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基于EEMD_Hankel_SVD的矿山微震信号降噪方法

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煤炭学报 2018年第7期43卷 1910-1917页

作者：李伟江晓林陈海波金珠鹏刘志军李兴伟林井祥黑龙江科技大学矿业工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学电子与信息工程学院黑龙江哈尔滨150022

针对矿山微震信号降噪,提出了一种基于EEMD_Hankel_SVD(集合经验模态分解_Hankel矩阵_奇异值分解)的微震信号降噪方法。首先采用EEMD获得多层模态分量,计算各模态分量与原始信号的相关系数,剔除第一个相关系数差值局部最大值前的模态分... 详细信息

针对矿山微震信号降噪,提出了一种基于EEMD_Hankel_SVD(集合经验模态分解_Hankel矩阵_奇异值分解)的微震信号降噪方法。首先采用EEMD获得多层模态分量,计算各模态分量与原始信号的相关系数,剔除第一个相关系数差值局部最大值前的模态分量。对剩余各模态分量分别构建Hankel矩阵,再计算各Hankel矩阵的奇异值矩阵。根据奇异值曲线划分信号空间和噪声空间,实现剩余各模态分量的降噪,进而对降噪后的模态分量相加得到降噪信号。仿真试验表明该方法能有效保留信号的局部特征,提高了信噪比;矿山微震信号应用表明该方法有效地提高了STA/LTA,PAI-K和AIC法P波初至拾取效果;仿真试验和矿山微震信号P波拾取均表明该方法降噪效果优于小波重构、EMD重构和Hankel_SVD降噪,且该方法与AIC法结合拾取效果最佳。

关键词：微震信号降噪集合经验模态分解 Hankel矩阵奇异值分解 P波初至拾取

基于变分模态分解和独立成分分析的矿山微震信号降噪

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振动与冲击 2019年第4期38卷 56-63页

作者：黄维新刘敦文中南大学资源与安全工程学院长沙410083

微震信号降噪对P波、S波初至拾取、震源定位和震源机制反演等具有重要意义,为此提出一种基于变分模态分解和独立成分分析的微震信号降噪方法。采用变分模态分解将微震信号分解为特定数目的模态分量,再根据模态分量与原微震信号的相关系... 详细信息

微震信号降噪对P波、S波初至拾取、震源定位和震源机制反演等具有重要意义,为此提出一种基于变分模态分解和独立成分分析的微震信号降噪方法。采用变分模态分解将微震信号分解为特定数目的模态分量,再根据模态分量与原微震信号的相关系数剔除噪音特别大的模态分量。针对噪音与有用信号混合的模态分量,采用独立成分分析提取有用信号,再与剩余的低频模态分量相加得到VMD_ICA降噪信号。此外,采用正弦函数拟合的方法去除VMD_ICA降噪信号存在的工频噪音。信号测试表明:VMD_ICA法和VMD_ICA_Sine法降噪均能有效保留微震信号的局部特征,且其信噪比大于直接去除部分模态分量。矿山微震信号应用进一步表明:VMD_ICA法和VMD_ICA_Sine法均能提高微震信号的信噪比,有效地提高了PAI-K法P波初至拾取效果,且VMD_ICA_Sine法优于VMD_ICA法降噪效果。综上所述,VMD_ICA_Sine法能为矿山微震信号降噪提供一种较好的分析方法。

关键词：微震信号降噪变分模态分解(VMD) 独立成分分析(ICA) 正弦函数去噪信噪比(SNR) P波初至拾取

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基于LMD–SVD的微震信号降噪方法研究

工程科学与技术 2019年第5期51卷 126-136页

作者：董林鹭蒋若辰徐奴文钱波四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室

作为一种3维、实时的监测手段,微震监测通过分析岩体破裂产生的微震信号,评估工程岩体的稳定性,为工程建设和人员安全提供预警。然而,工程现场情况复杂,采集微震信号时通常会混入一定程度的噪声,影响后续微震信号的分析工作。针对这一问... 详细信息

