CN109061725B - 弹性波数据采集起跳点的自动识别方法及其所用的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，在采集到一组数据点S后，本方法自动识别起跳点包括以下步骤：步骤S1：取该组数据点S的前m个数据，计算出m个数据的均方误差；步骤S2：取合适长度为L₁的模板Φ₁，将模板Φ₁所覆盖的数据保存到数组A中；步骤S3：将数组A中数据与尺度为σ的高斯函数做卷积；步骤S4：将数组A中数据在[0，1]区间内作归一化处理并保存到数组B，依次对数组B中第i(2≤i≤L₁)个元素进行计算后的结果保存到数组C；步骤S5：利用算子Φ₂从数组C的第j个数据开始，找出最大的score(j)值后确定起跳点位置。本发明具有可自动识别、精确定位起跳点，可缩小起跳点搜索范围，拥有识别曲线起跳点局部特征的算子的优点。

Description

弹性波数据采集起跳点的自动识别方法及其所用的设备

技术领域

本发明涉及弹性波起跳点的定位与判读，特别是一种弹性波数据采集起跳点的自动识别方法及其所用的设备。

背景技术

传统的弹性波层析成像数据采集过程中，数据采集设备的处理软件负责将采集到的离散数据点绘制成曲线显示出来。考虑到噪声等因素的干扰，一次采集获得的数据曲线如图1所示。通常在地层中由震源直接传播到观测点的弹性波称为直达波，在直达波到达前，设备采集到的波形曲线称为走时波1曲线，走时波1曲线的特点是数据点值波动变化小，基本平行于横轴。在直达波到达后，数据波形曲线立即发生跳变，其特点是数据点值波动变化大，整体呈现震荡衰减趋势。

数据采集的目的是获得弹性波在介质中的传递时间t，时间t反映在数据曲线上是从0时刻到波形发生跳变之前的时间段，也称直达波到达的对应时间。计算公式如下：

t＝T_s·N

式中T_s是采集的离散数据点之间的时间间隔，N是采集设备开始采集到波形起跳之间的离散点个数。T_s由采集设备人为设定，N则需要根据采集获得的数据曲线判断起跳点2的位置获得，目前起跳点2 位置判读需要操作者手工进行评定。

随着工程物探技术的发展，在层析成像过程中，根据采集到的波形自动判定起跳点是非常有必要的。

传统的起跳点判读方法有如下几种：

第一种方法如图2，在显示波形曲线的平面上垂直于横轴设定一个标记线3，手工移动标记线3到波形起跳边缘，认为此时标记线3 所在横坐标对应的数据点为起跳点2。标记过程需要手工进行，增加了工作的复杂程度，降低了工作效率，而且在采集点较密时，手工标记也易产生误差。

第二种方法如图3，在显示波形曲线的平面上平行于横轴设定一个阈值线4，对应一个起跳阈值，当波形曲线的数据点大于该阈值时，则认为该点是起跳点5。该方法实现了自动标记，而且避免了噪声干扰造成的误起跳标记，但也不可避免的造成标记的起跳点5滞后于实际起跳点2。

综上所述：传统的标记方法缺乏自动判读机制，也不具备准确定位起跳点的机制，因此难以实现起跳点判读的自动化与精准化，人手工定位起跳点会导致工作效率低下，起跳点搜索范围大会导致计算量大、软件响应慢的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种弹性波数据采集起跳点的自动识别方法及其所用的设备。本发明具有可自动识别、精确定位起跳点，可缩小起跳点搜索范围，拥有识别曲线起跳点局部特征的算子的优点。

本发明的技术方案：一种弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，在采集到一组数据点S后，本方法自动识别起跳点包括以下步骤：

