基于小波包分解重构的微震信号降噪方法研究与实现

作     者：曹伟 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙红梅

授予年度：2018年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：微震信号降噪 小波包分解 信号重构 互相关 

摘      要：冲击地压是矿山深部开采过程中所面临的主要自然灾害之一。为了保障矿山的安全生产,需要对冲击地压实施综合监测。而对采集得到的信号进行降噪处理是提高综合检测效率的关键。其中随机噪声在微震记录中随机出现,分布无规律,较难去除。因此,研究随机噪声降噪方法成为微地震信号降噪的工作重点。基于此,本文主要针对微震产生的随机噪声降噪方法进行研究。传统降噪方法没有充分考虑信号和噪声分布,降噪效果不明显。本文对小波包分解重构理论做了较为深入的研究和讨论,进而给出一种基于小波包分解重构原理的微震信号降噪方法。该方法在抑制噪声的同时尽可能保留有效信号不丢失,从而更好地提高信号的降噪效果。主要包括以下三方面的研究内容:(1)总结了传统降噪方法的降噪原理,并对其各自的优缺点进行了对比分析。针对本文降噪方法所涉及到的相关理论,文章做了充分的描述,为本文降噪方法的提出和后面实验的有序进行提供了理论基础。(2)研究并提出一种面向微震信号的降噪方法,基本思路是:根据拾震器采样频率对微地震信号进行N层小波包分解,得到2N个子频带,计算各子频带与原信号之间的互相关系数,互相关系数较大的子频带不做处理,中等相关的子频带采用阈值降噪,剩余子频带直接排除,最后重构处理后的子频带,得到最终的降噪信号。同时给出了降噪过程中相关参数的选取和量化方法,并针对不同参数对降噪效果的影响进行了较为详细的对比分析。(3)研究并开发了一套基于Matlab/GUI开发平台的微震降噪系统,将本文方法的降噪理论应用到系统当中。通过仿真分析和实例分析,分别将本文提出的降噪方法与传统的傅里叶变换降噪法、中值滤波法以及经验模态分解法作对比,观测不同方法的降噪效果,以验证本文方法的有效性。引入信噪比、均方根误差以及能量百分比作为降噪效果评估标准。仿真分析表明,加噪后的信号经过本文方法降噪后较好地保留了信号特征,与传统的傅里叶变换降噪法、中值滤波法和经验模态分解法相比,有更高的信噪比、更低的均方根误差以及更高的能量百分比。工程上的真实微震信号通过该方法处理后,也取得了较好的效果。综合分析,该方法可以用于微震信号降噪的处理与分析。