CN110954952B - 一种微震信号初至波类型判别和波速校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号监测技术领域，具体涉及到一种微震信号初至波类型判别和波速校正方法，本发明通过计算同一震源震动信号的互相关系数，并求取互相关系数最大值对应的位置，即可求得两个信号的到时差。在原始信号信噪比低时，仍然能够实现到时差的高精度判定。根据传感器空间几何关系，建立微震信号传播模型，判别各传感器接收的微震信号的初至波类型。当信噪比较低，初至波类型不为P波时，采用信号互相关算法，计算微震系统通道间的到时差，并结合爆破点空间坐标信息对波速进行校正。

Description

一种微震信号初至波类型判别和波速校正方法

技术领域

本发明属于信号监测技术领域，具体涉及到一种微震信号初至波类型判别和波速校正方法。

背景技术

利用滑动能量比法(STA/LTA)，监测系统从连续的样点中，把有效的事件抓取出来，并筛选出有效的通道，从而可以根据有效的通道数据进行震源定位。微震震源定位与传统地震震源定位理论基础是一致的，微震震源定位方法目前公布的有十多种。而基于到时的震源定位算法，如几何作图法、Geiger定位法、多事件定位法、主事件定位法、线性定位法、非线性定位法和双差定位法等大都是对初至到时或到时差敏感的，需要高精度拾取信号的初至时刻，即波形图中信号开始起跳发生突变的时刻。传统的利用监测信号幅值超过某一设定阈值进行信号初至判断的方法，受到系统噪声水平的影响。当信噪比较低时，P波初至点可能被噪音信号覆盖，导致较大的初至到时拾取误差。信号的初至时刻对应的是信号初至波类型包括纵波(P波)、横波(S波)或面波(R波)。在数据处理时，很多情况下都是把初至波当做P波来处理，采用P波波速进行震源定位，没有对初至波类型进行判别。

传统上大多数的微震监测系统都是采用人工拾取的方法确定信号的起跳点，数据量小时可以采用人工的方式确定，而如今随着微震监测系统的推广，多套系统产生的海量事件若再通过人工的方法进行初至时刻拾取，将会大大增加相关人员工作负担。而采用STA/LTA的方法进行到时自动拾取经常会出现拾取误差，很多时候都需要人工二次校正。当信号信噪比较低时，传统到时拾取的方法必将带来较大的拾取误差。

P波波速可以利用现场爆破的方式获得，但初至波类型判定为S波或R波时，由于矿井尺度内的震动信号S波和R波信号不明显，容易受到噪声和P波后续尾波的干扰，其初至时刻更是难以判断，准确的波速值难以获得。可以用P波波速和煤岩体介质弹性常数泊松比、弹性模量和拉梅系数等近似计算S波或R波波速，但每个矿井的地质岩性不同，不同类型矿井或同一矿井不同区域弹性常数值都不同，若再取固定值对S波和R波波速进行估算，计算得到的S波和R波波速必然存在较大误差。

当通道本底噪音较大，初至时刻淹没在噪声中时，利用滤波方法可能把初至信息一同滤掉。由于系统噪音影响导致信号初至无法精确拾取时，常规的基于STA/LTA到时拾取或人工拾取都将引起不同程度的拾取误差。在存在拾取误差、信号初至对应波速类型不为P波的情况下，若仍然采用P波波速进行震源定位，必将带来巨大的定位误差。因而需要对信号初至点波速类型进行判别，并对初判不为P波的信号，需要采取针对性的到时差计算方法，得到两个传感器之间的到时差，进而建立S波或R波的波速校正方法。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种微震信号初至波类型判别和波速校正方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种微震信号初至波类型判别方法，包括以下步骤：

步骤一：建立微震信号传播模型

震源为S(x₀,y₀,z₀,t₀)，其空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，发震时刻为t₀；传感器为S₁和S_i，S₁为到时最小值对应的传感器，S_i为除S₁外的任一传感器，S₁和S_i接收到振动信号的时刻分别为t₁和t_i，且t₁≤t_i，r₁是震源S与传感器S₁之间的距离，r_i是震源S与传感器S_i之间的距离；r_1i是传感器S₁和传感器S_i之间的距离。

步骤二：计算各到时差的理论极限

当两个传感器接收到的都是P波时，P波波速为v_p，则0≤(t_i-t₁)≤r_1i/v_p，两个传感器到时差的理论极限记为TLP_1i，则：TLP_1i＝r_1i/v_p；

