CN112230286B - 降低隧道无线地震仪噪声的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于隧道无线地震仪领域，提供了一种降低隧道无线地震仪噪声的方法及系统。其中，降低隧道无线地震仪噪声的方法包括同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。

Description

降低隧道无线地震仪噪声的方法及系统
技术领域
本发明属于隧道无线地震仪领域，尤其涉及一种降低隧道无线地震仪噪声的方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在隧道施工中，隧道掘进机会产生大量的电磁噪声，同时，其它施工机械、焊接设备、变频器、对讲机等，也会产生大量随机电磁噪声。在采用无线地震仪进行隧道地质超前预报时，这些噪声会通过信号电缆传导、空间电磁耦合等途径污染输入的信号以及串扰进入仪器内部，使仪器采集的信号的信噪比降低，对后期数据处理造成困难，进而影响探测结果。另一方面，无线地震仪内部存在着诸如开关电源、电子开关、数字电路等功能电路产生的开关噪声，以及电子器件本身由于温度变化产生的热噪声等，这些内部噪声称为本征噪声，本征噪声与检波器输出的信号经过内部电路一起输送给采样芯片进行模/数转换。此外，无线模块通讯时，也会有极少量射频通讯信号通过各种途径耦合进入内部电路污染有用信号，这种干扰也是随机的。
以上各种电磁噪声是客观存在的，尽管无线地震仪的采集终端、检波器、信号电缆等都会做电磁屏蔽，但并不能完全消除电磁噪声的影响；为保证采集数据的准确性和完整性，无线地震仪内部的调理电路对信号只做简单的低阶滤波且带宽较大，这也增大了输入等效噪声的强度。
有些地震仪系统中，采取了单独设置一个噪声通道作为电磁噪声的检测输入端，在数据处理时，把这个输入通道采集的数据作为噪声信号数据，进行相关处理以降低噪声。但在分布式地震仪采集系统中，因终端位置不同，受到的离干扰源的距离、湿度及温度变化等不同，受到噪声的影响也不同，因此，发明人发现，采用同一个噪声源数据作为基准，并不能准确的反应各信号采集点实际的受干扰情况，有可能导致错误的分析结果。还有些地震仪采用先采集一段时间的环境噪声作为基准噪声数据源随后再进行信号采集的方法，而环境噪声是随机变化的，也就是噪声数据的采集与信号的采集不是同一时刻进行的，故噪声滤除效果不理想，同样也会导致错误结果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种降低隧道无线地震仪噪声的方法及系统，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种降低隧道无线地震仪噪声的方法。
一种降低隧道无线地震仪噪声的方法，包括：
同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本发明的第二个方面提供一种降低隧道无线地震仪噪声的系统。
一种降低隧道无线地震仪噪声的系统，包括：
数据接收及预处理模块，其用于同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
频点集合生成模块，其用于计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
集合判断模块，其用于判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
逆傅里叶变换模块，其用于将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本发明的第三个方面提供一种隧道无线地震仪，其包括工控机、采集终端和检波装置；多个采集终端分别布置在隧道不同的位置，每个采集终端连接一个检波装置；采集终端用于获取隧道不同位置处的噪声数据及振动数据；
工控机，其被配置为：同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
本发明的第五个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种降低隧道无线地震仪噪声的方法流程图；
图2是本发明实施例的一种隧道无线地震仪结构示意图；
图3是本发明实施例的采集终端与检波装置连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图1，本实施例的一种降低隧道无线地震仪噪声的方法，包括：
步骤1：同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析。
其中，噪声数据包括电磁噪声和本征噪声。
在具体实施中，噪声数据由噪声采样等效电阻采集获得。可采用检波器来获取振动数据。
此处需要说明的是，也可采用其他现有的设备来采集噪声数据以及振动数据。
步骤2：计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合。
当脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至干扰噪声频点集合内。当脉冲因子低于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至非干扰噪声频点集合内。
例如：脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值Py，则认为最大幅值对应的频点f存在较大干扰，记录f点，并将频点f幅值置为0。该步骤能找出主要的噪声频点，如50Hz工频干扰及其谐波。直至脉冲因子低于预设脉冲因子阈值Py，将所有记录的频点f存储至干扰噪声频点集合Fc。
步骤3：判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换。
步骤4：将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本实施例将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
实施例二
本实施例提供了一种降低隧道无线地震仪噪声的系统，包括：
数据接收及预处理模块，其用于同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
频点集合生成模块，其用于计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
集合判断模块，其用于判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
