基于時窗能量熵法的微震P波到時拾取

夏芳芳 李貞良

【摘要】 P波的自動拾取是微震檢測技術的關鍵之一，也是實現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上，對其能量特征函數進行了改進，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。根據能量熵的變化情況得出微震P波到時。研究結果表明，對典型的高信噪比微震信號，此方法拾取結果與人工拾取基本一致。

【關鍵詞】 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，因此微震檢測技術成為了煤礦開采產業的重中之重，自動化微震檢測技術對礦山的安全開采和可持續發展具有重要意義和作用。利用此技術，及時發現并預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控，也可以為礦山設計提供安全的數據指導，預防災害事故的發生，保證煤礦開采的經濟和社會效益。

一、STA/LTA算法

STA/LTA是目前應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）主要反應的是信號背景噪聲的變化趨勢，短時窗平均值（STA）主要反應的是微地震信號的能量變化趨勢[1]。當信號到達時，短時窗平均值增加的幅度比長時窗平均值要大，相應的STA/LTA值會有一個較大的變化，當其值大于一個用戶設定的閾值時，此極值點就認為是微震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，因此地震發生時，P波是最早抵達測站，并被地震儀紀錄下來的地震波[2]。每一個微震信號都包含著巖體內部狀態變化的豐富信息，對接收到的微震信號進行處理、分析，可作為評價巖體穩定性的依據。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建特征函數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與長時窗右側對齊同時滑動，待測信號同時進入長短時窗，并且短時窗變化靈敏，當值達到極值點時對應微震初至到時。可以得到此時STA/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算法的優點是算法簡單容易實現，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始人香農提出來的，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的度量結果的不確定性[4]。本文將長短時窗的特征函數引入能量熵的概念，能量熵反應的是滑動時窗內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，當時窗滑動時，前后時窗的能量分布發生改變，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。當振動信號能量突變，集中在某一個時窗內時，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。當前后時窗的能量值大小相當時，能量熵值達到最大。

時窗在待測信號上滑動大致可分為四種情況：時窗未到達初至點時，后時窗到達初至點時，前時窗到達初至點時，時窗經過初至點時。時窗未到達初至點時，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；前時窗到達初至點時能量熵值達到最小值；待測信號進入前時窗時，能量分布趨向均勻，能量熵值增大。此方法的優點在于算法簡單容易實現，時間成本較低，并且只需一個時窗大小的選取。

三、結論

P波的自動拾取是微震檢測技術的關鍵之一，也是實現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上，對其算法的能量特征函數進行了改進，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，此方法拾取結果與人工拾取基本一致，并在時窗選取上優于STA/LTA算法。

參 考 文 獻

[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.用于地震預警的P波震相到時自動拾取[J].地球物理學報，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去噪[J]. 計算機工程與應用，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.