CN103616719B - 具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置和方法。该装置由微震传感器、信号调理、电源单元、增益调整单元、数据采集单元、噪声识别单元、存储单元、通信单元等组成。微震传感器用于拾取微震信号，数据采集单元将拾取到的微震信号转换为数字信号，存储单元将数字信号进行本地存储或者通过通信控制单元将数字信号上传。对于采集到的微震信号，本装置可以通过增益调整单元自适应的改变前端放大器的增益，从而对检测到的信号进行有选择的放大，通过噪声识别单元可以对噪声信号进行识别，并进行压制。本发明的目的是通过仪器自身提高采集到的微震信号的信噪比，对高信噪比的信号处理，进而提取微震的相关参数。

Description

具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置和方法

技术领域

本发明涉及一种微地震采集装置，特别涉及一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置和方法，用于微地震信号采集的时候就可以提高一定的信噪比。

背景技术

微震监测是目前工业领域用来进行安全监测和防灾减灾监测最有效的方法，因此微震数据采集质量的好坏直接影响到监测的效果。在进行微震监测的场合,微震信号通过检波器拾取，并转换为电信号送入采集装置。微震监测时采集到的信号都是微弱信号，幅值较小，采集装置必须对其放大，有时必须放大几千倍才能记录下来。在进行增益放大时由于不能事先确定待采集微震信号振幅大小，从而也就无法设置最合适的增益。如果采取设置固定增益放大，若微震信号比较微弱，则可能放大后的微震信号也无法被采集到；若微震信号比较强，则可能放大后的微震信号超出了采集仪器中AD转换的量程，微震信号就不能被完全采集到。因此要求记录微震信号的仪器不仅有很大的放大倍数，还必须能根据微震信号强弱自动及时变化放大倍数，将不同振幅大小的微震信号都不失真地记录下来。

微震信号采集过程中，由于待采集的信号比较微弱，而且相应的环境干扰也较大，采集仪器采集到的信号中不可避免的混有各种随机干扰信号。如果不对干扰信号进行识别，统一的按照固定增益放大，可能会出现将噪声信号放大，而有用的信号没有放大的极端情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置和方法，使用此装置在采集微震信号的时候能够自动识别噪声信号，对噪声信号进行压制，同时可以根据采集到的信号自适应的调整增益放大倍数，使得采集仪器前置放大器的动态范围始终与AD的动态范围相匹配。在增益调整时，采用快、慢两个阶段调整数据增益。并采用互相关算法对微震信号和干扰噪声进行区分并对判断为噪声的信号进行压制，达到提高信号信噪比的目的。

本发明的优点在于：由于在微震信号采集的时候，在仪器上就进行噪声识别和压制，因此可以在一定范围内提高微地震数据的信噪比。

本发明主要由微震传感器（1）、信号调理（2）、增益调整单元（3）、数据采集单元（4）、噪声识别单元（5）、存储单元（6）、通信单元（7）、电源单元（8）组成。微震传感器（1）拾取到微震信号后经过信号调理（2）和增益调整单元（3）送入数据采集单元（4），将模拟信号转变为数字信号，并通过存储单元（6）进行本地存储或者通过通信单元（7），将数字信号上传给集控中心，增益调整单元（3）对数据采集单元（4）转换后的数字信号进行判断，进而实现自适应的调整增益，有选择的对微震传感器（1）拾取到微震信号进行放大，噪声识别单元（5）对数据采集单元（4）转换后的数字信号进行互相关运算，根据互相关后的结果，对于判断为噪声的信号则降低增益倍数，起到压制噪声的目的，对于判断为微震信号，则提高增益放大倍数，并结合增益调整单元（3）对信号自适应放大。

本发明的特征在于，所述的微震传感器（1）是MEMS加速度传感器。

本发明的特征在于其特征在于，所述的增益调整单元（3）包括可变增益放大器（301）、快调整单元（302）和慢调整单元（303），其中可变增益放大器（301）的型号为AD8231，可以实现8级增益放大，分别是1、2、4、8、16、32、64和128倍。

本发明的特征在于，所述的数据采集单元（3）中采用24位的ADC，其型号为ADS1274，可以实现0.1ms、0.2ms、0.5ms、1.0ms和2.0ms的采样。

本发明的特征在于其特征在于，所述的噪声识别单元（4）采用软件实现，软件实现的载体是DSP，采用TMS320VC5416DSP。

本发明的特征在于，可以对拾取到的微震信号进行噪声识别，并对噪声信号压制。

本发明的特征在于进行微震信号采集的时候，采集装置自身可以根据采样信号的大小决定增益的大小。

本发明的特征在于通过检测到的微震信号，装置可以对拾取到的微震信号识别。对于噪声信号则进行压制，对于微震信号才进行放大。

本发明的特征在于所述的自适应增益放大和噪声识别都是通过数字化实现。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

