CN107037480B - 一种滤波通带的低频截止频率的判识方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滤波通带的低频截止频率的判识方法及装置，该判识方法包括：获取地震记录数据和低频截止频率下限，构建低频截止频率为选取的频率值的滤波器，生成地面峰值位移统计曲线和位移时程尾部N秒均值统计曲线，筛选频率值后，将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率；该判识装置包括：地震记录获取单元、滤波器构建单元、位移统计曲线生成单元、位移时程尾部均值统计曲线生成单元、低频截止频率筛选单元及低频截止频率判识单元。本发明不仅能够准确、有效地判识出低频截止频率，而且大大地提高了判识效率；另外，本发明通过将滤波后效果量化的方式避免了低频截止频率判断的主观性。

Description

一种滤波通带的低频截止频率的判识方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，更为具体来说，本发明为一种滤波通带的低频截止频率的判识方法及装置。
背景技术
对于数字强震动记录，需要满足奈奎斯特采样定理，即要使信号采样后能够完整地保留原始信号中的信息，为将信息准确地还原，信号的采样频率必须大于其最高频率的两倍。为合理地消除数字强震动记录中的噪声，需要通过滤波器对数字强震动记录滤波。滤波器中设置的高频截止频率用于滤除高频噪声、低频截止频率用于滤除低频噪声，所以，滤波器中设置合理的高频截止频率和低频截止频率显得尤为重要。
目前，确定低频截止频率的方法包括：经验法、拟速度谱法、震源谱理论法、傅里叶幅值谱法等，但通过这些方法得到的低频截止频率制成的滤波器都无法有效、准确的滤除低频噪声。虽然，有一种方法得到的低频截止频率制成的滤波器可做到有效且准确地滤除低频噪声，即通过滤波后积分速度和位移的效果判定低频截止频率的方法，但是这种方法效率很低，当面对的数据量非常大时，这种方法存在局限性，而且费时费力。
因此，一种有效、准确且效率高的确定低频截止频率的方法，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决现有确定低频截止频率的方法存在准确性差、效率低等问题，本发明公开了一种滤波通带的低频截止频率的判识方法及装置，通过搜索选取的多个频率值的方式准确、高效地判断出低频截止频率。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种滤波通带的低频截止频率的判识方法，该判识方法包括如下步骤，
步骤1，获取地震记录数据和低频截止频率下限，所述低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数；
步骤2，构建至少两个滤波器，所有滤波器的高频截止频率均相同、滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；
步骤3，利用各滤波器分别对地震记录数据滤波，然后生成各滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，所述地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率；如图3所示的地面峰值位移统计曲线，其中fpgd是不同频率滤波后的地面峰值位移，rpgd是未滤波的地面峰值位移。
步骤4，基于所述地面峰值位移统计曲线，分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，其中，N＞5；本实施例中，N＝10，即分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部10秒均值统计曲线；如图4所示的位移时程尾部10秒均值统计曲线，其中end displacement是位移时程尾部10秒均值。
步骤5，筛选频率值，保留的频率值需要同时满足如下的筛选条件：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于0.1cm，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于该频率值对应的均值统计曲线峰值的1/10；
步骤6，将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。
本发明创新地提出了一种根据现有地震记录数据判识低频截止频率的方法，该方法通过深入分析滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线的方式达到筛选不合适的频率值的目的，从而能够准确、高效地得出滤波通带的低频截止频率。
进一步地，步骤2中，所述选取的频率值中，其中一个频率值为0.04Hz；步骤5中，所述预设频率值为0.04Hz。
进一步地，步骤2中，所述滤波器为巴特沃斯滤波器，所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。
进一步地，步骤1中，所述记录持时为40s，所述低频截止频率为0.025Hz。
进一步地，步骤2中，选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。
本发明的另一个发明目的在于提供一种滤波通带的低频截止频率的判识装置，该判识装置包括：
地震记录获取单元，用于获取地震记录数据和低频截止频率下限，所述低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数；
滤波器构建单元，用于构建与频率值具有相同数量的滤波器，所有滤波器的高频截止频率均相同、滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；
位移统计曲线生成单元，用于生成通过各滤波器滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，所述地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率；
位移时程尾部均值统计曲线生成单元，用于分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，其中，N＞5；
低频截止频率筛选单元，用于筛选频率值、保留满足筛选条件的频率值；
低频截止频率判识单元，用于将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。
进一步地，构建的滤波器为巴特沃斯滤波器。
进一步地，所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。
进一步地，所述记录持时为40s，所述低频截止频率为0.025Hz。
进一步地，选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。
