基于LabVIEW和MATLAB的礦山微震信號(hào)小波分析與研究

晏建洋，吳建星

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

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基于LabVIEW和MATLAB的礦山微震信號(hào)小波分析與研究

晏建洋1，2，吳建星1，2

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

摘要：為滿足礦山微震監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)在線處理要求，提出了基于可視化軟件LabVIEW和數(shù)學(xué)計(jì)算軟件MATLAB聯(lián)合編程的礦山微震信號(hào)小波去噪方法。該方法利用LabVIEW中的MATLAB Script 節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號(hào)小波分析，將LabVIEW、MATLAB和小波分析三者功能有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在友好界面的前提下快速準(zhǔn)確地進(jìn)行小波變換處理，大大提高了微震信號(hào)在線處理效率。通過對(duì)實(shí)際礦山微震信號(hào)采用4種不同小波閾值方法進(jìn)行去噪分析，顯示了小波分析具有良好的去噪能力，其中無(wú)偏似然估計(jì)閾值方法的去噪效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：礦山；微震信號(hào)；小波去噪；LabVIEW;MATLAB

傳統(tǒng)的信號(hào)去噪方法只能表征頻域內(nèi)的準(zhǔn)確信息，不能夠同時(shí)觀測(cè)到信號(hào)時(shí)頻兩域的特征[1]。小波變換在非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻兩域具有良好的局部化性質(zhì)，能夠辨別信號(hào)中的任意組成成分，因此利用小波變換對(duì)礦山微震信號(hào)去噪具有傅里葉變換等傳統(tǒng)信號(hào)去噪方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[2-5]。隨著國(guó)內(nèi)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，部分學(xué)者開始探索將小波變換引入到礦山開采的微震研究中，尤其在去噪方面，小波去噪已經(jīng)成為一個(gè)重要課題[6-9]。

LabVIEW是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程軟件，它通過很多界面控件與操作來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，因此被譽(yù)為“虛擬儀器”。LabVIEW憑借著強(qiáng)大的編程能力、友好的人機(jī)交互界面和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在工程測(cè)試及控制中得到廣泛應(yīng)用[10-11]。

MATLAB是一款專門用于數(shù)值分析的軟件，不僅本身有著強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算性能，而且還帶有很多便捷的工具箱，像小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)與系統(tǒng)等。

基于LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程平臺(tái)進(jìn)行微震信號(hào)的小波去噪，一方面將完美地實(shí)現(xiàn)LabVIEW可視化編程平臺(tái)與MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值分析功能無(wú)縫對(duì)接，兩者功能互補(bǔ)[12-13]；另一方面利用小波閾值去噪的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠有效去除混雜在微震信號(hào)中的干擾成分。本文將集LabVIEW、MATLAB和小波分析三者的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)的簡(jiǎn)單、高效的去噪處理。

1小波變換

小波分析是一種窗口面積固定但其形狀可改變的時(shí)頻局部化分析方法[11]。其時(shí)間窗和頻率窗都可改變，因此它在低頻部分擁有較高頻率分辨率和較低時(shí)間分辨率，高頻部分則反之。基于此，小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。

設(shè)ψ(t)∈L2(R)，其中L2(R)是平方可積的，它表示能量有限的信號(hào)空間。其傅里葉變換為ψ(ω)，若ψ(ω)滿足允許條件：

(1)

我們則把ψ(t)叫作一個(gè)基小波或一個(gè)母小波。通過伸縮和平移變換后的母函數(shù)ψ(t)可得到一個(gè)小波序列。

基于母小波連續(xù)小波變換，得到小波序列為

(2)

式中：a為伸縮因子;b為平移因子。

基于母小波離散小波變換，得到小波序列為

ψj,k(t)=2-j/2ψ(2-jt-k)(j,k∈Z)

(3)

(4)

其逆變換為

(5)