当两个传感器接收到的都是S波时，S波波速为v_s，则：两个传感器到时差的理论极限记为TLS_1i，则：TLS_1i＝r_1i/v_S；

当两个传感器接收到的都是R波时，R波波速为v_r，则两个传感器到时差的理论极限记为TLR_1i，则：TLR_1i＝r_1i/v_r；

假设t_i拾取的是R波信号，t₁拾取的是P波信号，则传感器S_i的R波到时差理论极限记为TLPR_1i，则：

用传感器S₁到监测区域边界的最大距离r’₁代替r₁，则

TLPR_1i≤TLPR’_1i。

步骤三：初至波类型判别：

(t_i-t₁)≤TLP_1i时：r₁对应波类型、r_i对应波类型、到时差对应波类型均为P波；

TLP_1i＜(t_i-t₁)≤TLS_1i时：r₁对应波类型为P波或S波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为S波；

TLS_1i＜(t_i-t₁)≤TLR_1i时：r₁对应波类型为P波或S波或R波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为R波；

TLR_1i＜(t_i-t₁)≤TLPR_1i时：r₁对应波类型为P波或S波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为R波；

(t_i-t₁)＞TLPR_1i时：r₁对应波类型、r_i对应波类型、到时差对应波类型均为异常波。

一种微震信号初至波波速校正方法，在上述基础上对初至波波速进行校正，包括以下步骤：

S1：当上述到时差对应波类型不为P波时，通过信号互相关算法重新计算传感器S₁和S_i之间的到时差t_d，t_d＝(t_i-t₁)，当上述到时差对应波类型为P波时，则到时差不用重新计算。

S2：传感器S₁和S_i接收到的信号波速设为v_d，v_d为互相关到时差对应的波速，则有：0≤(t_i-t₁)＝t_d≤r_1i/v_d，两个传感器到时差的理论极限记为TLD_1i，则：TLD_1i＝r_1i/v_d。

S3：初至波波速校正：

(t_i-t₁)≤TLP_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为v_p；

TLP_1i＜(t_i-t₁)＝t_d≤TLD_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为v_d；

(t_i-t₁)＝t_d＞TLD_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为异常波波速。

进一步的，所述v_d通过爆破标定。

进一步的，所述通过信号互相关算法重新计算传感器S₁和S_i之间的到时差t_d包括以下步骤：

S11：计算两个通道信号之间的互相关系数，并求得互相关系数最大值所对应的r_max。

S12：到时差t_d＝r_max/F_s，F_s为采样频率。

本发明的有益效果：建立了微震信号初至波类型的判别方法，解决了信号信噪比低时自动拾取精度低和人工拾取工作量大的难题。利用同一震源产生的信号存在的互相关关系，实现了信号间到时差的准确判别，进一步对判定不为P波的信号建立了波速校正方法。本发明为信号的初至波准确判定、到时差高精度计算和震源的自动定位等问题奠定了基础，方法明晰，适合大范围推广应用。

附图说明

图1为本实施例震源与传感器位置关系图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明提出了一种基于信号互相关理论的微震信号初至波波速校正方法，通过计算同一震源震动信号的互相关系数，并求取互相关系数最大值对应的位置，即可求得两个信号的到时差。在原始信号信噪比低时，仍然能够实现到时差的高精度判定。根据传感器空间几何关系，建立微震信号传播模型，判定各传感器接收的微震信号的初至波类型。当信噪比较低，初至波类型不为P波时，采用信号互相关算法，计算微震系统通道间的到时差，并结合爆破点空间坐标信息对波速进行校正。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微震信号初至波类型判定和波速校正方法，利用信号互相关理论计算传感器间的到时差，利用现场爆破数据，对S波或R波的波速进行校正。下面通过实施例对本发明进行详细说明：

如附图1所示，空间中的任意三个点都在同一平面内，设震源为S(x₀,y₀,z₀,t₀)，其空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，发震时刻为t₀。传感器为S₁和S_i，S₁为到时最小值对应的传感器，S_i为除S₁外的任一传感器，S₁和S_i接收到震动信号的时刻分别为t₁和t_i，且t₁≤t_i。震源S与传感器S₁之间的距离为r₁，震源S与传感器S_i之间的距离为r_i；传感器S₁和传感器S_i之间的距离为r_1i。

设震动波场是各向同性介质，三角形的两边之和大于第三边，则：

r_i-r₁＜r_1i (1)

但当震源与两个传感器在同一条直线上时，式(1)变为：

r_i-r₁＝r_1i (2)