本发明的有益效果为：与传统方法相比，本发明不仅能够准确、有效地判识出低频截止频率，而且大大地提高了判识效率；另外，本发明通过将滤波后效果量化的方式避免了低频截止频率判断的主观性。
附图说明
图1为本发明的滤波通带的低频截止频率的判识方法流程示意图。
图2为本发明的滤波通带的低频截止频率的判识装置组成示意图。
图3为纵坐标为fpgd、rpgd比值的地面峰值位移统计曲线。
图4为位移时程尾部10秒均值统计曲线。
图5为编号051YAL130420113401的地震记录数据地面峰值位移统计曲线示意图。
图6为编号051YAL130420113401的地震记录数据通过低频截止频率0.04Hz、高频截止频率35Hz的滤波器后的地面峰值位移统计曲线示意图。
图7为编号051YAL130420113401的地震记录数据通过低频截止频率0.05Hz、高频截止频率35Hz的滤波器后的地面峰值位移统计曲线示意图。
图8为编号051YAL130420113401的地震记录数据通过低频截止频率0.067Hz、高频截止频率35Hz的滤波器后的地面峰值位移统计曲线示意图。
图9为编号051YAL130420113401的地震记录数据通过低频截止频率0.08Hz、高频截止频率35Hz的滤波器后的地面峰值位移统计曲线示意图。
图10为编号051YAL130420113401的地震记录数据通过低频截止频率0.1Hz、高频截止频率35Hz的滤波器后的地面峰值位移统计曲线示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明滤波通带的低频截止频率的判识以及装置进行详细的解释和说明。
如图1至10所示，本发明具体公开了一种滤波通带的低频截止频率的判识方法，该判识方法可以理解为一种低频截止频率的搜索法，具体包括如下的步骤。
步骤1，获取地震记录数据和低频截止频率下限，低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数，本实施例中，记录持时为40s，则低频截止频率为0.025Hz。
步骤2，构建至少两个滤波器，所有滤波器的高频截止频率均相同、滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；本实施例中，构建的滤波器均为巴特沃斯滤波器，所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。本实施例中，选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。在本发明的技术启示下，选取合理的、属于低频的频率值用于筛选，选择的密集程度和精度均可在本发明的启示下得到。
为满足下述步骤5中的筛选条件，选取的至少两个频率值可包括预设频率值，本实施例中，预设频率值为0.04Hz。如果假设：选取的至少两个频率值不包括预设频率值，则说明步骤5中与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10的大小已事先获知。
步骤3，由于低频截止频率对强震动记录的位移时程基线偏移的影响很大，利用各滤波器分别对地震记录数据滤波，然后生成各滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率；每个频率值各对应一个滤波器，每个滤波器分别对地震记录数据滤波，所以地面峰值位移统计曲线的条数与频率值的个数相同。
步骤4，基于地面峰值位移统计曲线，分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，其中，N＞5每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，所以，滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线的个数与频率值的个数相同；本实施例中，N＝10，即分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部10秒均值统计曲线。
步骤5，筛选频率值，保留的频率值需要同时满足如下的筛选条件：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于0.1cm，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于该频率值对应的均值统计曲线峰值的1/10；本实施例中，预设频率值为0.04Hz，则第二个筛选条件为：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与0.04Hz对应的均值统计曲线的位移均值的1/10。
需要说明的是，本发明中涉及的“位移统计曲线”应理解为“地面峰值位移统计曲线”，本发明中涉及的“均值统计曲线”应理解为“位移时程尾部N秒均值统计曲线”。
步骤6，将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。在某些情况下，有些保留的频率值小于低频截止频率下限，这说明地震记录数据记录持时小于信号的一个周期，这种情况显然是不合理的，所以必须要将筛选后保留的频率值与低频截止频率下限比较。
本实施例中，如图5-10所示，对于编号为051YAL130420113401的强震动记录，最终确定的低频截止频率为0.1Hz。
如图2所示，对应于本发明的滤波通带的低频截止频率的判识装置，本发明的还公开了一种滤波通带的低频截止频率的判识装置，该判识装置包括依次连接的选取单元、滤波器构建单元、位移统计曲线生成单元、位移时程尾部均值统计曲线生成单元、低频截止频率筛选单元、低频截止频率判识单元，该判识装置还包括分别与位移统计曲线生成单元、低频截止频率判识单元连接的地震记录获取单元，具体如下。
地震记录获取单元，用于获取地震记录数据和低频截止频率下限，低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数。本实施例中，记录持时为40s，则低频截止频率为0.025Hz。
滤波器构建单元，用于构建至少两个滤波器，所有滤波器的高频截止频率均相同、滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；本实施例中，构建的滤波器均为巴特沃斯滤波器，所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。本实施例中，选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。在本发明的技术启示下，选取合理的、属于低频的频率值用于筛选，选择的密集程度和精度均可在本发明的启示下得到。
位移统计曲线生成单元，用于生成通过各滤波器滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率。