2基于LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程的小波去噪實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW編程的數(shù)據(jù)流方式，將微震信號(hào)的小波去噪的聯(lián)合編程主要分解為微震TDMS格式原始數(shù)據(jù)讀取、MATLABScript節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換和小波去噪MATLAB運(yùn)算三部分。微震小波去噪程序框圖如圖1所示。

2.1微震TDMS格式原始數(shù)據(jù)讀取

TDMS是NI用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，它具有方便、高速和易存儲(chǔ)等優(yōu)勢(shì)。微震監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)主要是以TDMS格式文件形式在線存儲(chǔ)的，在對(duì)微震原始信號(hào)進(jìn)行去噪時(shí)，需要將TDMS格式的微震數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行在線讀取。本文利用LabVIEW軟件中的TDMS文件的相關(guān)函數(shù)，編制微震TDMS格式數(shù)據(jù)讀取程序框圖，實(shí)現(xiàn)微震TDMS數(shù)據(jù)文件的在線打開、讀取、關(guān)閉等一系列功能。

2.2MATLAB-Script節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換

MATLAB-Script節(jié)點(diǎn)是LabVIEW軟件的一個(gè)專門編輯MATLAB程序的子控件，該節(jié)點(diǎn)也可以將已有的MATLAB程序直接調(diào)入LabVIEW程序框圖中。但是MATLABScript節(jié)點(diǎn)要求輸入、輸出數(shù)據(jù)類型一致，因此只有LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型與MATLAB中的數(shù)據(jù)類型相匹配，方能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[14]。

圖1　微震信號(hào)小波去噪程序框圖Fig.1　Block diagram of micro-seismic signal wavelet de-noising procedure

為了讓小波去噪程序能夠?qū)ATLAB-Script節(jié)點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，只要將TDMS格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能夠被MATLAB運(yùn)行的數(shù)據(jù)即可。首先，利用LabVIEW的獲取波形成分函數(shù)從TDMS格式的文件中提取波形成分；然后，利用索引數(shù)組函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)組形式，此時(shí)的數(shù)據(jù)能夠被MATLAB讀取；最后，利用創(chuàng)建波形函數(shù)將MATLAB處理后的數(shù)據(jù)與原TDMS格式文件的其他屬性值組合，得到的波形圖即為去噪后波形。

2.3小波去噪MATLAB運(yùn)算

MATLABScript節(jié)點(diǎn)是通過ActiveX控件來(lái)實(shí)現(xiàn)與MATLABServer進(jìn)行信息交流的。MATLABScript節(jié)點(diǎn)中的腳本實(shí)質(zhì)上就是MATLAB中的.m文件[15]。也就是說(shuō)，MATLABScript節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB函數(shù)或命令其實(shí)就是把MATLAB當(dāng)作了一個(gè)ActiveX服務(wù)器，MATLABScript節(jié)點(diǎn)支持的函數(shù)由MATLAB提供。運(yùn)行MATLABScript節(jié)點(diǎn)時(shí)即啟動(dòng)MATLAB,MATLAB將在后臺(tái)執(zhí)行腳本中程序。

基于MATLABScript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)LabVIEW與MATLAB數(shù)據(jù)交換常用的方法有兩種：其一是增加輸入輸出端子；其二是直接導(dǎo)入或?qū)С?m文件。本文采用前者，通過直接在腳本框內(nèi)編寫小波去噪程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流分析運(yùn)算，再經(jīng)輸出節(jié)點(diǎn)輸出。

3實(shí)例應(yīng)用與分析

本文選取某礦山現(xiàn)場(chǎng)采集的單個(gè)通道的微震信號(hào)，截取其中一段數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪分析，橫坐標(biāo)顯示信號(hào)持續(xù)時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)顯示信號(hào)震動(dòng)速度(cm/s)。基于LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程平臺(tái)，對(duì)微震信號(hào)分別采用無(wú)偏似然估計(jì)閾值(rigrsure)、固定式閾值(sqtwolog)、極大極小原理閾值(minimaxi)和啟發(fā)式閾值(heursure)4種不同自適應(yīng)小波閾值去噪，此次去噪選擇具備較好緊支撐性、光滑性和近似對(duì)稱性的sym8小波基，給定軟閾值(h)，進(jìn)行6層分解。圖2為微震信號(hào)小波閾值去噪主界面。

