[发明专利]一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法

摘要

本发明公开了一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法,读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，使其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)经EMD分解后得到一系列IMF分量，这些IMF分量按频率从大到小顺序排列，剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号。该方法能充分保留微震信号固有的非平稳、非线性特征，具有自适应性且实时性较强，能对低信噪比微震信号进行有效消噪滤波。

主权项

一种煤矿井下低信噪比微震信号消噪滤波方法, 包括以下步骤：步骤S101：读取含噪微震信号监测数据时序序列X(t)，t=0,1,...,T，然后进入步骤S102；在步骤S102：对含噪微震信号X(t)进行EMD分解，分解终止条件有两个：①在含噪微震信号X(t)的数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等或最多差1个；②在任意点，由局部极大值构成的上包络线和由局部极小值构成的下包络线的均值为零；含噪微震信号X(t)进行EMD分解详细过程从步骤S201到步骤211；在步骤S201：找出曲线X(t)上的所有局部极大值，局部极大值指的是曲线波峰的顶端值，然后进入步骤S202；在步骤S202：采用三次样条函数插值拟合出局部极大值的上包络线，然后进入步骤S203；在步骤S203：找出曲线X(t)上的局部极小值，局部极小值指的是波谷的底端值，然后进入步骤S204；在步骤S204：用三次样条函数插值拟合出局部极小值的下包络线，然后进入步骤S205；在步骤S205：根据上包络线与下包络线得到均值包络线，即计算出上包络线与下包络线的平均值的包络线，记为m(t)，然后进入步骤S206；在步骤S206：求出含噪微震信号X(t)与均值包络线m(t)之差，记为h(t),则：h(t)=X(t)‑m(t)，然后进入步骤S207；在步骤S207：判断差值h(t)是否满足EMD分解终止的两个条件，如果是，则进入步骤S208；否则，将h(t)看做新的时间序列曲线，即X(t)=h(t),返回步骤S201继续分解；所述EMD分解终止的两个条件可表示为：（1）其中，h_k(t)是指在第k次迭代过程中信号h_(k‑1)(t)与其均值包络线m_(k‑1)(t)之差,即：h_k(t)=h_(k‑1)(t)‑ m_(k‑1)(t)；当SD值取为0.2，分解终止；在步骤S208，经过k次迭代后，满足前述EMD分解终止的两个条件，就得到了含噪微震信号X(t)的一个IMF分量，将其记为c(t)，然后进入步骤S209；在步骤S209：从含噪微震信号X(t)中减去该信号的高频部分c(t)，得到频率较低的信号残差r(t)，即：r(t)=X(t)‑c(t)，然后进入步骤S210；在步骤S210，判断信号残差r(t)是否可分解，如果是，则将r(t)看做一个新的信号序列，即X(t)=r(t)，返回步骤S201继续分解，否则，进入步骤S211；在步骤S211，经过n次迭代，就可得到一系列的IMF分量c_i(t),i=1,2,…,n和最后一个不可分解的信号残差res.，含噪微震信号X(t)可表达如下：（2）含噪微震信号经过EMD分解后，其中IMF1对应c₁(t), IMF2对应c₂(t),…，依此类推，signal表示含噪微震信号X(t)；步骤S103：剔除高频IMF分量，对剩余的IMF分量进行重构，得到消噪滤波后的微震信号：(3)其中， k取值为3，表示消噪滤波后的微震信号；含噪微震信号X(t)经过EMD分解后得到的第一个IMF分量c₁(t)频率最高，第二个IMF分量c₂(t)频率次之，…；而微震信号是非平稳的低频信号，因此可将高频部分的IMF分量进行剔除，将余下的IMF分量重构，即可实现含噪微震信号的消噪滤波。