位移时程尾部均值统计曲线生成单元，用于分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，其中，N＞5；本实施例中，N＝10，即分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部10秒均值统计曲线。
低频截止频率筛选单元，用于筛选频率值、保留满足筛选条件的频率值；保留的频率值需要同时满足如下的筛选条件：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于0.1cm，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于该频率值对应的均值统计曲线峰值的1/10；本实施例中，预设频率值为0.04Hz，则第二个筛选条件为：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与0.04Hz对应的均值统计曲线的位移均值的1/10。
低频截止频率判识单元，用于将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。
需要说明的是，本发明中涉及的“低频”应理解为“小于等于1Hz的频率”，即低频≤1Hz；本发明中涉及的“高频”应理解为“大于等于35Hz的频率”，高频≥35Hz。
本实施例中，对204条芦山地震强震动记录进行处理，确定每条记录的低频截止频率，通过本发明的判识方法自动确定的低频截止频率与传统方法准确获得的低频截止频率作差，误差基本上在0.2Hz以内，在本发明的技术启示下，如果需要严格确定低频截止频率，可以在本发明处理后再进行微调即可，因此，本发明公开的技术方案在海量强震动数据处理工作是一种比较实用的解决方案。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“安装”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滤波通带的低频截止频率的判识方法，其特征在于：该判识方法包括如下步骤，
步骤1，获取地震记录数据和低频截止频率下限，所述低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数；
步骤2，构建至少两个滤波器，所有滤波器的高频截止频率和滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；
步骤3，利用各滤波器分别对地震记录数据滤波，然后生成各滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，所述地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率；
步骤4，基于所述地面峰值位移统计曲线，分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，其中，N＞5；
步骤5，筛选频率值，保留的频率值需要同时满足如下的筛选条件：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于0.1cm，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于该频率值对应的均值统计曲线峰值的1/10；
步骤6，将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。
2.根据权利要求1所述的滤波通带的低频截止频率的判识方法，其特征在于：步骤2中，所述选取的频率值中，其中一个频率值为0.04Hz；步骤5中，所述预设频率值为0.04Hz。
3.根据权利要求1或2所述的滤波通带的低频截止频率的判识方法，其特征在于：步骤2中，所述滤波器为巴特沃斯滤波器，所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。
4.根据权利要求1或2所述的滤波通带的低频截止频率的判识方法，其特征在于：步骤1中，所述记录持时为40s，所述低频截止频率为0.025Hz。
5.根据权利要求1或2所述的滤波通带的低频截止频率的判识方法，其特征在于：步骤2中，选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。
6.一种滤波通带的低频截止频率的判识装置，其特征在于：该判识装置包括：
地震记录获取单元，用于获取地震记录数据和低频截止频率下限，所述低频截止频率下限为地震记录数据记录持时的倒数；
滤波器构建单元，用于构建至少两个滤波器，所有滤波器的高频截止频率和滤波阶数均相同，各滤波器的低频截止频率分别为选取的频率值，且频率值在0.04Hz至1Hz之间；
位移统计曲线生成单元，用于生成通过各滤波器滤波后的数据的地面峰值位移统计曲线，所述地面峰值位移统计曲线的纵坐标为地面的峰值位移、横坐标为时间或频率；
位移时程尾部N秒均值统计曲线生成单元，用于分别生成各滤波后的数据的位移时程尾部N秒均值统计曲线，所述位移时程尾部N秒均值统计曲线的纵坐标为位移、横坐标为时间或频率，每个频率值对应一条位移时程尾部N秒均值统计曲线，其中，N＞5；
低频截止频率筛选单元，用于筛选频率值、保留满足筛选条件的频率值；所述筛选条件为：保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于0.1cm，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于与预设频率值对应的均值统计曲线的位移均值的1/10，保留的频率值对应的均值统计曲线的位移均值小于该频率值对应的均值统计曲线峰值的1/10；
低频截止频率判识单元，用于将保留的频率值与低频截止频率下限比较，将其中最大的值作为低频截止频率。
7.根据权利要求6所述的滤波通带的低频截止频率的判识装置，其特征在于：构建的滤波器为巴特沃斯滤波器。
8.根据权利要求7所述的滤波通带的低频截止频率的判识装置，其特征在于：所有巴特沃斯滤波器的高频截止频率均为35Hz、滤波阶数均为4。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的滤波通带的低频截止频率的判识装置，其特征在于：所述记录持时为40s，所述低频截止频率为0.025Hz。
10.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的滤波通带的低频截止频率的判识装置，其特征在于：选取的频率值包括：0.04Hz、0.05Hz、0.067Hz、0.8Hz、0.1Hz、0.12Hz、0.15Hz、0.2Hz、0.25Hz、0.3Hz、0.35Hz、0.4Hz、0.45Hz、0.5Hz、0.55Hz、0.6Hz、0.65Hz、0.7Hz、0.75Hz、0.8Hz、0.85Hz、0.9Hz、0.95Hz、1Hz。
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