基于改进的STA/LTA方法的微地震P波自动拾取技术

基于STA/LTA方法,提出了一种改进的自动拾取P波到时算法.引入权重因子K,构建了一种新的特征函数,提出寻找STA/LTA曲线上的最大值对应时刻为P波到时的方法,并运用Matlab对冬瓜山铜矿微震事件进行初至拾取分析.结果表明:该方法能够准确地拾取微地震P波初至,减少了传统的STA/LTA算法需要调整触发阈值(Thr)的过程,克服了固定阈值不能适应复杂多变信号到时拾取的缺点,具有抗噪性强、稳定性强、拾取精确度高等优势.

STA/LTA方法拾取天然地震波初至及其改进分析

长短时窗均值比(Short Term Average/Long Term Average,STA/LTA)方法因原理简单、实时性强,在地震波初至拾取中应用最为广泛.传统STA/LTA方法阈值选取依赖于人工经验,且其针对单一信号设定的阈值无法适用于不同类型的地震记录.针对此问题,本文通过建立阈值与背景噪声之间的联系,提出两种基于参考阈值拾取地震波初至新方法,即基于参考阈值的STA/LTA方法与基于参考阈值的STA/LTA改进法.首先,分析不同特征函数拾取地震波初至的灵敏度,引用关于信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)的特征函数抑制背景噪声干扰,降低阈值选取的难度;其次,给出不同背景噪声环境下阈值的计算公式,将阈值选取建立在严密的数学推导之上,提出基于参考阈值的STA/LTA方法;最后,针对天然地震背景噪声复杂,地震波初至拾取受短时强噪声干扰大的问题,通过改进时窗位置并加入取消时窗的方法提高算法的抗干扰能力,提出了基于参考阈值的STA/LTA改进法.实际地震数据处理结果表明,本文提出的两种方法能够克服固定阈值不能适用于所有地震记录的缺点,相较于传统STA/LTA方法拾取正确率及精度均有所提升.

基于STA/LTA的瞬变电磁响应采集方法

瞬变电磁(transient electromagnetic,TEM)响应信号的采集是TEM物探中的关键环节,信号的采样质量决定了数据分析与解释的准确性。常规同步式接收机的延时采样方法和非同步式接收机的全波形采样方法往往不具信号识别能力,较差的采集结果常需要进行人工调整,这会为最终结果增加不确定性。针对上述问题,提出了基于短时均/长时均(short-term average/long-term average,STA/LTA)的TEM响应采集方法,结合实测数据进行分析,确定了将短时窗设为40μs、长时窗设为短时窗的10~20倍、选择CF2(n)作为特征函数能够获得较好的识别结果;从信噪比出发,分析了均匀分布噪声、高斯白噪声、单一频率干扰对STA/LTA方法识别率的影响;将STA/LTA算法移植于低功耗接收机进行单次采样与叠加采样测试,结果表明,在两种采样模式下采集的数据有着高的相似性,测试信号的能量比最差为84%,最优为99%,说明STA/LTA方法有着准确识别TEM响应的能力,证明了基于STA/LTA的TEM响应采集方法的可行性。

基于STA/LTA的输油管道泄漏检测方法

研究了将微震检测中的STA/LTA方法与负压波检测法相结合,并应用于输油管道泄漏检测的技术方法.根据管道泄漏时产生的负压波波形与微震信号初至的相似性,可利用STA/LTA方法对该特征波形进行准确的提取和捕捉,并通过对比管道首末站检测到该特征波形的时间差,对泄漏点位置进行定位.研究表明该方法可有效识别突变的负压波信号,并减少传统泄漏检测方法中小波变换等信号处理方法带来的计算复杂性.室内实验结果表明,将STA/LTA应用于输油管道泄漏检测具备可行性且能够有效识别负压波信号.

基于自适应轮动归类的微震震相识别方法

震相识别为震源定位提供了可获取必需初始数据的微震信号片段.基于自适应高通滤波、背景噪声幅值上下界计算、轮动圆半径计算及轮动迭代、超限点归类分组4个信号处理流程提出了自适应轮动归类法,并分析了4个初始参数的影响程度及其取值依据.通过计算背景噪声与微震响应的特征值提出了用于判定微震信号有效性的微震信号信噪比(SNRmss),将SNRmss与信号长度分别同震相识别方法的计算速度与识别偏差进行了相关性分析.对比分析了模型试验与实际工程下该方法与改进长短时窗法(STA/LTA)在识别准确率、识别稳定性、计算速度、计算稳定性等方面的优劣.结果表明:相较改进STA/LTA方法,自适应轮动归类法对长度不同信号的识别容错率与稳定性更高.在模型试验下,自适应轮动归类法的识别准确率提高了25.0%,识别偏差标准差为前者的17.4%,计算时间平均值、标准差分别为前者的44.2%、67.4%;实际工程中,自适应轮动归类法的识别准确率提高了4.8%,识别偏差标准差为前者的34.2%,计算时间平均值、标准差分别为前者的40.9%、55.9%.