因而有：

(t_i-t₀)v_p-(t₁-t₀)v_p≤r_1i (3)

即：

0≤(t_i-t₁)≤r_1i/v_p (4)

上面是两个传感器接收到的都是P波，波速都为v_p时的关系式，这时两个传感器到时差的理论极限记为TLP_1i，则：

TLP_1i＝r_1i/v_p (5)

v_p是P波波速。

而两个传感器接收到的都是S波信号时，两个传感器到时差的理论极限记为TLS_1i，有：

0≤(t_i-t₁)≤r_1i/v_s (6)

TLS_1i＝r_1i/v_S (7)

v_s是S波波速。

而两个传感器接收到的都是R波信号时，两个传感器到时差的理论极限记为TLR_1i，有：

0≤(t_i-t₁)≤r_1i/v_r (8)

TLR_1i＝r_1i/v_r (9)

v_r是R波波速。

当(t_i-t₁)＞TLR_1i时，则t_i值拾取的可能是R波信号、比R波波速还低的波、延迟波等异常信号。首先假设t_i拾取的是R波信号，t₁拾取的是P波信号，当震源与两个传感器在同一条直线上时：

TLPR_1i是传感器S_i的R波到时差理论极限值，r₁是到时最小值对应的传感器距离震源的距离，虽然它是未知数，但是可以通过估计一个最大值来代替，如附图1所示，通常用传感器S₁到监测区域边界的最大距离r₁’来代替r₁，则：

则存在如下表1的关系，表1为初至波类型判别表：

	r<sub>1</sub>对应波类型	r<sub>i</sub>对应波类型	到时差对应波类型
				(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)≤TLP<sub>1i</sub>	P	P	P
TLP<sub>1i</sub>＜(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)≤TLS<sub>1i</sub>	P或S	S	S
				TLS<sub>1i</sub>＜(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)≤TLR<sub>1i</sub>	P或S或R	R	R
TLR<sub>1i</sub>＜(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)≤TLPR<sub>1i</sub>	P或S	R	R
				(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)＞TLPR<sub>1i</sub>	异常波	异常波	异常波

表1初至波类型判别表

基于上述分析，根据到时和传感器坐标信息，可以对监测信号对应的波型信息进行识别，进而建立后续震源定位用到的波速模型。

由于矿井尺度内的震动信号S波和R波信号不明显，其初至时刻更是难以判断。同时表1中，当(t_i-t₁)＞TLPR_1i时，初步判定为异常波，但若人工检验为有效震动波，只是受系统噪音干扰导致信号初至无法精确拾取时，需要采取不同的到时差计算方法进行校正。

两个微震事件序列之间的相关程度，即描述随机信号x(t)和y(t)在任意两个不同时刻t₁，t₂的取值之间的相关程度。两通道微震信号x和y的相关系数R为：

Cov(x,y)为x，y的协方差，D(x)为x的方差，D(y)为y的方差。有限离散信号互相关系数的计算公式为：

令τ为两信号的相位差，则：

互相关系数函数为：

ρ_xy(τ)是在0-1之间变化的一个函数。

实际应用中需要把x(t)、y(t)离散化以方便处理，设x(t)＝x(n)，y(t)＝y(n)，n＝1,2,…,N，N是沿时间轴的总采样数，r是间断时移值，r＝1-N,2-N,…,0,…,N-2,N-1。

对于有限长采样离散信号的互相关函数为：

通过计算两个通道信号之间的相关系数，并求得互相关系数最大值所对应的r_max，并除以采样频率F_s，就得到了两个通道信号之间延迟或提前时间t_d，即t_d＝r_max/F_s。t_d＞0表示x信号出现后延迟t_d时刻才出现y信号，t_d＜0表示y信号先出现。

监测信号中间能量大的信号段对互相关系数影响巨大，因而信号互相关到时差与两个信号都是S波或都是R波到时差比较接近，可以认为信号互相关的两个信号是同一类型的波的比较，可以通过爆破标定互相关到时差对应的波速v_d。表1中到时差对应波类型不为P波时，用信号互相关算法重新计算S_i和S₁之间的到时差。

两个传感器接收到的信号波速都是v_d时，两个传感器到时差的理论极限记为TLD_1i，有：

0≤(t_i-t₁)＝t_d≤r_1i/v_d (17)

TLD_1i＝r_ii/v_d (18)

