夏芳芳 李貞良

【摘要】 P波的自動拾取是微震檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是實現(xiàn)震源定位的首要條件。針對P波震相拾取的特點，在對長短時窗平均（STA/LTA）算法分析研究的基礎(chǔ)上，對其能量特征函數(shù)進行了改進，解決了原STA/LTA拾取的到時點變化幅度過小及觸發(fā)點與實際到時點有誤差的問題。針對STA/LTA算法長短窗大小選取困難的缺點，提出了基于時窗能量熵法的微震到時拾取，它將滑動時窗進行二等分，計算每個時窗的能量，然后將其作為能量特征計算總滑動時窗的能量熵。根據(jù)能量熵的變化情況得出微震P波到時。研究結(jié)果表明，對典型的高信噪比微震信號，此方法拾取結(jié)果與人工拾取基本一致。

【關(guān)鍵詞】 微震 到時拾取 長短時窗平均 時窗能量熵

引言

近年來，隨著我國礦井逐年增加的開采深度，井下重大惡性事故頻發(fā)，因此微震檢測技術(shù)成為了煤礦開采產(chǎn)業(yè)的重中之重，自動化微震檢測技術(shù)對礦山的安全開采和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義和作用。利用此技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)報礦山活動情況和危險狀況，對井下開采過程進行實時化的監(jiān)控，也可以為礦山設(shè)計提供安全的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生，保證煤礦開采的經(jīng)濟和社會效益。

一、STA/LTA算法

STA/LTA是目前應(yīng)用廣泛的一種微震信號P波到時自動拾取的方法，它的主要原理是用特征函數(shù)計算滑動長時窗和短時窗的能量平均值，長時窗平均值（LTA）主要反應(yīng)的是信號背景噪聲的變化趨勢，短時窗平均值（STA）主要反應(yīng)的是微地震信號的能量變化趨勢[1]。當(dāng)信號到達(dá)時，短時窗平均值增加的幅度比長時窗平均值要大，相應(yīng)的STA/LTA值會有一個較大的變化，當(dāng)其值大于一個用戶設(shè)定的閾值時，此極值點就認(rèn)為是微震P波到時。

實驗表明在所有地震波中，P波擁有最快的傳遞速度，因此地震發(fā)生時，P波是最早抵達(dá)測站，并被地震儀紀(jì)錄下來的地震波[2]。每一個微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，對接收到的微震信號進行處理、分析，可作為評價巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。對P波的精確拾取對于微震震源定位和解釋震源機制有著重要的意義，但人工查看信號圖和拾取P波到時既耗時又耗費人力。

目前應(yīng)用廣泛的微震到時自動拾取方法有基于時間域信號能量變化構(gòu)建特征函數(shù)提出的長短時窗平均（STA/ LTA），此方法的原理可以簡單理解為將短時窗的右側(cè)與長時窗右側(cè)對齊同時滑動，待測信號同時進入長短時窗，并且短時窗變化靈敏，當(dāng)值達(dá)到極值點時對應(yīng)微震初至到時?？梢缘玫酱藭rSTA/LTA的極值點與微震P波到時基本一致，并且極值點的跳躍幅度較大，易于閾值的選取[3]。此STA/ LTA算法的優(yōu)點是算法簡單容易實現(xiàn)，時間成本較低等，但是長短時窗窗口需分別選取，并且大小設(shè)定較為困難，由此我們引入了基于時窗能量熵法的微震到時拾取。

二、基于時窗能量熵法的微震到時拾取

信息熵是由信息論創(chuàng)始人香農(nóng)提出來的，他用信息熵的概念來描述信源的不確定度，其目的是為了研究在收到一個信號前如何科學(xué)的度量結(jié)果的不確定性[4]。本文將長短時窗的特征函數(shù)引入能量熵的概念，能量熵反應(yīng)的是滑動時窗內(nèi)的振動信號總能量的不確定度；然后將長時窗二等分，得到前后兩個短時窗，當(dāng)時窗滑動時，前后時窗的能量分布發(fā)生改變，能量熵值大小隨之變化，得到信號能量熵隨時間的變化情況。當(dāng)振動信號能量突變，集中在某一個時窗內(nèi)時，振動信號的不確定性減小，即能量熵減小。越集中則能量熵也就越小。當(dāng)前后時窗的能量值大小相當(dāng)時，能量熵值達(dá)到最大。

時窗在待測信號上滑動大致可分為四種情況：時窗未到達(dá)初至點時，后時窗到達(dá)初至點時，前時窗到達(dá)初至點時，時窗經(jīng)過初至點時。時窗未到達(dá)初至點時，由于能量分布較均勻，信號不確定性大，能量熵值較大；后時窗到達(dá)初至點時，后時窗能量開始顯著增大，能量分布開始逐漸集中于后時窗，信號不確定性開始減小，能量熵值隨之減小；前時窗到達(dá)初至點時能量熵值達(dá)到最小值；待測信號進入前時窗時，能量分布趨向均勻，能量熵值增大。此方法的優(yōu)點在于算法簡單容易實現(xiàn)，時間成本較低，并且只需一個時窗大小的選取。

三、結(jié)論

P波的自動拾取是微震檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是實現(xiàn)震源定位的首要條件。針對P波震相拾取的特點，本文在對長短時窗平均（STA/LTA）算法分析研究的基礎(chǔ)上，對其算法的能量特征函數(shù)進行了改進，使其更加易于微震到時點的選取及提高微震到時點拾取的準(zhǔn)確性，并提出了基于時窗能量熵法的微震P波到時拾取。對典型的高信噪比微震信號，此方法拾取結(jié)果與人工拾取基本一致，并在時窗選取上優(yōu)于STA/LTA算法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Allen R V. Automatic earthquake recognition and timing from single traces. Bull. Seismol. Soc. Amer. ， 1978， 68（5）： 1521-1532.

[2]馬強，金星，李山有，陳緋雯，廖詩榮，韋永祥.用于地震預(yù)警的P波震相到時自動拾取[J].地球物理學(xué)報，2013，07：2313-2321.

[3]梁喆，彭蘇萍，鄭晶. 基于EMD和互信息熵的微震信號自適應(yīng)去噪[J]. 計算機工程與應(yīng)用，2014，04：7-11+32.

[4]張超，陳建軍，郭迅. 基于EMD能量熵和支持向量機的齒輪故障診斷方法[J]. 振動與沖擊，2010，10：216-220+261.