CN116224432A - 微地震监测信号的数据处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物探数据采集技术领域，提供一种微地震监测信号的数据处理方法和系统，该方法包括：在预定区域内设置多个采集站，每个采集站与该采集站附近分布的多个地震检波器通讯地连接；采集站获取多个地震检波器检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号；如果为可用微地震信号，则截取有效信号时间内所有地震检波器的震动信号，形成单位可用微地震信号组。本方案能够及时获取并筛出有效震动信息，提高传输效率，为后续的微地震分析做保障。

Description

微地震监测信号的数据处理方法和系统

技术领域

本发明涉及物探数据采集技术领域，特别是涉及一种微地震监测信号的数据处理方法和系统。

背景技术

微地震是一种小型的地震。在地下矿井深部开采过程中发生岩石破裂和地震活动，常常是不可避免的现象。由开采诱发的地震活动通常定义为：在开采坑道附近的岩体内部因应力场变化导致岩石破坏而引起的微地震事件。

微地震监测技术的应用为小范围内、信号较微弱的微地震研究提供了必要的技术基础。为了验证和开发微地震监测技术在地下岩石工程(如地热水压致裂、水库大坝、石油、核废料处理等)中所具有的巨大潜力，国外一些公司的研究机构和大学联合，进行了一些重大工程应用实验。

微地震监测技术属于被动源地震监测方法，微地震监测系统是通过监测、分析地下岩石破裂活动产生的微地震信息，实现对地下入侵事件的定位、跟踪及预警。微地震监测系统由微地震采集模块、数据处理模块、监测预警模块组成。在实际的生产中，微地震采集模块会接收大量的微地震记录传输给数据处理模块，其中大部分采集到的信息是没有包含有效震动信息的无效信号，而大量的数据传输给生产带来了较高的经济代价。同时，由于微地震监测系统的微地震采集模块大多设置在野外的矿山区，地形复杂，数据传输困难，往往是收集一段时间的数据后技术人员亲自到矿山区进行拷贝，不能实时获取数据，极大地降低了对微地震的监测和分析的效率，严重的话可能还会造成生命财产的损失。

因此，亟需开发一种微地震监测信号的数据处理方法和系统，能够及时获取并筛出有效震动信息，提高传输效率，为后续的微地震分析做保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种微地震监测信号的数据处理方法和系统，能够及时获取并筛出有效震动信息，提高传输效率，为后续的微地震分析做保障。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种微地震监测信号的数据处理方法，包括以下步骤：

在预定区域内设置多个采集站，每个采集站与该采集站附近分布的多个地震检波器通讯地连接；

采集站获取多个地震检波器检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；

根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号；如果为可用微地震信号，则截取有效信号时间内所有地震检波器检测到的震动信号，形成单位可用微地震信号组。

作为本发明一示例实施方式，服务器与多个采集站通讯地连接，所述微地震监测信号的数据处理方法还包括：服务器在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成微地震记录。

作为本发明一示例实施方式，所述根据震动信号得到初判有效微地震信号的方法包括：

采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点，如果第一预定比例的地震检波器在有效时间窗口内存在震动起伏节点，则认为产生初判有效微地震信号，该初判有效地震信号设置为有效时间窗口内最早出现震动起伏节点的震动信号，该初判有效微地震信号的产生时间为最早出现震动起伏节点所对应的时间。

作为本发明一示例实施方式，所述采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号，滚动间隔时间短于预定长度时间；

如果预定长度时间的中间时间的噪音幅度大于预设阈值，则该中点时间为震动起伏节点所对应的时间。

作为本发明一示例实施方式，所述采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法还包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号之后，求出预定长度时间的震动信号的噪音幅度均值；所述预设阈值为预定倍数的噪音幅度均值。

作为本发明一示例实施方式，所述根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号的方法包括：

如果第二预定比例的采集站在比较时间窗口内存在初判有效微地震信号，则判断为可用微地震信号。

作为本发明一示例实施方式，所述截取有效信号时间内所有地震检波器的震动信号的方法包括：

每个采集站从记录起始时间开始截取记录长度时间的所有地震检波器的震动信号；

所述记录起始时间为多个采集站的初判有效微地震信号中最早的初判有效微地震信号的产生时间往前推预定前推时间。

作为本发明的第二个方面，提供一种微地震监测信号的数据处理系统，该数据处理系统可执行所述微地震监测信号的数据处理方法。

作为本发明一示例实施方式，所述微地震监测信号的数据处理系统包括服务器、多个采集站和多个地震检波器；

地震检波器用于获取震动信号；

多个采集站设置在预定区域内，每个采集站与该采集站附近分布的多个地震检波器通讯地连接；

采集站用于获取多个地震检波器检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；还用于截取有效信号时间内所有地震检波器检测到的震动信号；