作为一种3维、实时的监测手段,微震监测通过分析岩体破裂产生的微震信号,评估工程岩体的稳定性,为工程建设和人员安全提供预警。然而,工程现场情况复杂,采集微震信号时通常会混入一定程度的噪声,影响后续微震信号的分析工作。针对这一问题,提出一种基于局部均值分解(local mean decomposition,LMD)和奇异值分解(singular value decomposition,SVD)的LMD–SVD联合降噪法以降低噪声干扰。该方法首先使用LMD分解,获得一系列由高频到低频分布的乘积函数(product functions,PF);通过计算原始信号与各个PF分量之间的相关系数,确定含噪信号与有效信号之间的分界位置,将分界分量之前的分量剔除,实现初步降噪。然后,针对LMD分解结果中的残留噪声,使用SVD法,以加权能量贡献率(percent of contribution to total energy,PCTE)作为奇异值阶数的确定方法,对分界PF分量进行降噪处理,实现二次滤波。通过上述处理,最终实现微震信号降噪。在仿真实验中,对于同一带噪的Ricker子波,分别使用经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)、LMD、LMD–SVD这3种方法进行降噪处理。其降噪前后信号的信噪比、波形图及频谱图对比结果表明LMD–SVD是一种更好的降噪方法。此外,对于白鹤滩水电站左岸地下厂房的微震监测系统所采集的信号,运用LMD–SVD对含噪微震信号进行降噪处理,表明本文方法能够有效地去除微震信号中的高频噪声,为后续微震分析工作提供帮助。

关键词：微震信号降噪局部均值分解奇异值分解相关系数

基于WPD-EMD-WPD的地下工程微震信号降噪方法研究

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工程地质学报 2024年第2期32卷 581-589页

作者：林鑫李彪杨春鸣钟维明徐奴文西南石油大学地球科学与技术学院成都610500 四川大渡河双江口水电开发有限公司马尔康624099 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司成都610072 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065

微震信号中的背景噪声会影响初至拾取、震源定位及参数反演,合理有效的降噪方法是微震监测技术成功应用于工程建设的重要基础。本文提出一种基于WPD-EMD-WPD的方法抑制噪声,并采用信偏比衡量降噪效果。该方法首先对含噪信号小波包预降噪... 详细信息

微震信号中的背景噪声会影响初至拾取、震源定位及参数反演,合理有效的降噪方法是微震监测技术成功应用于工程建设的重要基础。本文提出一种基于WPD-EMD-WPD的方法抑制噪声,并采用信偏比衡量降噪效果。该方法首先对含噪信号小波包预降噪,实现初次滤波;然后对预降噪后的信号进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD),自适应分解得到IMFS,通过相关系数法确定IMFS分解分量位置;最后,对分界分量之前的高频分量小波包降噪,再与低频分量重构。分别使用小波包、EMD、EMD-WPD、WPD-EMD-WPD 4种方法进行仿真实验,对含噪Ricker子波降噪处理,通过对比降噪前后的降噪效果衡量指标、频谱图、波形图对比发现,WPD-EMD-WPD降噪效果更优,且信偏比与其他降噪指标有良好对应性。将该方法应用于国内某大型水电工程地下洞室,结果表明,该方法能获得更低的信偏比,且能更好地反映初至时刻和岩石微破裂信息。

关键词：微震信号降噪信偏比经验模态分解相关系数小波包

基于EMD-SVD的矿山微震信号降噪方法及其应用

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安全与环境工程 2024年第3期31卷 110-119页

作者：朱权洁隋龙琨陈学习欧阳振华刘晓辉华北科技学院应急技术与管理学院河北三河065201 华北科技学院矿山安全学院河北三河065201

为了提高微震监测技术对微震信号分析处理的准确性,充分提取微震信号波形中的有效信息,针对矿山微震信号非平稳、非线性的特点,提出了一种基于经验模态分解(EMD)和奇异值分解(SVD)的联合降噪方法。该方法首先通过EMD分解获得信号的IMF分... 详细信息