当t_d＞TLD_1i时，则判定传感器S_i接收的是延迟波等异常信号。于是初至波波速可以修正为表2，

	r<sub>1</sub>对应波速	r<sub>i</sub>对应波速	到时差对应波速
				(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)≤TLP<sub>1i</sub>	v<sub>p</sub>	v<sub>p</sub>	v<sub>p</sub>
TLP<sub>1i</sub>＜(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)＝t<sub>d</sub>≤TLD<sub>1i</sub>	v<sub>d</sub>	v<sub>d</sub>	v<sub>d</sub>
				(t<sub>i</sub>-t<sub>1</sub>)＝t<sub>d</sub>＞TLD<sub>1i</sub>	异常波波速	异常波波速	异常波波速

表2初至波波速校正表

本发明基于微震信号初至波类型判别方法、信号互相关理论最终实现了初至波波速校正。在原始震动信号受到噪音干扰的情况下，相比于不做初至波类型判别和波速校正的情况，本发明提出的算法能大大提高信号延迟时间计算精度，可以准确判定初至波波速类型。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种微震信号初至波类型判别方法，包括以下步骤：

步骤一：建立微震信号传播模型：

震源为S(x₀,y₀,z₀,t₀)，其空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，发震时刻为t₀；传感器为S₁和S_i，S₁为到时最小值对应的传感器，S_i为除S₁外的任一传感器，S₁和S_i接收到振动信号的时刻分别为t₁和t_i，且t₁≤t_i，r₁是震源S与传感器S₁之间的距离，r_i是震源S与传感器S_i之间的距离；r_1i是传感器S₁和传感器S_i之间的距离；

步骤二：计算各到时差的理论极限：

当两个传感器接收到的都是P波时，P波波速为v_p，则0≤(t_i-t₁)≤r_1i/v_p，两个传感器到时差的理论极限记为TLP_1i，则：TLP_1i＝r_1i/v_p；

当两个传感器接收到的都是S波时，S波波速为v_s，则：两个传感器到时差的理论极限记为TLS_1i，则：TLS_1i＝r_1i/v_S；

当两个传感器接收到的都是R波时，R波波速为v_r，则两个传感器到时差的理论极限记为TLR_1i，则：TLR_1i＝r_1i/v_r；

假设t_i拾取的是R波信号，t₁拾取的是P波信号，则传感器S_i的R波到时差理论极限记为TLPR_1i，则：

用传感器S₁到监测区域边界的最大距离r₁’代替r₁，则

TLPR_1i≤TLPR’_1i；

步骤三：初至波类型判别：

(t_i-t₁)≤TLP_1i时：r₁对应波类型、r_i对应波类型、到时差对应波类型均为P波；

TLP_1i＜(t_i-t₁)≤TLS_1i时：r₁对应波类型为P波或S波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为S波；

TLS_1i＜(t_i-t₁)≤TLR_1i时：r₁对应波类型为P波或S波或R波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为R波；

TLR_1i＜(t_i-t₁)≤TLPR_1i时：r₁对应波类型为P波或S波，r_i对应波类型和到时差对应波类型均为R波；

(t_i-t₁)＞TLPR_1i时：r₁对应波类型、r_i对应波类型、到时差对应波类型均为异常波。

2.一种微震信号初至波波速校正方法，在权利要求1基础上进行校正，包括以下步骤：

S1：权利要求1中到时差对应波类型不为P波时，通过信号互相关算法重新计算传感器S₁和S_i之间的到时差t_d，t_d＝(t_i-t₁)；

S2：传感器S₁和S_i接收到的信号波速设为v_d，v_d为互相关到时差对应的波速，则有：0≤(t_i-t₁)＝t_d≤r_1i/v_d，两个传感器到时差的理论极限记为TLD_1i，则：TLD_1i＝r_1i/v_d；

S3：初至波波速校正：

(t_i-t₁)≤TLP_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为v_p；

TLP_1i＜(t_i-t₁)＝t_d≤TLD_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为v_d；

(t_i-t₁)＝t_d＞TLD_1i时：r₁对应波速、r_i对应波速、到时差对应波速均为异常波波速。

3.根据权利要求2所述的微震信号初至波波速校正方法，其特征在于：所述v_d通过爆破标定。

4.根据权利要求2所述的微震信号初至波波速校正方法，其特征在于：所述通过信号互相关算法重新计算传感器S₁和S_i之间的到时差t_d包括以下步骤：

S11：计算两个通道信号之间的互相关系数，并求得互相关系数最大值所对应的r_max，r_max为互相关系数最大值所对应的间断时移值；

S12：t_d＝r_max/F_s，F_s为采样频率。

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