一种地震P波和S波初至时间自动拾取的新方法

地震P波、S波初至时间的拾取是地震波分析的一项基础性工作.本文提出了一种新的地震波初至时间自动拾取的方法:首先,把地震波的三分量时程曲线变换为一组空间向的能量变化率时程曲线;然后对能量变化率时程曲线进行STA/LTA(Short Time Average/Long Time Average,短时间的均值/长时间的均值)处理,拾取地震P波和S波的大致初至时间;最后提出采用一种二次方自回归模型对初至附近的能量变化率曲线进行二次方自回归处理,精确拾取出P波和S波的初至时间.本文采用了10组芦山地震的记录数据和150组汶川地震的记录数据对此方法的可靠性进行了检验.以人工拾取结果为参考,此方法具有很高的准确率和稳定性,同时,相比于常用的STA/LTA方法和AIC(Akaike Information Criterion,Akaike信息准则)方法,此方法在计算时间效率方面稍微逊色,但是对S波初至时间的拾取精度和可靠性更高.此方法丰富了地震P波、S波初至时间的自动拾取方法.

基于时频分析的微震P波和S波到时联合拾取方法

微震信号到时的精确拾取是震源定位的重要前提,准确获取微震信号P波、S波到时具有重要理论意义。基于时频分析原理与到时拾取原理,提出了基于时频分析的下山比较法。该方法的时频分析原理通过语谱图、功率密度谱图、连续两次FIR带通滤波获取了背景噪声的位置和规律、P波和S波初至前后微震信号的频率、振幅、能量变化以及光滑且利于迭代平均值比较的波形。该方法的到时拾取原理通过将全子波振幅的数学期望设置为阈值,并遵循P波和S波功率大小、到达先后、波形重叠三大关系迭代比较微震信号子波振幅,从而获得P波精确到时和S波峰值到时。利用模型试验比较了该方法较改进长短时窗(STA/LTA)方法的优越性,并在工程实例中获得验证。结果表明:该方法对比改进STA/LTA方法,前者可同时拾取P波精确到时与S波峰值到时而后者只能拾取P波精确到时,前者P波平均时差、标准差分别为后者的6.18‰、3.98‰,前者单次拾取所需平均计算时间、标准差分别为后者的43.99%、10.54%,前者到时拾取失败比例为0,而后者为15.63%。

基于WPT-LMD预处理的震动信号有效辨识方法研究

提出了一种联合小波包分解(WPT)和局域均值分解(LMD)的信号预处理方法,并在此基础上使用改进的STA/LTA方法实现对震动信号的有效辨识。研究结果表明WPT-LMD预处理方法是一种省时、高效、自适应强的信号处理方法,对类微震的非线性、非平稳、低信噪比信号有较好的应用效果,且能避免传统时频信号降噪处理方法应用时造成震相初至时刻偏移的弊端;联合改进的STA/LTA方法对超声波波速初至时刻拾取、实验室声发射测试、矿井现场爆破微震信号均表现了良好的应用效果;该种信号预处理方法特别适合于复杂煤层结构的微弱震动信号处理,开展此类研究将有助于提高煤矿现场微震监测的精度和效率。

利用标准时频变换方法在强噪声环境下无偏拾取地震P波、S波到时

地震P波、S波到时是精确分析地震水平位置、深度与速度结构等的重要参数,如何准确拾取P波和S波到时是地震学的一项重要的基础工作.大数据量与强噪声环境给地震到时的自动拾取带来了很大挑战.在频率域中可将信号与噪声分离,但会造成震相的偏移.针对上述问题,本文在STA/LTA、AIC方法的基础上,引入了标准时频变换(Normal Time-Frequency Transform,NTFT),结合信号时间域与频率域特征,提出了基于NTFT的STA/LTA方法,以及基于NTFT的AIC方法来拾取P波和S波的到时.基于NTFT的STA/LTA方法通过构建即时频率约束的特征函数,以增强地震信号振幅响应的变化特征.基于NTFT的AIC方法则根据NTFT的变换系数定位即时频率-时间基准点,通过滑动窗口直接对标准时频谱进行AIC处理拾取最佳到时.本文采用了不同强度噪声的60组合成数据和105组实测地震数据对方法的可靠性进行检验.以人工拾取到时为参考,实测数据中NTFT-STA/LTA方法拾取P波、S波到时的均方根误差分别为0.36 s和0.56 s;NTFT-AIC方法拾取P波、S波到时的均方根误差分别为0.25 s和0.35 s.相比于STA/LTA、AIC方法,NTFT改进后的方法提高了P波和S波到时的拾取准确率,为强噪声环境下的地震波形到时拾取提供了新思路.