为了提高微震监测技术对微震信号分析处理的准确性,充分提取微震信号波形中的有效信息,针对矿山微震信号非平稳、非线性的特点,提出了一种基于经验模态分解(EMD)和奇异值分解(SVD)的联合降噪方法。该方法首先通过EMD分解获得信号的IMF分量,利用相关系数、方差贡献率和相似度对IMF分量进行了优选;然后使用优选后的IMF分量重构一维微震信号时间序列的相空间数据,经过SVD分解后,利用奇异值能量百分比确立了SVD重构阶数,并根据SVD恢复原理得到了降噪后的一维微震时间序列;最后以山东某矿现场矿山爆破为例,采用不同降噪方法对3类典型微震信号进行了降噪处理,并对其降噪效果进行了对比分析。结果表明,EMD-SVD降噪方法与传统降噪方法相比,其平均信噪比提高了35%,平均均方根误差降低了50%,有效剔除了微震信号的噪声分量,保留了信号的特征信息。该研究对分析矿山微震信号、微震事件定位及煤矿动力灾害监测具有重要意义。

关键词：矿山安全微震监测技术微震信号降噪经验模态分解奇异值分解

基于小波包分解重构的微震信号降噪方法研究与实现

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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：曹伟山东科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：微震信号降噪小波包分解信号重构互相关

自适应Laplace小波字典的矿山微震信号稀疏降噪方法

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能源与环保 2024年第10期46卷 69-76页

作者：李亚飞何金刚周勇胡俊锋张磊大悟振兴石业有限责任公司湖北孝感4328202 湖北祝安安全技术有限公司湖北襄阳441025 江西交通职业技术学院江西南昌330013 武汉科技大学湖北武汉430081

针对矿山微震信号降噪问题,提出了一种基于自适应Laplace小波字典的稀疏降噪方法。该方法从矿山微震信号特征波形的先验知识分析入手,首先通过相关滤波法选取与微震信号特征波形最匹配的Laplace小波参数,并以此构造Laplace小波参数字典... 详细信息

针对矿山微震信号降噪问题,提出了一种基于自适应Laplace小波字典的稀疏降噪方法。该方法从矿山微震信号特征波形的先验知识分析入手,首先通过相关滤波法选取与微震信号特征波形最匹配的Laplace小波参数,并以此构造Laplace小波参数字典。然后结合正交匹配追踪(OMP)算法,稀疏重构出微震信号的特征波形。考虑到相关滤波法计算量大、时间较长,使用鲸鱼优化算法(WOA)进行快速的全局参数寻优。仿真微震信号和实测信号分析结果表明,所提出方法可有效重构出微震信号的特征波形,实现微震信号的降噪,且对噪声具有一定的抗干扰能力。相比常用的集合经验模态分解(EEMD)方法,提出的基于自适应Laplace小波字典的稀疏降噪方法具有一定的优越性。

关键词：微震信号降噪 Laplace小波字典稀疏分解特征重构

矿山微震信号多尺度降噪及震源精确定位方法研究与应用

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矿山微震信号多尺度降噪及震源精确定位方法研究与应用

作者：郭宏扬重庆大学

学位级别：硕士

近年来,随着矿山逐步向深部发展,巷道冒顶、岩爆等灾害时常发生,对矿山工作人员的安全和财产影响极大。基于地球物理的微震监测技术可通过处理分析传感器接收的微震信号而获得震源位置、震源机制等信息,在矿山、隧道等工程领域中发挥着... 详细信息

