CN113703038B - 一种微震信号自动采集识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，公开了一种微震信号自动采集识别方法及系统，包括信号处理模块，以及与信号处理模块分别连接的信号采集模块、信号分析模块和显示模块。信号采集模块，用来以固定频率连续采集各类震动信号并汇总，随后将采集到的震动信号发送给信号处理模块；信号处理模块用来对采集到的震动信号进行处理，并判断出最后有效的微震信号；信号分析模块，用来对微震信号进行后续深度分析处理，并形成分析结果；显示模块用来接收并显示分析结果。本方案具有精准区分干扰信号，识别判断出微震信号的有益效果。

Description

一种微震信号自动采集识别方法及系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种微震信号自动采集识别方法及系统。

背景技术

目前对于矿井的各类监测、预警及评价技术、方法仍处于探索和研究阶段，存在较大的局限性和不确定性，例如“关键层”理论、瞬变电磁法等。而微震技术由于不受井下金属体、供电、积水等干扰，可大大提高监测的抗干扰性和准确性。

现有技术中，有一种微震信号智能监测识别设备及识别方法，包括依次连接的微震信号采集部分、微震信号处理部分和微震信号预警部分，微震信号采集部分用于信号的采集，微震信号处理部分用于微震信号的处理，微震信号预警部分根据微震信号处理部分处理后的信号进行识别，对信号进行预警；该设备属于全自动智能微震监测识别分类设备，与传统的人工识别相比，本设备分类结果更可靠，实时性更高、节省人力物力。该设备针对岩石破裂信号和爆破信号进行识别，与传统的监测所有微震信号相比，能更好的应用于实际工程中。

该方案虽然能对微震信号进行智能识别分类，但是其对于其他干扰信号的识别、区分效果不够理想，故现在需要研究一种区分各种干扰信号从而对微震信号精准识别的技术手段。

发明内容

本发明意在提供一种微震信号自动采集识别方法及系统，以解决由于干扰信号过多导致微震信号不能精准识别的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微震信号自动采集识别系统，包括信号处理模块，以及与信号处理模块分别连接的信号采集模块、信号分析模块和显示模块；

信号采集模块，用来以固定频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块；

信号处理模块，包括初步筛选单元和处理单元；

初步筛选单元，按照预先储存的判断条件对接收到的采集震动信号进行初步筛选判断，若符合判断条件，则判定该采集震动信号为微震信号，并将微震信号发送至处理单元；反之，则判定该采集震动信号为干扰信号；

处理单元，接收微震信号，并按照预设处理步骤对所述微震信号进行处理后形成有效微震信号，然后将有效微震信号发送至信号分析模块；

信号分析模块，接收有效微震信号后，对该有效微震信号进行后续深度分析处理并形成分析结果；

显示模块用来接收并显示分析结果。

本方案的原理及优点是：实际应用时，能够利用预先设置的震动频率范围和振幅范围，对微震信号以及其他干扰信号，例如机械震动、车辆震动和井下放炮产生的震动进行识别区分，在大量的震动信号中对微震信号进行精准识别；然后对采集到的微震信号进行分析处理，先计算出微震信号的能量值，并通过设置的能量标准值对微震信号进行筛选，得到有效微震信号后，在信号分析模块中计算其具体位置信息，并且统计微震信号的能量、震动频率以及发生频率，最后将分析统计结果储存在识别系统中，然后通过显示模块将有效微震信号的统计分析结果显现出来，更直观地向工作人员展示，以便工作人员能够及时查看有效微震情况并针对有效微震采取对应措施，保证矿产作业的安全性。

优选的，作为一种改进，预先储存的判断条件为，震动信号的震动频率和振幅在预设范围内。

在系统中预先设置震动频率和振幅的具体范围，来对微震信号以及其他干扰信号进行初步筛选区分，从而过滤掉其他干扰信号，能够减少后续对微震信号的分析识别工作，提高系统的识别准确度以及工作效率。

优选的，作为一种改进，干扰信号包括机械震动信号、车辆震动信号和井下放炮震动信号。

针对矿井日常工作产生的常见震动，矿场大量机械工作时会产生大量的机械震动，车辆在运行时也会产生震动，同时矿井的开采会进行井下放炮作业，同样会产生大量震动，将这些干扰震动信号与井下微震信号进行区分，能够有效地对井下微震信号进行监测，从而对矿井的环境安全性进行正确评估，提高矿业工作的安全性，保证工作人员的人身安全。