由圖2可見，4種閾值去噪方法均能有效地去除噪聲，其中固定式閾值去噪信號(hào)曲線相對(duì)光滑，但可能會(huì)失去某些有用的高頻信號(hào)；單從肉眼判斷，無(wú)偏似然估計(jì)閾值在去噪光滑的同時(shí)也有效地保留了信號(hào)的某些高頻成分，且其去噪效果更好。

一般閾值去噪的好壞不能單靠肉眼就能分辨，

圖2　微震信號(hào)小波閾值去噪主界面Fig.2　The main interface of micro-seismic signal wavelet threshold de-noising

有時(shí)主觀經(jīng)驗(yàn)也能幫助我們判斷，但多數(shù)情況下需要客觀定量來(lái)檢驗(yàn)和判斷小波閾值去噪的的優(yōu)劣。微震信號(hào)小波去噪效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有信噪比(SNR)和標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE)，一般信噪比越大、標(biāo)準(zhǔn)差越小，則表明信號(hào)去噪效果越好。

表1給出了微震原始信號(hào)的4種小波閾值方法的去噪效果，通過對(duì)比信噪比和標(biāo)準(zhǔn)差可知，4種小波閾值方法的去噪效果理想，均能有效去除微震信號(hào)中的干擾信號(hào)，其中無(wú)偏似然估計(jì)閾值方法的去噪效果更優(yōu)。

表1　微震原始信號(hào)4種小波閾值方法的去噪效果

4結(jié)論

本文在LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程環(huán)境下，對(duì)微震監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波閾值去噪，其去噪效果明顯，顯示了小波去噪在非平穩(wěn)信號(hào)領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，非常適用于礦山井下的微震信號(hào)的去噪，通過對(duì)比4種小波閾值方法的去噪效果，結(jié)果顯示無(wú)偏似然估計(jì)閾值方法的去噪效果更優(yōu)。利用LabVIEW和MATLAB的聯(lián)合編程，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)界面美觀，而且能完美地將LabVIEW強(qiáng)大的可視化編程功能和MATLAB天然的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，大大提高了微震信號(hào)的去噪效率。

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Wavelet Analysis and Research of Mine Micro-seismic SignalBasedonLabVIEWandMATLABJointProgramming

YANJianyang1，2,WUJianxing1，2

(1.College of Resources and Environment Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China；2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Abstract:In order to meet the online processing requirements of mine micro-seismic monitoring signals in real-time,this paper proposes the wavelet de-noising method of micro-seismic signals based on combined programming of visualization software LabVIEW and mathematical calculation software MATLAB.On the basis of the MATLAB Script node,LabVIEW can call MATLAB to achieve signal wavelet analysis so as to combine the features of LabVIEW MATLAB and wavelet analysis organically.Thus,it realizes the signal wavelet transformation processing quickly and accurately in the friendly interface at the same time,which can greatly improve the efficiency of online processing micro-seismic signals.Further,through the wavelet de-noising of the actual mine micro-seismic signals by four methods with different wavelet thresholds,the paper shows that wavelet analysis has the good de-noising ability,and the unbiased estimate threshold method works best.

Key words:mine;micro-seismic signal;wavelet denoising;LabVIEW;MATLAB

文章編號(hào)：1671-1556(2016)03-0125-04

收稿日期：2015-07-15修回日期：2016-03-26

作者簡(jiǎn)介：晏建洋(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈V山微震監(jiān)測(cè)。E-mail：jianyangyan@163.com

中圖分類號(hào)：X936;TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.021

通訊作者：吳建星(1964—)，男，教授，主要從事礦山微震監(jiān)測(cè)方面的研究。E-mail：wu_jx@126.com