步骤S1：取该组数据点S的走时波段的前m个数据，计算出m 个数据的均方误差，记为MSE；

步骤S2：在数据点S中取一个长度为L₁的模板Φ₁，计算模板Φ₁所覆盖的数据的均方误差，记为MSEn，再设定一个比例系数β，判断β·MSE≤MSEn是否成立，若成立，模板Φ₁所覆盖的数据按顺序保存到数组A中；若不成立，将模板Φ₁向前移动一个数据，计算新的MSEn，再次进行判断，直至β·MSE≤MSEn成立，成立后，停止模板Φ₁的移动，将当前模板Φ₁所覆盖的数据按顺序保存到数组A中；

步骤S3：将数组A中数据与尺度为σ的高斯函数做卷积；

步骤S4：将数组A中数据在[0，1]区间内作归一化处理并保存到数组B中，找出数组B中绝对值最大、第二大和第三大的三个数 |max_1|，|max_2|，|max_3|，然后计算出a，将a值作为起跳波形斜率的绝对值估计，依次对数组B中第i个元素计算Δ(i)＝ |B[i]-B[i-1]|，计算后的结果保存到数组C中，其中i的取值范围为：2≤i≤L₁，

步骤S5：采用遍历的方法，利用算子Φ₂从数组C的第j个数据开始，找出最大的score(j)值，数组C中第j+l个数据在数据点S 中的位置即为起跳点位置，

算子长度为2l，其中l的取值范围为：l≥1，函数的e^-x和

的长度各为l。

前述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法中，所述前m个数据为走时波的第1个到第m个数据。

前述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法中，所述比例系数β的取值范围为：0＜β＜1。

前述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法中，所述σ的取值范围为：0＜σ＜1。

前述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法中，所述Φ₁为覆盖数据点S的第1到第L₁个数据。

前述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法中，采集数据点S 的具体步骤包括：

步骤S11：发射探头6在0时刻发射弹性波，同时产生同步信号，数据采集器9通过同步信号电缆8接收同步信号开始采集数据，弹性波从发射探头6传递到接收探头7的时间为0～t1，在0～t1时间内数据采集器9采集到的数据波形称为走时波；

步骤S12：在t1时刻，弹性波到达接收探头7，接收探头7内的传感器将弹性波信号转换成幅度变化的电信号，此时数据采集器9采集到的波形开始以较大幅度震荡，t1时刻即为起跳点；

步骤S13：数据采集器9采集了足够的点后，于t2时刻停止采集，其中t2＞t1，一组数据采集完成，记为数据点S。

一种如权利要求1-6中任意一项所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法所用的设备，其特征在于：实现该方法所用的设备包括走时波估计模块、缩小范围模块、滤波模块、数据处理模块和特征识别模块；各模块与步骤一一对应。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供的弹性波数据采集起跳点自动识别方法，在设备采集数据后并绘制数据曲线的基础上增加了起跳点的自动判读识别功能，一旦识别出了起跳点，采集设备软件可以很容易的计算出弹性波在介质中的传播时间，从而不再需要人工判读，也避免了数据点采集过密导致的起跳点的定位不准确问题，以及单独设定一个起跳阈值造成起跳点定位滞后问题，使工作效率和采集数据结果准确性都得到了提高。

附图说明

图1为层析成像施工采集获得的数据曲线示意图；

图2为人工移动标记线方法标记起跳点示意图；

图3为设定起跳阈值方法标记起跳点示意图；

图4为本发明实施例弹性波采集中起跳点自动识别方法的流程示意图；

图5为本发明实施实例的层析成像施工示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明实施的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，不仅适用于本发明实例的层析成像设备，也适用于本发明实例外的弹性波检测方法。

实施例。工程物探中的弹性波层析成像施工示意图如图5，整套设备的主要部件包括：发射探头6，用于发射弹性波；接收探头7，用于接收弹性波并感应产生相应的电信号；同步信号电缆8，发射探头发射弹性波瞬间产生的感应电信号，同步信号电缆将该信号传递给数据采集器9；数据采集器9，用于采集接收探头产生的电信号并显示波形曲线。采集步骤如下：