逆傅里叶变换模块，其用于将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本实施例的一种降低隧道无线地震仪噪声的系统与实施例一所述的本实施例提供了一种降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤一一对应，其具体实施过程如实施例一所述，此处不再累述。
将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
实施例三
如图2所示，本实施例提供了一种隧道无线地震仪，其包括工控机、采集终端和检波装置；多个采集终端分别布置在隧道不同的位置，每个采集终端连接一个检波装置；采集终端用于获取隧道不同位置处的噪声数据及振动数据；
工控机，其被配置为：同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
本实施例的无线地震仪采用分布式探测，探测时，多个采集终端分别布置在隧道不同的位置，每个采集终端连接一个检波装置。检波装置由三分量检波器和一个噪声采样等效电阻组成，三分量检波器用于采集三个方向的振动数据，噪声采样等效电阻用于采集噪声数据。噪声采样等效电阻与三分量检波器任一个分量检波电路的等效电阻一致。
外部电磁噪声会通过电缆耦合到采集终端；
三分量检波器输入采集终端的信号为振动信号和电磁噪声；
噪声采样等效电阻上输入采集终端的信号为电磁噪声与本征噪声；
采集终端内部的本征噪声和无线通讯产生的噪声也会耦合到采集芯片输入端；其中，检波装置、采集终端和工控机降噪方法共同作用达到降低噪声的目的。
在具体实施中，采集终端采集到的数据通过无线模块发送到主站，主站通过数据线上传至工控机，如图3所示。
其中，在所述工控机内，当脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至干扰噪声频点集合内。当脉冲因子低于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至非干扰噪声频点集合内。
例如：脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值Py，则认为最大幅值对应的频点f存在较大干扰，记录f点，并将频点f幅值置为0。该步骤能找出主要的噪声频点，如50Hz工频干扰及其谐波。直至脉冲因子低于预设脉冲因子阈值Py，将所有记录的频点f存储至干扰噪声频点集合Fc。
将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
实施例四
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
实施例五
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
将噪声数据功率谱分析，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；当干扰噪声频点集合为空，不需要对振动数据进行降噪处理；当干扰噪声频点集合非空，则对振动数据进行傅里叶变换；将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据，其兼顾了分布系统中不同采集点电磁噪声水平的差异以及各自采集设备的本征噪声的不同，保证了每个采集终端滤波的准确性，提高了仪器信噪比。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道无线地震仪，其特征在于，包括工控机、采集终端和检波装置；多个采集终端分别布置在隧道不同的位置，每个采集终端连接一个检波装置；采集终端用于获取隧道不同位置处的噪声数据及振动数据；
所述检波装置由三分量检波器和一个噪声采样等效电阻组成，三分量检波器用于采集三个方向的振动数据，噪声采样等效电阻用于采集噪声数据；
工控机，其被配置为：同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
2.如权利要求1所述的隧道无线地震仪，其特征在于，在所述工控机内，当脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至干扰噪声频点集合内；
或在所述工控机内，当脉冲因子低于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至非干扰噪声频点集合内。
3.一种降低隧道无线地震仪噪声的方法，使用如权利要求1-2中任一项所述的隧道无线地震仪，其特征在于，包括：
同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
其中，噪声数据包括电磁噪声和本征噪声，噪声数据由噪声采样等效电阻采集获得，采用三分量检波器来获取振动数据；计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
4.如权利要求3所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法，其特征在于，当脉冲因子高于或等于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至干扰噪声频点集合内。
5.如权利要求3所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法，其特征在于，当脉冲因子低于预设脉冲因子阈值时，对应频点存储至非干扰噪声频点集合内。
6.一种降低隧道无线地震仪噪声的系统，使用如权利要求1-2中任一项所述的隧道无线地震仪，其特征在于，包括：
数据接收及预处理模块，其用于同步接收噪声数据和振动数据，并对噪声数据进行功率谱分析；
频点集合生成模块，其用于计算功率谱的脉冲因子，根据脉冲因子与预设脉冲因子阈值比较，得到干扰噪声频点集合及非干扰噪声频点集合；
集合判断模块，其用于判断干扰噪声频点集合是否为空，若是，则不需要对振动数据进行降噪处理；若是非空，则对振动数据进行傅里叶变换；
逆傅里叶变换模块，其用于将干扰噪声频点集合中任一频点处的傅里叶变换值均置为0，得到去噪后振动数据对应的傅里叶变换，再进行逆傅里叶变换，得到去噪后振动数据。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求3-5中任一项所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求3-5中任一项所述的降低隧道无线地震仪噪声的方法中的步骤。
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