优选的，作为一种改进，预设处理步骤为，计算当前微震信号携带的能量值，并将计算出来的能量值与标准值对比，若能量值大于等于标准值，则储存当前微震信号对应的震动信息。

对初步筛选出来的微震信号进一步筛选，通过微震信号所携带的能量进行筛选，过滤掉一些携带能量少，不对生产安全产生威胁的微震信号，从而在初步筛选出来的微震信号中，将能够对矿产作业安全造成影响的有效微震信号精准识别出来，提高系统对微震信号识别的准确率和效率。

优选的，作为一种改进，预设范围为，震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内。

通过对常见干扰信号频率以及振幅的统计分析，将微震信号震动频率和振幅设置在此范围内，对若干震动信号进行初步筛选识别，从而减少后续系统对识别信号的计算分析量。

优选的，作为一种改进，标准值为100焦耳。

通过研究计算出当微震信号所携带的能量值为100焦耳时，才能够对矿业生产造成一定影响，若是低于此能量界限的微震信号，对生产安全造成的影响微乎其微，可以直接忽略，通过设置的能量值来进行初步筛选，也能够减少系统信号识别的工作量，加快系统识别效率。

优选的，作为一种改进，后续深度分析处理包括定位分析、统计和智能学习；所述定位分析为，分析出当前微震信号的具体位置；所述统计为，统计所有储存的微震信号的能量和频率；所述智能学习为，学习当前微震信号的特点。

对于满足采集要求的微震信号，不仅要分析出它们的具体位置，同时还要统计所有识别到的微震信号的能量、频率和发生频率，同时分析微震信号的特点加以学习，提高系统对微震信号识别的准确率。

本发明还提供了一种微震信号自动采集识别方法，包括以下步骤：

步骤S1，信号采集模块以固定频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块；

步骤S2，信号处理模块接收采集震动信号，并由初步筛选单元对采集震动信号按照预先储存的判断条件进行初步筛选判断，若判断震动信号为微震信号，则将微震信号发送给处理单元；

步骤S3，处理单元接收微震信号，并按照预设处理步骤对微震信号进行处理，若微震信号的能量值大于等于标准值，则判定该微震信号为有效微震信号并储存该有效微震信号的震动信息，并将该有效微震信号发送至信号分析模块；

步骤S4，信号分析模块接收该有效微震信号，并对该有效微震信号进行后续深度分析处理；首先分析出当前有效微震信号的具体位置信息；其次统计储存的所有有效微震信号能量和微震频率；最后根据有效微震信号的特点进行智能学习，并将有效微震信号的具体位置信息、能量之和、信号频率形成分析结果发送至显示模块；

步骤S5，显示模块接收分析结果并将分析结果展示在显示屏上。

本方法的优点在于：最开始广泛采集井下所有的震动信号，避免遗漏掉关键的震动信号，再通过对采集到的震动信号进行震动频率、振幅以及携带能量值的区分，过滤掉不需要的干扰信号以及无用的微震信号，整个过程清晰，逻辑严谨，保证最终的识别结果和分析结果的准确率，保证了矿区日常生产工作的安全。

优选的，作为一种改进，微震信号可利用P波拾取初至时间来初步判断微震信号源的位置。

通过P波的传播速度与检测到的拾取初至时间，来初步判断震动信号的大致位置，以对微震信号进行初步判定，加快系统判断过程，提高效率。

优选的，作为一种改进，信号频率包括微震信号本身的震动频率和微震信号的发生频率。

统计微震信号本身的震动频率以及发生有效微震的频率，能够通过统计分析原理探究有效微震信号的规律以及特点，实现井下有效微震的预测，从而保证井下工作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明一种微震信号自动采集识别方法及系统实施例一的系统示意图。

图2为本发明一种微震信号自动采集识别方法及系统实施例一的流程示意图。

图3为本发明一种微震信号自动采集识别方法及系统实施例五的P波示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：信号采集模块1、信号处理模块2、信号分析模块3、显示模块4、初步筛选单元5、处理单元6。

