到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)，后時(shí)窗到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)，前時(shí)窗到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)，時(shí)窗經(jīng)過初至點(diǎn)時(shí)。時(shí)窗未到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)，由于能量分布較均勻，信號不確定性大，能量熵值較大；后時(shí)窗到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)，后時(shí)窗能量開始顯著增大，能量分布開始逐漸集中于后時(shí)窗，信號不確定性開始減小，能量熵值隨之減?。磺皶r(shí)窗到達(dá)初至點(diǎn)時(shí)能量熵值達(dá)到最小值；待測信號進(jìn)入前時(shí)窗時(shí)，能量分布趨向均勻，能量熵值增大。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，時(shí)間成本較低，并且只需一個(gè)時(shí)窗大小的選取。

三、結(jié)論

P波的自動拾取是微震檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是實(shí)現(xiàn)震源定位的首要條件。針對P波震相拾取的特點(diǎn)，本文在對長短時(shí)窗平均（STA/LTA）算法分析研究的基礎(chǔ)上，對其算法的能量特征函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使其更加易于微震到時(shí)點(diǎn)的選取及提高微震到時(shí)點(diǎn)拾取的準(zhǔn)確性，并提出了基于時(shí)窗能量熵法的微震P波到時(shí)拾取。對典型的高信噪比微震信號，此方法拾取結(jié)果與人工拾取基本一致，并在時(shí)窗選取上優(yōu)于STA/LTA算法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Allen R V. Automatic earthquake recognition and timing from single traces. Bull. Seismol. Soc. Amer. ， 1978， 68（5）： 1521-1532.

[2]馬強(qiáng)，金星，李山有，陳緋雯，廖詩榮，韋永祥.用于地震預(yù)警的P波震相到時(shí)自動拾取[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，07：2313-2321.

[3]梁喆，彭蘇萍，鄭晶. 基于EMD和互信息熵的微震信號自適應(yīng)去噪[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014，04：7-11+32.

[4]張超，陳建軍，郭迅. 基于EMD能量熵和支持向量機(jī)的齒輪故障診斷方法[J]. 振動與沖擊，2010，10：216-220+261.