一種基于四通道冗余濾波器組的槽波弱信號提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于地震勘探技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種槽波地震勘探中，用于弱槽波信號提取、 去噪、增強(qiáng)的技術(shù)，特別是一種基于四通道冗余濾波器組的槽波弱信號提取方法，將具有冗 余性、緊支撐、線性相位的四通道濾波器組及軟閾值消噪算子用于槽波信號的分解、去噪及 重構(gòu)，該方法具有更好的信號重構(gòu)能力和噪聲魯棒性，能有效的去除噪聲，提高槽波信號的 信噪比和分辨率。
【背景技術(shù)】：
[0002] 槽波地震勘探是探測煤層地質(zhì)異常的主要手段，利用地震記錄中的槽波信號特征 獲得煤層內(nèi)部斷層、采空邊界、陷落柱等結(jié)構(gòu)異?，F(xiàn)象是保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，具有重 要的實(shí)際意義。槽波是被"圍陷"在煤層中的地震波，由于煤層為低速層，并具有波導(dǎo)作用， 在煤層中激發(fā)震源后，產(chǎn)生的部分能量由于煤層頂?shù)装宓姆瓷涠嗷クB加，相長干涉，沿著 煤層傳播形成槽波。槽波地震勘探最初用于煤礦工業(yè)中，其最新發(fā)展是應(yīng)用于天然堿礦、石 灰石礦、頁巖氣含量的探測，具有廣泛的應(yīng)用前景，槽波地震勘探有兩種方式：反射式和透 射式，透射式勘探法中，在接收到的地震記錄中，一般來說首先是由煤層頂?shù)装鍌鱽淼腜波 和S波，幅度大，頻率高，然后是槽波信號，頻率低，具有頻散特征；而反射式勘探法的地震 記錄上包含直達(dá)波和反射的槽波，反射槽波的幅度很弱，由于井下工作情況十分復(fù)雜，并且 有環(huán)境背景噪聲和其他信號的干擾，接收到的槽波信號易受噪聲影響，給槽波的識別帶來 了困難。槽波信號的有效識別，是尋找地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常，進(jìn)行正確地質(zhì)解釋的前提，有必要采 取有效的方法對槽波進(jìn)行提取、增強(qiáng)。
[0003] 目前，常用的幾種槽波提取方法包括頻率域?yàn)V波、空間頻率濾波、小波變換濾波和 Hilbert-Huang變換濾波等方法，其中頻率域?yàn)V波方法[I. YANG Zhen, GE Mao-chen, WANG Shu-gang.Characteristics of transmitting channel wave in a coal seam[J]. Mining Science and Technology, 19 (2009) : 0331-03362. M. Ge, H. Wang, H. R. Hardy Jr. , R. Ramani. Void detection at an anthracite mine using an in-seam seismic method[J]· International Journal of Coal Geology, 73(2008):201-212]先將槽波 信號通過Fourier變換到頻率域，然后用帶通濾波器進(jìn)行濾波，這種方法能濾除比槽波 頻率高或低的干擾，將槽波信號突出出來，但對于混頻干擾信號不能濾除；Y anrong Hu 等使用空間頻率濾波對槽波信號進(jìn)行處理[Yanrong Hu，George A.McMechan. Imaging mining hazards within coalbeds using prestack wave equation migration of in-seam seismic survey data:A feasibility study with synthetic data[J]. Journal of Applied Geophysics, 63(2007) :24-34],空間頻率濾波即二維濾波，對槽 波信號進(jìn)行兩次Fourier變換，將信號G(x，y)變換為GU, n)，在GU, η)形成的頻 譜面上，減弱或消除某些空間頻率成分，以使原信號發(fā)生相應(yīng)的變化；空間頻率域?yàn)V波 方法能較好的提取槽波信號，但對于混頻干擾仍不能濾除。