HVSR法数据精细化处理中若干干扰和校正问题的解决方法研究

微动HVSR方法因其布点灵活,现已广泛应用于城市浅地表的勘探中,然而城市中干扰因素众多,如车辆震动干扰、高压线电磁干扰、声波干扰等,而且受仪器制造工艺影响,现今的三分量检波器普遍存在零点漂移现象,造成振动曲线的扭曲畸变。因此需要对原始数据中的干扰因素和畸变进行剔除和校正,才能获得品质良好的谱比曲线。本文详细讨论了微动HVSR方法数据处理过程中普遍存在的几个客观问题,并给出了相应的解决方案:①瞬态干扰信号采用STA/LTA方法标记后剥离;②仪器零点漂移校正采用“分段标记重构法”;③谐波干扰去除采用“自适应谐波干扰降噪技术”;④频谱和谱比值优化计算时采用滑动时窗叠加和帕曾窗进行平滑。将武汉法泗镇岩溶塌陷区的探测数据采用上述方法进行精细化处理,最终获得了优质的二维谱比剖面,该剖面与钻孔以及其它物探资料对应良好,能够很好地刻画岩溶塌陷坑边界范围。这为HVSR法的优化处理提供了示例。

近震信号检测参数设置研究

地震信号检测是进行各种地震数据分析和处理的首要任务,STA/LTA方法具有算法简单、便于实时处理等特点,被广泛应用于地震信号检测。结合实际震例数据研究STA/LTA方法进行地震信号检测的各种影响因素,得到该方法进行检测时最合理的参数设置范围。

地震事件检测及预警装置的设计

针对我国地震灾害较严重的现象,以地震发生时的P波为检测对象,采用STA/LTA算法,设计了地震检测和预警装置。通过对STA/LTA算法的改进、硬件的设计及电路的调试,实现了地震数字信号的高精度采集,在破坏性地震波到来之前发出预警,及时采取相应措施,避免经济损失和人员伤亡。

基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法研究及应用

微地震事件初至拾取是微震监测数据处理的重要步骤之一,其精度是微地震震源定位结果的决定性因素,影响后续的解释结果.前人利用互相关函数与微地震记录相似波形特征原理,对具有相似震源位置或破裂机理的微地震事件采用波形互相关的方法进行初至拾取,但微地震事件的信号,在经过不同的传播路径,被不同检波器接收到的波形是存在差异的,若这种差异大到无法通过互相关来求取微地震信号的到时差,就会出现明显误差.本文提出基于检波器间距约束的互相关初至拾取方法,该方法在互相关函数中引入检波器间距约束条件.首先对全局有效道进行互相关运算及时差校正,其次对时差校正后的记录进行基于检波器间距约束的局部互相关运算并进行时差校正,再利用叠加道计算对经过二次时差校正后的多道记录进行叠加,并运用STA/LTA方法对新生成的叠加道进行初至拾取,最后结合叠加道初至信息以及时差相对校正量,既可得到微地震事件的初至到时.实际资料处理结果表明,相比于常规多道互相关方法,该方法合理地避免了震检距对初至到时的影响,有效地提升了微地震事件初至拾取的精度.

煤岩试验的声发射全波形自动拾取方法研究

根据煤岩试验中声发射信号特征,提出了一种声发射波形自动拾取方法,以实现加载全过程中声发射波形自动拾取。结果表明:煤岩试验中声发射波形在不同加载阶段表现出不同特点,峰前声发射波形上升时间和持续时间较短,峰后声发射波形上升时间和持续时间略长;峰前弹性阶段声发射波形上升方向多为负方向,峰前塑性阶段和峰后阶段波形上升方向多为负方向。该自动拾取方法基本可以实现声发射全波形自动拾取,且拾取效果较好。

SKS波分裂自动计算实现

SKS波分裂方法是研究地球内部各向异性的常用方法.随着地震资料数量的急剧增加,人工拾取并计算SKS波分裂需要耗费大量的时间和精力.本研究提出通过利用STA/LTA方法识别SKS波震相,利用时频分析确定滤波范围,并利用滑动时间窗时结果的稳定性选取SKS波时间窗,进而实现了SKS波分裂分析的自动化.运用该方法分析流动地震台站观测数据,并与人工计算SKS波分裂的结果进行对比,验证了该方法的正确性和可靠性.