[發(fā)明專利]一種基于VMD的礦山微震信號的降噪濾波方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710144435.7
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106814396B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張杏莉;盧新明;賈瑞生;彭延軍;趙衛(wèi)東
• 申請（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號: G01V1/36
• 分類號: G01V1/36
• 代理公司: 青島智地領(lǐng)創(chuàng)專利代理有限公司 37252
• 代理人: 陳海濱

本發(fā)明公開了一種基于VMD的礦山微震信號的降噪濾波方法，屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：讀取含噪微震信號的時序序列x(t)；對微震信號的時序序列x(t)進行VMD分解；計算微震信號的時序序列x(t)與各變分模態(tài)分量u_k的互相關(guān)系數(shù)；將中心頻率大于200Hz且與含噪微震信號的時序序列x(t)的互相關(guān)系數(shù)小于0.3的變分模態(tài)分量作為噪聲濾除，對剩余的變分模態(tài)分量進行重構(gòu)，得到降噪濾波后的微震信號。本發(fā)明能有效地避免模態(tài)混疊現(xiàn)象，具有自適應(yīng)性和實時性強的優(yōu)點，能對微震信號進行有效降噪濾波處理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于VMD的礦山微震信號的降噪濾波方法。

背景技術(shù)

巖石發(fā)生破裂時誘發(fā)微震，形成微震數(shù)據(jù)，而煤礦井下噪聲污染嚴重，因此微震數(shù)據(jù)中包含了大量外部噪聲，需將微震有效信號從噪聲中分離出來。

目前常用的巖石破裂微震信號的降噪濾波方法有經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)、集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)，小波分析等，這些方法運算速度慢、抗噪性能差、誤判率高、拾取精度低、算法實時性不強。如EMD在分解過程中會產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象，即分解得到的一個或多個IMF中包含差異極大的特征時間尺度，信號和噪聲混疊在一個或多個IMF中，很難達到有效地降噪濾波效果。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于VMD的礦山微震信號的降噪濾波方法，變分模態(tài)分解(VMD)是一種新的信號分解方法，相比于其它模態(tài)分解技術(shù)，它有效地解決了模態(tài)混疊問題，具有很好的噪聲魯棒性，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好的降噪效果。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于VMD的礦山微震信號的降噪濾波方法，包括如下步驟：

步驟1：讀取含噪微震信號x的時序序列x(t)，其中，t＝1，2，...，N，N為微震信號的采樣點個數(shù)；

步驟2：對含噪微震信號x進行VMD分解：

對含噪微震信號x采用VMD分解為一系列變分模態(tài)分量，使各個模態(tài)的估計帶寬之和最小，約束條件為各模態(tài)之和等于輸入信號x，約束變分模型描述為式(1)和式(2)：

s.t.∑_ku_k＝x (2)；

式(1)中，{u_k}：＝{u₁，...，u_K}為分解得到的K個有限帶寬的變分模態(tài)分量，{ω_k}：＝{ω₁，...，ω_K}為各變分模態(tài)分量的頻率中心，δ(t)為狄拉克(Dirac)函數(shù)，*表示卷積，j²＝-1；式(2)中，x為含噪微震信號，為對所有的變分模態(tài)求和；

為求解式(1)和式(2)的最優(yōu)解，引入擴展的Lagrange將約束變分問題變?yōu)榉羌s束變分問題，其表達式為式(3)：

其中，α為懲罰因子，λ(t)為拉格朗日乘法算子；

求解該變分問題的具體步驟如下：

步驟2.1：定義變分模態(tài)分量個數(shù)K值與懲罰因子α的值；

步驟2.2：初始化

步驟2.3：令n＝n+1，執(zhí)行整個循環(huán)；

步驟2.4：執(zhí)行內(nèi)層第一個循環(huán)，根據(jù)式(4)更新u_k；

其中，為信號x(t)的傅立葉變換，