服务器与多个采集站通讯地连接，用于根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用地震信号；还用于指示采集站截取有效信号时间内所有地震检波器的震动信号，形成单位可用微地震信号组；

作为本发明一示例实施方式，所述服务器还用于在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成微地震记录。

本发明的有益效果是：

本方案由一个采集站获取多个震动信号，由多个震动信号判断该采集站附近是否发生微地震，再由多个采集站获取的数据判断发生微地震的有效性，如果确认区域内微地震有效，则记录微地震数据。通过检测、筛选的方式，将有用的微地震信号截取，只传输有用的信号，减少数据量，提高传输效率，同时通过自动采集、自动判断、自动生成有效的微地震记录的方法，降低了监测成本，带来了较大的经济效益。

附图说明

图1示意性示出了微地震监测信号的数据处理系统的结构图。

图2示意性示出了微地震监测信号的数据处理方法的步骤图。

图3示意性示出了微地震监测信号的数据处理方法的数据流向图。

图4示意性示出了截取第一预定长度时间的震动信号的示意图。

图5示意性示出了比较初判有效微地震信号的示意图。

其中，1—服务器，2—采集站，3—地震检波器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

作为本发明的第一个实施方式，提供一种微地震监测信号的数据处理系统，如图1所示，包括服务器1、多个采集站2和多个地震检波器3；

多个采集站2设置在预定区域内，多个地震检波器3对应一个采集站2。每个采集站2与该采集站2附近分布的多个地震检波器3通讯地连接。地震检波器3与采集站2采用有线连接的方式。地震检波器3设置在地表至地下2m内的范围内，用于获取地下500米范围内的震动信号。地震检波器3检测的震动信号包括不震动时候的信号也包括震动时候的信号，不会只发送震动记录。对于一个采集站2对应的多个地震检波器3，每两个地震检波器3的距离不超过50米。

采集站2的数量大于3个，具体数据根据用户需求和现场地形确定。采集站2用于获取多个地震检波器3检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；还用于截取有效信号时间内所有地震检波器3检测到的震动信号。

服务器1与多个采集站2通讯地连接，用于根据多个采集站2的初判有效微地震信号判断是否为可用地震信号；还用于指示采集站2截取有效信号时间内所有地震检波器检测到的震动信号，形成单位可用微地震信号组；还用于在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成微地震记录。服务器1与采集站2可以采用有线连接的方式，也可以采用无线连接的方式。无线连接的方式优选地采用4G网络连接。

本方案的系统，由一个采集站2获取震动检波器3多个震动信号，由多个震动信号判断该采集站2附近是否发生微地震，再由多个采集站2获取的数据判断区域内发生微地震的有效性，如果确认区域内发生微地震有效，则记录微地震数据。通过检测、筛选的方式，将有用的微地震信号截取，只传输有用的信号，减少数据量，提高传输效率，同时通过自动采集、自动判断、自动生成有效的微地震记录的方法，降低了监测成本，带来了较大的经济效益。

作为本发明的第二个实施方式，提供一种微地震监测信号的数据处理方法，该数据处理方法采用第一个实施方式的微地震监测信号的数据处理系统。

如图2和图3所示，该数据处理方法包括以下步骤：

在预定区域内设置多个采集站2，每个采集站2与该采集站附近分布的多个地震检波器3通讯地连接。服务器1与该服务器1附近分布的多个采集站2通讯地连接。

S1：采集站2获取多个地震检波器3检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号。

地震检波器3检测到的震动信号为一个时间段内的震动信号，该震动信号记录了该时间段内的震动信息，该震动信息通过震动幅度表示，就算没有震动发生，地震检波器3也会一直记录，因此，地震检波器3只是检测震动幅度，尚不能判定是否有微地震产生，需要采集站2和服务器1进一步判断是否产生微地震。

根据震动信号得到初判有效微地震信号的方法包括：

采集站2判断每个地震检波器3检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点，如果第一预定比例的地震检波器3在有效时间窗口内存在震动起伏节点，则认为产生初判有效微地震信号，该初判有效地震信号设置为有效时间窗口内最早出现震动起伏节点的震动信号，该初判有效微地震信号的产生时间为最早出现震动起伏节点所对应的时间。

采集站2判断每个地震检波器3检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号，滚动间隔时间短于预定长度时间；

如果预定长度时间的中间时间的噪音幅度大于预设阈值，则该中点时间为震动起伏节点所对应的时间。

采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法还包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号之后，求出预定长度时间的震动信号的噪音幅度均值；预设阈值为预定倍数的噪音幅度均值。