近年来,随着矿山逐步向深部发展,巷道冒顶、岩爆等灾害时常发生,对矿山工作人员的安全和财产影响极大。基于地球物理的微震监测技术可通过处理分析传感器接收的微震信号而获得震源位置、震源机制等信息,在矿山、隧道等工程领域中发挥着极为重要的作用。微震监测技术主要包括:传感器布置网络优化、微震监测数据处理和微震事件定位等。其中,微震事件定位研究是核心问题,其定位精度主要受震源定位方法、P波初至拾取、微震信号质量等因素影响。目前,基于P波到时的震源定位方法是较为常用的,然而矿山微震信号通常受采矿、机车运输等影响而带有大量背景噪音,导致P波初至拾取存在一定误差;传统震源定位目标函数多是采用L1、L2范数,其存在定位精度低、稳定性差等问题;梯度类算法易受初始值影响而陷入局部最优解,启发式算法存在工作量大、效率低等问题。为此,本文开展了矿山微震信号多尺度降噪、P波初至拾取和震源定位方法研究,主要研究内容和结果如下:(1)针对矿山微震信号存在大量背景噪音、信噪比低等问题,基于EEMD和PCA理论,本文提出一种矿山微震信号多尺度降噪方法,并将其与长短时窗均值比法、峰度法和池赤回归准则法等P波初至拾取方法相结合,具有较好的自动拾取效果。仿真信号测试表明EEMD-PCA降噪方法能较好的保留原信号特征;矿山微震信号应用表明该方法能够有效去除高频、刺突等噪音,提高了P波初至拾取精度。该方法具有能对单个微震信号开展PCA降噪、噪音适应性强、信号特征保留好等特点,与池赤回归准则法相结合具有较好的P波初至拾取效果,可为后续震源定位研究提供良好的数据基础。(2)针对P波初至拾取存在一定误差、梯度类算法易受初始值影响等问题,本文提出一种基于数据场的微震信号大误差拾取去除及震源重定位方法。结果表明:基于数据场的TD2法(DF1-TD2)和基于数据场去除大误差的TD2法(DF2-TD2)定位误差明显小于TD2法,且DF2-TD2法定位结果优于DF1-TD2法定位结果。用沙坝矿八次爆破事件的TD2、DF1-TD2和DF2-TD2法定位平均误差分别为460.51m、46.74m和40.71m,工程应用结果与上述研究结果相符。(3)针对L1、L2范数存在定位精度低、稳定性差,远距离P波到时误差大等问题,本文基于Log-Cosh函数,提出了一种剔除远距离传感器到时的震源定位方法。结果表明:不管是否去除远距离传感器所拾取的P波到时,基于数据场的Log-Cosh法定位精度都高于基于L1、L2范数的定位方法,而在去除远距离传感器所拾取的P波到时后,三种定位方法的定位误差都有明显的下降,表明了Log-Cosh函数、数据场理论的优越性和剔除远距离P波初至数据的必要性。

关键词：矿山微震震源定位微震信号降噪 P波初至拾取

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基于小波包分解重构的微地震信号降噪方法

电子测量与仪器学报 2018年第4期32卷 134-143页

作者：曹伟孙红梅贾瑞生崔云洁陈兴飞山东科技大学计算机科学与工程学院山东科技大学山东省智慧矿山信息技术省级重点实验室

针对微地震信号所具有的随机非平稳特点,基于小波包分解重构原理提出一种微地震信号降噪方法。首先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2~N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... 详细信息

针对微地震信号所具有的随机非平稳特点,基于小波包分解重构原理提出一种微地震信号降噪方法。首先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2~N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小波软阈值降噪,剩余子频带直接排除,最后重构处理后的信号分量,得到最终的降噪信号。引入信噪比、均方根误差以及降噪后信号占原信号的能量百分比作为降噪效果评估标准。仿真结果表明,在对微地震信号降噪时,该方法可以有效地压制噪声,信噪比提升了10 d B以上,均方根误差降低至0.035以下,能量百分比在90%以上。工程上的实际微地震信号通过该方法处理后,也取得了较好的效果。

关键词：微震信号降噪小波包分解信号重构互相关