Μ. Ge等[l.M. Ge, Η. Wang，Η. R. Hardy Jr. , R. Ramani. Void detection at an anthracite mine using an in-seam seismic method[J] · International Journal of Coal Geology, 73(2008):201-2122. M. Ge, H. Wang, A. Schissler, R. ramani Measuring pillar width in trona mines using a body wave based in-seam seismic technique[J]. Rock mechanics and Mining Science, 53(2012) :10-17]對槽波信號進(jìn)行帶通濾波后，進(jìn)一步使用小波變換增強(qiáng)槽 波信號，小波變換的優(yōu)點(diǎn)是對于不同的頻率成分可以采用不同的分辨率，可以聚焦到信 號的任一細(xì)節(jié)，對信號的奇異值非常敏感，因而起到較好的濾波效果，但正交的小波變 換在濾除噪聲的同時(shí)也會(huì)濾除一部分有用的信號，使信號的能量受到損失；王季等使用 Hilbert-Huang變換對槽波信號進(jìn)行了處理[王季.基于EMD算法的煤層透射槽波信號提 純[刀.中國煤炭地質(zhì)，2012,24(2):53-56]。把11^竹-!1皿即變換是一種非平穩(wěn)信號處理方 法，通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD)將槽波信號分解為若干個(gè)子 信號，從中挑選合適分量的和作為提純后的信號，以此提高信號的信噪比；Hilbert-Huang 變換對于雜亂的、非對稱的信號有效，但對于對稱的干擾信號，效果并不明顯。因此，需要尋 求一種能去除混頻噪聲，在提取槽波信號的同時(shí)使信號的能量損失最小，具有噪聲魯棒性 的槽波弱信號提取方法，這種方法對于對稱、非對稱干擾都能起到明顯的抑制作用。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)提供一種基于四通道冗余濾波 器組的槽波弱信號提取方法，利用四通道濾波器組將信號分解為不同的頻率子帶，對不同 的頻率子帶采取不同的軟閾值去噪算子，對混頻噪聲、對稱干擾和非對稱干擾都能去除， 分解后各個(gè)頻率子帶之間具有相關(guān)性，使消噪損失的有用信號通過其他的子帶得到補(bǔ)充， 噪聲魯棒性好，信號重構(gòu)能力強(qiáng)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明先由分解濾波器組構(gòu)成分解卷積矩陣，槽波信號經(jīng)過 分解卷積矩陣分解成不同頻率子帶，再對每個(gè)頻率子帶插入不同軟閾值消噪算子，進(jìn)行軟 閾值消噪；然后由重構(gòu)濾波器構(gòu)成重構(gòu)卷積矩陣，去噪后通過重構(gòu)卷積矩陣合成得到新的 信號；其具體過程為：
[0006] (1)先將一個(gè)低通濾波器H。和三個(gè)高通濾波器Q i、Q2、Q3組成分解濾波器組并構(gòu)成
CN 105158794 A m ~P 3/5 頁 分解卷積矩陣
，卷積矩陣中除w外，其余元素為〇 ;W的行數(shù)為列數(shù)的兩 倍，列數(shù)為輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；
[0007] (2)將分解卷積矩陣W與輸入信號f。相乘進(jìn)行信號分解，變換后的結(jié)果表示為
為數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè) 數(shù)；
[0008] (3)對變換結(jié)果進(jìn)行子帶抽取，形成LL，H1, H2, H3四個(gè)頻率子帶；先將 變換后的數(shù)據(jù)分組，將連續(xù)的兩個(gè)值分為一組，每四組中抽取第一組連續(xù)排列后 形成低頻子帶LL，每四組中抽取第二組連續(xù)排列后形成高頻子帶H 1，每四組中 抽取第三組連續(xù)排列后形成高頻子帶氏，每四組中抽取第四組連續(xù)排列后形成 高頻子帶H 3;然后將LUH1, H2, H3四個(gè)頻率子帶中每個(gè)頻率子帶進(jìn)行奇偶抽取后 進(jìn)一步分為兩個(gè)頻率子帶，即

η各子帶元素個(gè)數(shù)；對所述的LL低頻子帶 可以進(jìn)行第二層分解，以此類推，直到第J層分解；J為用戶自定義層數(shù)；
[0009] (4)對每個(gè)分解后的頻率子帶插入不同的消噪算子Τλ，得到去噪后的信號A =τλ (Wf。)，Τλ = [t λ1(β i), ?λ2(β 2)，…，?λ1?(β k)]T;其中，t (β i)為軟閾值函數(shù)，