步骤S11：发射探头6在0时刻发射弹性波，同时产生同步信号，数据采集器9通过同步信号电缆8接收同步信号开始采集数据，弹性波从发射探头6传递到接收探头7的时间为0～t1，在0～t1时间内数据采集器9采集到的数据波形称为走时波1，走时波1曲线的特点是数据点值波动变化小，基本平行于横轴；

步骤S12：在t1时刻，弹性波到达接收探头7，接收探头内的传感器将弹性波信号转换成幅度变化的电信号，此时数据采集器9采集到的波形开始以较大幅度震荡，t1时刻即为起跳点；

步骤S13：数据采集器9采集了足够的点后，于t2(t1<t2)时刻停止采集，一组数据采集完成，记为数据点S；

步骤S14：数据采集器9采用本发明的起跳点自动识别方法识别出起跳点，标记线标记起跳点位置；

步骤S15：数据采集器9根据起跳点的位置和采样间隔，计算出弹性波在介质中的传播时间，达到采集目的。

其中在采集到一组数据点S后，本方法自动识别起跳点包括以下步骤：

步骤S1：取该组数据点S的走时波段的第1个到第m个数据，计算出m个数据的均方误差，记为MSE，作为整段走时波均方误差的合理估计；实际该采集数据点S是对连续信号按一定采样间隔，进行采样获得的，因此是离散信号；数据点S的范围是指该组数据的个数，通常是人根据采集的数据是否包含起跳点确定的，一般为2048个点；

步骤S2：取一个长度为L₁的模板Φ₁，首先覆盖数据点S的第1 到第L₁个数据，计算模板Φ1所覆盖的数据均方误差，记为MSEn，其中n可取1，2，……，n；设定一个比例系数β，判断β·MSE≤MSEn 是否成立，若不成立，可认为模板Φ₁此时并未覆盖起跳点，或者覆盖了起跳点，但起跳点还处于模板边缘位置；对于不成立的情况，应将模板Φ₁向前移动一个数据，计算新的MSEn，再次进行判断；若成立，则停止模板Φ₁的移动，将当前模板Φ₁所覆盖的数据按顺序保存到数组A中，此时，可认为将搜索范围缩小到了在数组A中搜索起跳点，为方便使β·MSE≤MSEn成立，比例系数β取的取值范围控制在 0-1之间较佳；

步骤S3：将数组A中数据与尺度为σ的高斯函数做卷积，过滤数据中的高频噪声；根据实验，σ的取值范围在0-1之间较佳；该步骤能够在不破坏起跳点局部特征的前提下，对曲线进行平滑处理，有利于后续步骤的起跳点特征提取；

步骤S4：将数组A中数据在[0，1]区间内作归一化处理并保存到数组B，找出数组B中绝对值最大和第二大和第三大的三个数 |max_1|，|max_2|，|max_3|，计算a值，将a值作为起跳波形斜率的绝对值估计。同时，依次对数组B中第i(2≤i≤L₁)个元素计算Δ(i)＝|B[i]-B[i-1]|，Δ(i)表示为数组B中相邻两数之差的绝对值，计算后的结果保存到数组C；