实施例一：

本实施例基本如附图1所示：一种微震信号自动采集识别系统，包括信号处理模块2，以及与信号处理模块2分别连接的信号采集模块1、信号分析模块3和显示模块4；

所述信号采集模块1，用来以1kHz的采样频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块2；

所述信号处理模块2，包括初步筛选单元5和处理单元6；

所述初步筛选单元5，按照预先储存的判断条件对接收到的采集震动信号进行初步筛选判断，若采集震动信号的震动频率在2-3赫兹内、振幅在1-5毫米内，则判定该采集震动信号为微震信号，并将微震信号发送给处理单元6；反之，则判定该震动信号为干扰信号；

所述处理单元6，接收微震信号，并按照预设处理步骤对所述微震信号进行处理后形成有效微震信号，先计算当前微震信号携带的能量值，并将计算出来的能量值与标准值100焦耳对比，若当前微震信号携带的能量值大于等于100焦耳，则判定该微震信号为有效微震信号并储存该有效微震信号的信息，例如该有效微震信号的频率、振幅和能量值等；随后将处理完成后的有效微震信号发送至信号分析模块3；反之，则忽略当前微震信号；

所述信号分析模块3，接受有效微震信号后，对有效微震信号进行后续深度分析处理，包括分析出当前微震信号的具体位置、统计所有微震信号的能量值、微震信号本身的震动频率、微震信号的发生频率以及智能学习当前微震信号的特点，并形成分析结果发送至显示模块4。

所述显示模块4用来接收并显示分析结果。

一种微震信号自动采集识别方法，如附图2所示，包括以下步骤：

步骤S1，信号采集模块1以固定频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块2；

步骤S2，信号处理模块2接收采集震动信号，并由初步筛选单元5对采集震动信号按照预先储存的判断条件进行初步筛选判断，若判断震动信号为微震信号，则将微震信号发送给处理单元6，若判断震动信号为干扰信号，则忽略该信号；

步骤S3，处理单元6接收微震信号，并按照预设处理步骤对微震信号进行处理，若微震信号的能量值大于等于标准值，则判定该微震信号为有效微震信号并储存该有效微震信号的震动信息，并将该有效微震信号发送至信号分析模块3，反之则忽略该微震信号；

步骤S4，信号分析模块3接收该有效微震信号，并对该有效微震信号进行后续深度分析处理；首先分析出当前有效微震信号的具体位置信息；其次统计储存的所有有效微震信号能量值、微震信号本身的震动频率、微震信号的发生频率；最后根据有效微震信号的特点进行智能学习，并将有效微震信号的具体位置信息、能量之和、频率形成分析结果发送至显示模块4；

步骤S5，显示模块4接收分析结果并将分析结果展示在显示屏上。

利用预先设置的震动频率范围和振幅范围，对微震信号以及其他干扰信号进行识别区分，在大量的震动信号中对微震信号进行精准识别，从根源上对震动信号进行过滤，减轻后续的识别工作量；然后对采集到的微震信号进行分析处理，通过计算出微震信号的能量值与设置的能量标准值对比，筛选出有效的微震信号，进一步通过筛选减少系统的工作量，以及对提高系统对微震信号的识别效率；随后通过在信号分析模块3中对有效微震信号进行计算、分析、统计，能够得到有效微震信号的规律特点，并通过显示屏将有效微震信号的统计分析结果显现出来，更直观地向工作人员展示，以便工作人员能够及时查看有效微震情况并针对有效微震采取对应措施，提高矿产作业的安全性。

本实施例的具体实施过程如下：

第一步，信号采集模块1从检测仪器中以1kHz的采样频率连续采集微震信号、机械震动信号、车辆震动信号以及井下放炮震动信号等数据并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号汇总发送给信号处理模块2；

第二步，信号处理模块2接收采集震动信号，初步筛选单元5对采集震动信号进行初步筛选判断，若震动信号的震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内，则判定该震动信号为微震信号，若不在该范围内，则判定该震动信号为干扰信号，最后将判定的微震信号发送给处理单元6。

第三步，处理单元6接收到微震信号后，先计算当前微震信号携带的能量值，随后将计算出来的能量值与标准值100焦耳作对比，如果当前微震信号携带的能量值大于等于100焦耳，则判定该微震信号为有效微震信号，并储存该有效微震信号的信息，随后将该有效微震信号发送至信号分析模块3；如果当前微震信号携带的能量值小于100焦耳，则忽略该微震信号。