例如：

如图4所示，图4示出了一个地震检波器3检测到的震动信号，设预定长度时间为10秒，滚动间隔时间为预定长度时间的1/3。在初始时刻，如图4从上往下数第一个震动信号，截取预定长度时间的震动信号(即为一个统计时窗)；从初始时刻开始，滚动间隔时间后，如图4从上往下数第二个震动信号，再次截取预定长度时间的震动信号(即为一个统计时窗)；经过滚动间隔时间后，如图4从上往下数第三个震动信号，再次截取预定长度时间的震动信号(即为一个统计时窗)；再经过滚动间隔时间后，如图4从上往下数第四个震动信号，再次截取预定长度时间的震动信号(即为一个统计时窗)，...，以此类推，对连续的震动信号进行滚动式(FIFO)震动信号的截取。

采集站2对预定长度时间(即为图中的统计时窗)的震动信号进行判断，采用阈值法检测是否存在震动起伏节点。获取预定长度时间的中间时间的噪音幅度，同时计算该预定长度时间的震动信号的噪音幅度均值，预设阈值为3-5倍的噪音幅度均值。如果预定长度时间的中间时间的噪音幅度大于预设阈值，则认为在预定长度时间的中点时间产生震动起伏节点。

因为一个采集站2连接多个地震检波器3，如果只有一个地震检波器3检测到震动起伏节点，则并不能表示采集站2附近产生了微地震，只有多个地震检波器3均产生震动起伏节点才能确定采集站2附近产生了微地震。因此，第一预定比例的地震检波器3存在震动起伏节点，才能认为附近产生了微地震，才能认为产生初判有效微地震信号。作为具体的实施方式，第一预定比例为60％以上。优选地，一个采集站2与3个地震检波器3连接，至少有2地震检波器3存在震动起伏节点，才能认为采集站2附近产生了微地震。

但是，每个地震检波器3由于位置不同，检测到震动起伏节点的时间并不相同，两个地震检波器3间隔10天分别检测到了震动起伏节点，并不代表采集站2附近产生了微地震，因此，还需要附加一个条件，即为这些震动起伏节点产生时间应该在一个有效时间窗口内。优选地，有效时间窗口为80-120毫秒，进一步优选100毫秒。

因此，如果第一预定比例的地震检波器3在有效时间窗口内存在震动起伏节点，则认为产生初判有效微地震信号，该初判有效地震信号设置为有效时间窗口内最早出现震动起伏节点的震动信号，该初判有效微地震信号的产生时间为最早出现震动起伏节点所对应的时间。

S2：根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号；如果为可用微地震信号，则截取有效信号时间内所有地震检波器3检测到的震动信号，形成单位可用微地震信号组。

服务器1获取多个采集站2的初判有效微地震信号。由于多个采集站2设置在一个预定的区域内，如果只有一个采集站2检测到初判有效微地震信号，并不表明该预定区域产生了微地震，因此需要进一步进行判断是否真正产生了有效微地震信号。

服务器1对多个采集站2的初判有效微地震信号进行判断，如果第二预定比例的采集站2在比较时间窗口内存在初判有效微地震信号，则判断为可用微地震信号。具体地，如果第二预定比例的采集站2的初判有效微地震信号的开始时间在比较时间窗口内，则判断为可用微地震信号。

如图5所示，图5示出了多个采集站2的初判有效微地震信号，由于采集站2设置的位置不同，检测到的初判有效微地震信号的时间并不相同，因此在同一个时间线上，不同的采集站2的初判有效微地震信号产生的时间并不相同。因此，需要设置一个比较时间窗口，只有第二预定比例的采集站2在比较时间窗口内存在初判有效微地震信号，才能认为该预定区域真正产生了微地震，才可判断为可用微地震信号。优选地，第二预定比例为60％-80％。

截取有效信号时间内所有地震检波器3检测到的震动信号的方法包括：

服务器1确认为可用微地震信号后，确认记录起始时间和记录长度时间，并指示采集站2根据记录起始时间和记录长度时间截取震动信号。

每个采集站2从记录起始时间开始截取记录长度时间的所有地震检波器3检测的震动信号。

记录起始时间为多个采集站2的初判有效微地震信号中最早的初判有效微地震信号的产生时间往前推预定前推时间。预定前推时间为1/3的记录长度时间。优选的记录长度时间为2秒。

每个采集站2截取每个地震检波器3的震动信号，截取的震动信号数量为所有地震检波器3的数量，截取的所有震动信号形成单位可用微地震信号组。

S3：服务器1在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成微地震记录。

产生一次微地震，可形成一组单位可用微地震信号组，在预定周期内，可能会产生多次微地震，则可形成多组单位可用微地震信号组。服务器1将多组单位可用微地震信号组进行重新排列，生成一个完整的微地震记录，并保留为标准的地震记录格式，微地震记录道数为所有地震检波器3的个数。