步骤S5：本发明设计了一个新的算子Φ₂如下，该算子长度为 2l(l≥1)，由两类函数的^-x和

组成，长度各为l；

其中x为数组中相邻两个数的差的绝对值，算子Φ₂设计思路如下：

1、函数的e^-x对于大偏差(x值较大)响应小，对于小偏差(x值较小)响应大；

2、函数

对于大偏差(x值较大)响应大，对于小偏差(x 值较小)响应小；

基于以上两个特性，算子Φ₂能够很好的响应起跳点两侧的曲线变化趋势，来达到起跳曲线特征识别并提取起跳点的目的；

忽略边缘效应，采用遍历的方法，利用算子Φ₂从数组C的第j 个数据开始

找出最大的score(j)值，则数组C中第j+l个数据在数据点S 中的位置即为起跳点位置。

本发明所用设备包括走时波估计模块、缩小范围模块、滤波模块、数据处理模块和特征识别模块；各模块与步骤一一对应，如图4所示，其中具体各模块的用途是：

走时波估计模块，用于估计走时波的均方误差；

缩小范围模块，用于在采集到的一组数据中初步确定一个小的搜索范围，而且该范围已包含了起跳点；

滤波模块，一旦确定了搜索范围，需要将该范围内的数据进行滤波处理，去除高频噪声；

数据处理模块，首先对数据归一化处理，估计起跳曲线的斜率，然后对相邻数据做差并取绝对值，将处理后的值存入一个新数组，该数组反映了原始数据的变化趋势；

特征识别模块，根据起跳点之前数据点值变化小和起跳点之后数据点值变化大的特征来识别起跳点。

Claims (7)

1.一种弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：在采集到一组数据点S后，本方法自动识别起跳点包括以下步骤：

步骤S1：取该组数据点S的走时波段的前m个数据，计算出m个数据的均方误差，记为MSE；

步骤S2：在数据点S中取一个长度为L₁的模板Φ₁，计算模板Φ₁所覆盖的数据的均方误差，记为MSEn，再设定一个比例系数β，判断β·MSE≤MSEn是否成立，若成立，模板Φ₁所覆盖的数据按顺序保存到数组A中；若不成立，将模板Φ₁向前移动一个数据，计算新的MSEn，再次进行判断，直至β·MSE≤MSEn成立，成立后，停止模板Φ₁的移动，将当前模板Φ₁所覆盖的数据按顺序保存到数组A中；

步骤S3：将数组A中数据与尺度为σ的高斯函数做卷积；

步骤S4：将数组A中数据在[0，1]区间内作归一化处理并保存到数组B中，找出数组B中绝对值最大、第二大和第三大的三个数|max_1|，|max_2|，|max_3|，然后计算出a，将a值作为起跳波形斜率的绝对值估计，依次对数组B中第i个元素计算Δ(i)＝|B[i]-B[i-1]|，计算后的结果保存到数组C中，其中i的取值范围为：2≤i≤L₁，

步骤S5：采用遍历的方法，利用算子Φ₂从数组C的第j个数据开始，找出最大的score(j)值，数组C中第j+l个数据在数据点S中的位置即为起跳点位置，

算子长度为2l，其中l的取值范围为：l≥1，函数e^-x和

的长度各为l；其中x为数组中相邻两个数的差的绝对值。

2.根据权利要求1所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：所述前m个数据为走时波的第1个到第m个数据。

3.根据权利要求1所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：所述比例系数β的取值范围为：0＜β＜1。

4.根据权利要求1所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：所述σ的取值范围为：0＜σ＜1。

5.根据权利要求1所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：所述Φ₁为覆盖数据点S的第1到第L₁个数据。

6.根据权利要求1所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法，其特征在于：采集数据点S的具体步骤包括：

步骤S11：发射探头(6)在0时刻发射弹性波，同时产生同步信号，数据采集器(9)通过同步信号电缆(8)接收同步信号开始采集数据，弹性波从发射探头(6)传递到接收探头(7)的时间为0～t1，在0～t1时间内数据采集器(9)采集到的数据波形称为走时波；

步骤S12：在t1时刻，弹性波到达接收探头(7)，接收探头(7)内的传感器将弹性波信号转换成幅度变化的电信号，此时数据采集器(9)采集到的波形开始以较大幅度震荡，t1时刻即为起跳点；

步骤S13：数据采集器(9)采集了足够的点后，于t2时刻停止采集，其中t2＞t1，一组数据采集完成，记为数据点S。

7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的弹性波数据采集起跳点的自动识别方法所用的设备，其特征在于：实现该方法所用的设备包括走时波估计模块、缩小范围模块、滤波模块、数据处理模块和特征识别模块；各模块与步骤一一对应。

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