第四步，信号分析模块3接收该有效微震信号，并对该有效微震信号进行后续深度分析，首先通过设定的计算方法分析出当前有效微震信号的具体位置信息；其次统计所有有效微震信号的能量值之和、每个有效微震信号本身的震动频率以及有效微震的发生频率；最后根据有效微震信号的特点进行智能学习，分析出有效微震发生的规律。信号分析模块3将所有分析出来的信息汇总形成分析结果，并将分析结果发送至显示模块4。

第五步，显示模块4接收该分析结果并将分析结果的内容展示在显示屏上。

本方案能从根源上区分微震信号和其他干扰信号，而现有技术中对于干扰信号的排出并不过于严格，一方面是因为其设备功能不足的原因，另一方面则是因为控制成本的原因。而本方案中，对于其他干扰信号的排出，并不需要其他硬件设备的支持，只需要在对信号的区分识别方法上作技术改进即可完成，操作方便，没有额外成本；同时在具体的区分方法上，本方案利用了震动信号的频率、振幅以及震动信号所携带的能量值，与现有技术中的识别技术对比，具有意想不到性，同时能结合震动信号的具体环境，如煤矿井下的复杂环境，震动携带能量具有无序性，利用起来十分困难，但是本方案能够根据能量的特性，将能量带入到具体的震动信号识别上，通过能量对矿井的破坏效果，选取了100焦耳以及震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内的有效微震信号，在此范围内的微震信号，才有可能对地质环境造成破坏，从而影响煤矿井下工作的安全性。通过设置筛选的具体数值，能够实现对有害微震信号的精准识别筛选，使采集到的微震信具有可研究利用价值，从而在煤矿的安全生产中提供具有参考价值的依据。

实施例二：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：信号采集的采样频率设置为2kHz。

增大信号采集模块1的采样频率，则采样的间隔时间越短，能在单位时间内采集到的样本数据就越多，对地下震动信号的采集面更广，使系统得到的震动信号样本更多，从而能够使对震动信号的分析识别更准确。

本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：

第一步，信号采集模块1从检测仪器中以2kHz的采样频率采集微震信号、机械震动信号、车辆震动信号以及井下放炮产生的震动信号等数据，随后将震动信号汇总发送给信号处理模块2。

针对井下震动信号数量多，且复杂多变的情况，采用了高频率的采样频率，能够在单位时间内采集到更多的震动信号，为煤矿井下震动信号的识别提供有力的依据，保证对微震信号的精准识别。

实施例三：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：有效微震信号携带能量判定的标准值设置为80焦耳。

考虑到微震信号传递过程中的会存在能量损失的情况，故将判定标准下调到80焦耳，以防有效微震信号在传递过程中因能量损耗而被系统忽略掉，造成数据采集的不全面，从而对最终的判定结果造成不利影响。

本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：

第三步，处理单元6接收到微震信号后，先计算当前微震信号携带的能量值，随后将计算出来的能量值与标准值80焦耳作对比，如果当前微震信号携带的能量值小于80焦耳，则忽略该微震信号；如果当前微震信号携带的能量值在80焦耳以上，则判定该微震信号为有效微震信号，并储存该有效微震信号的信息，随后将该有效微震信号发送至信号分析模块3。

由能量守恒定律可知，震动信号在传播过程中一定会与传播介质产生能量交换，故从震动源到检波器的微震能量会有损耗，因此将携带能量的标准值降低到80焦耳，能够使对有效微震信号的识别更加精准，问煤矿的生产提供有力依据。

实施例四：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：采用长短时平均法对微震信号的初至时间进行拾取。

对于微震信号初至时间的拾取方法有很多，本实施例中采用长短时平均法，此方法计算简单，用时短，根据震动信号波形特征函数的长短时均比值等特征拾取初至，能够迅速地对微震初动信号进行判定，不仅减少了判定过程，同时也使采集到的微震信号初至时间更精准。

本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：

第二步，信号处理模块2接收震动信号，初步筛选单元5对震动信号进行初步筛选判断，若震动信号的震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内，则判定该震动信号为微震信号，若不在该范围内，则判定该震动信号为干扰信号，最后利用长短时平均法对判定的微震信号进行初至拾取并发送给处理单元6。