本方案的方法，通过在采集站2置入微地震信号有效性判断算法，在采集过程中采集站2基于此算法自动判断微地震信号的有效性，只截取有效的初判有效微地震信号并传输给服务器1，再由服务器2再次判定是否真的为可用微地震信号。传统方法是将所有的采集记录传输给服务器，再由服务器识别有效的微地震信号后进行数据处理。本方案大大降低微地震监测采集系统的数据传输量，尤其适合野外只能使用4G网络进行数据传输的情况，地震检波器3通过数据线将数据传输给采集站2，采集站2代替处理软件执行信号有效性的判断，采集站2只将有效信号通过4G网络传输给服务器1，从而减少了数据量的传输，带来较大的经济效益。

举例说明，如果一个采集站2连接3个地震检波器3，当微地震的采集站2采样率设置为1K，以传统方式记录地震信号时，一个采集站2在1小时内采集记录文件大小为41M，一天24小时内采集的地震记录为984M，1个采集站2在24小时内需要传输记录984M。这还只是采集需要传输的数据量，服务器1在收到这么多的数据后，还要进行分析筛选去除无效数据。如果采用本发明的方式进行采集，当有效微地震记录只有10％时，1个采集站2在24小时内传输的有效记录只有98.4M，大大减少了传输流量，同时传输的这个数据全部为有效数据。

以上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 (10)

1.一种微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

在预定区域内设置多个采集站，每个采集站与该采集站附近分布的多个地震检波器通讯地连接；

采集站获取多个地震检波器检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；

根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号；如果为可用微地震信号，则截取有效信号时间内所有地震检波器检测到的震动信号，形成单位可用微地震信号组。

2.根据权利要求1所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，服务器与多个采集站通讯地连接，所述方法还包括：服务器在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成微地震记录。

3.根据权利要求1所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，所述根据震动信号得到初判有效微地震信号的方法包括：

采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点，如果第一预定比例的地震检波器在有效时间窗口内存在震动起伏节点，则认为产生初判有效微地震信号，该初判有效微地震信号设置为有效时间窗口内最早出现震动起伏节点的震动信号，该初判有效微地震信号的产生时间为最早出现震动起伏节点所对应的时间。

4.根据权利要求3所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，所述采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号，滚动间隔时间短于预定长度时间；

如果预定长度时间的中点时间的噪音幅度大于预设阈值，则该中点时间为震动起伏节点所对应的时间。

5.根据权利要求4所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，所述采集站判断每个地震检波器检测到的震动信号中是否存在震动起伏节点的方法还包括：

每隔滚动间隔时间截取预定长度时间的震动信号之后，求出预定长度时间的震动信号的噪音幅度均值；所述预设阈值为预定倍数的噪音幅度均值。

6.根据权利要求1所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，所述根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否确认为可用微地震信号的方法包括：

如果第二预定比例的采集站在比较时间窗口内存在初判有效微地震信号，则判断为可用微地震信号。

7.根据权利要求1所述的微地震监测信号的数据处理方法，其特征在于，所述截取有效信号时间内所有地震检波器的震动信号的方法包括：

每个采集站从记录起始时间开始截取记录长度时间的所有地震检波器的震动信号；

所述记录起始时间为多个采集站的初判有效微地震信号中最早的初判有效微地震信号的产生时间往前推预定前推时间。

8.一种微地震监测信号的数据处理系统，其特征在于，该数据处理系统可执行权利要求1-7中任一项所述的微地震监测信号的数据处理方法。

9.根据权利要求8所述的微地震监测信号的数据处理系统，其特征在于，包括：

服务器、多个采集站和多个地震检波器；

地震检波器用于获取震动信号；

多个采集站设置在预定区域内，每个采集站与该采集站附近分布的多个地震检波器通讯地连接；

采集站用于获取多个地震检波器检测到的震动信号，根据震动信号得到初判有效微地震信号；还用于截取有效信号时间内所有地震检波器检测到的震动信号；

服务器与多个采集站通讯地连接，用于根据多个采集站的初判有效微地震信号判断是否为可用微地震信号；还用于指示采集站截取有效信号时间内所有地震检波器的震动信号，形成单位可用微地震信号组。

10.根据权利要求9所述的微地震监测信号的数据处理系统，其特征在于，所述服务器还用于在预定周期内接收多组单位可用微地震信号组，并将多组单位可用微地震信号组生成地震记录。

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