实施例五：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：如附图3所示，在判断震动源的位置时，利用P波拾取初至时间来初步分析出微震信号源的大概位置。

对于震动信号而言，都会产生P波和S波，而利用P波拾取初至时间，再结合P波的传播速度，能够计算出震动信号源的大概位置，从而对采集到的震动信号进行区分，判断其是微震信号还是其他干扰信号，即是对微震信号做识别区分，减小系统采样、分析计算的工作量，提高对有效微震信号识别的效率。

本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：

第二步，信号处理模块2接收震动信号，初步筛选单元5对震动信号进行初步筛选判断，若震动信号的震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内，则判定该震动信号为微震信号，若不在该范围内，则判定该震动信号为干扰信号；同时利用微震信号P波拾取初至时间，分析计算出此微震信号源的大概位置坐标，最后将此微震信号的频率、振幅以及大概位置坐标等数据发送给处理单元6。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种微震信号自动采集识别系统，其特征在于：包括信号处理模块，以及与信号处理模块分别连接的信号采集模块、信号分析模块和显示模块；

所述信号采集模块，用来以固定频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块；所述信号处理模块，包括初步筛选单元和处理单元；

所述初步筛选单元，按照预先储存的判断条件对接收到的采集震动信号进行初步筛选判断，若符合判断条件，则判定该采集震动信号为微震信号，并将微震信号发送至处理单元；反之，则判定该采集震动信号为干扰信号；

所述处理单元，接收微震信号，并按照预设处理步骤对所述微震信号进行处理后形成有效微震信号，然后将有效微震信号发送至信号分析模块；

所述信号分析模块，接收有效微震信号后，对该有效微震信号进行后续深度分析处理并形成分析结果；

所述显示模块用来接收并显示分析结果；

所述固定频率为2kHz；

所述预先储存的判断条件为，震动信号的震动频率和振幅在预设范围内；

所述预设处理步骤为，计算当前微震信号携带的能量值，并将计算出来的能量值与标准值对比，若能量值大于等于标准值，则储存当前微震信号对应的震动信息；

所述预设范围为，震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内；

所述标准值为100焦耳；

所述深度分析为，首先通过设定的计算方法分析出当前有效微震信号的具体位置信息，其次统计所有有效微震信号的能量值之和、每个有效微震信号本身的震动频率以及有效微震的发生频率，最后根据有效微震信号的特点进行智能学习，分析出有效微震发生的规律。

2.根据权利要求1所述的一种微震信号自动采集识别系统，其特征在于：所述干扰信号包括机械震动信号、车辆震动信号和井下放炮震动信号。

3.一种微震信号自动采集识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1，信号采集模块以固定频率连续采集各类震动信号并汇总形成采集震动信号，然后将采集到的采集震动信号发送给信号处理模块；

步骤S2，信号处理模块接收采集震动信号，并由初步筛选单元对采集震动信号按照预先储存的判断条件进行初步筛选判断，若判断震动信号为微震信号，则将微震信号发送给处理单元；

步骤S3，处理单元接收微震信号，并按照预设处理步骤对微震信号进行处理，若微震信号的能量值大于等于标准值，则判定该微震信号为有效微震信号并储存该有效微震信号的震动信息，并将该有效微震信号发送至信号分析模块；

步骤S4，信号分析模块接收该有效微震信号，并对该有效微震信号进行后续深度分析处理；首先分析出当前有效微震信号的具体位置信息；其次统计储存的所有有效微震信号能量和微震频率；最后根据有效微震信号的特点进行智能学习，并将有效微震信号的具体位置信息、能量之和、信号频率形成分析结果发送至显示模块；

步骤S5，显示模块接收分析结果并将分析结果展示在显示屏上；

所述固定频率为2kHz；

所述信号频率包括微震信号本身的震动频率和微震信号的发生频率；所述预先储存的判断条件为，震动信号的震动频率和振幅在预设范围内；

所述预设范围为，震动频率在2-3赫兹内，振幅在1-5毫米内；

所述标准值为100焦耳。

4.根据权利要求3所述的一种微震信号自动采集识别方法，其特征在于：所述微震信号利用P波拾取初至时间来初步判断微震信号源的位置。