对于微震传感器输入的信号可以自适应的放大，而不是和以往一样，采用固定的增益值，同时对噪声进行识别，避免了噪声放大的极端现象。

本发明的微震采集装置采用数字自适应增益算法。算法通过对采集仪器的输入信号进行自适应增益调整，使得采集仪器前置放大器的动态范围始终与AD的动态范围相匹配。在增益调整时，采用快、慢两个阶段调整数据增益。并采用相关算法对微震信号和干扰噪声进行区分，根据区分的结果，压制噪声信号，提高了采集到的数据信噪比。

附图说明：

图1是本发明的总体功能结构框图。

图2是本发明的噪声识别和自适应增益实现流程图。

图3是本发明的带噪声识别的自适应增益图。

图4是本发明的自适应增益图。

图5自适应增益调整后输出波形。

图6微震信号变成噪声并经噪声识别后的输出波形。

图7噪声变成微震信号并经噪声识别后输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1和图2所示，在使用的时候，微震传感器（1）埋置在待监测区域，在系统没有正式工作之前，利用本装置对背景噪声进行采集，采集N个周期并将数据保存下来为y(N)＝{y(1),y(2),…,y(N)}序列。

微震监测时，采集到的1个周期数据为x＝{x(1),x(2),…,x(n)}序列。

监测系统正式使用时，当微震传感器（1）拾取到微震信号后，经过增益调整单元（2）和数据采集单元（3）转换为数字信号，采集到的信号首先和前面采集到的背景噪声进行互相关运算，将互相关系数的绝对值，作为下一周期的噪声识别的参数值，当下一周期进行采样的时候，采集到的信号和噪声门限值进行比较，如果大于门限值，则认为是噪声信号，降低自适应增益放大的参考值，同时停止慢阶段增益调整，如果小于门限值，则认为是微震信号，恢复自适应增益放大的参考值或者设置为一个新的参考值，然后运行慢阶段增益调整，使其逐渐符合AD增益的要求。

如图3所示，微震信号采集过程中，由于待采集的信号比较微弱，而且相应的环境干扰也较大，采集仪器采集到的信号中不可避免的混有各种随机干扰信号。如果不对干扰信号进行识别，统一的按照上述的增益算法进行增益放大，可能会出现将噪声信号放大，而有用的信号没有放大的极端情况。

互相关描述两个不同的随机信号在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度，因此利用微震信号和随机噪声的特点,通过互相关运算达到识别随机噪声，提取出微震信号的检测方法。

装置正常工作时，采集到的一周期信号x(n)序列首先和前面采集到的背景噪声y(N)序列分别进行互相关运算，求取互相关系数的绝对值的平均值Rav，与给定的噪声门限值进行比较，如果大于门限值，则认为是噪声信号，这时减小自适应增益放大的电平参考值E_ref，控制增益调节系统降低增益，即对噪声信号进行压制；如果小于门限值，表明检测到了微震信号，参考电压E_ref必须恢复成原来的值，或改变为其他的值。调整结束后的值均在下一周期使用。由于噪声信号具有随机性，对于连续几个周期之内均判断为噪声的信号，这时采用这几个周期的信号更新作为噪声的背景信号。

如图4所示，微震信号的输入到A/D转换之间的增益应符合既不能使A/D溢出，又要满足转换精度这两个要求。为了满足微震采集系统工作时的要求，最大范围的扩展微震采集装置的动态范围，本发明提出一种增益算法，该算法将增益调整过程分为快调整和慢调整两个阶段。在快调整阶段，采用大增益值将检测到的微震信号快速调整到合理的幅值范围，从而大幅缩短增益调整的时间；对于采集过程中会出现一些瞬时冲击信号，造成大增益调整后A/D溢出，这时采用慢调整阶段，采用小增益值进行精细调节，使A/D的输入数据振幅锁定在一个较小的波动范围内。公式(1)给出了两个阶段的增益算法：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_1=E_{\mathrm{ref}}/V\\ G_2(n+1)=G_2\left(n\right)+K_g\×(E-G_1\×V_i)\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于式（1）中的E_ref，使用当前N个信号的平均幅度作为标准。因此，快增益调整阶段，本文根据采样的数据的平均幅值和参考值比较，作为快增益调整的依据。快增益调整阶段，采用每个周期调整一次。即用前一周期的采样值，通过累加求取平均幅值，执行式（1）得到快调整增益值。

具体步骤为：

1）采集微地震信号，得到一个周期序列为x(k)，其中k=1、2、3…n，n为一个周期的采样点数量；

2）计算微地震信号的平均幅值

3）按照式(1)计算增益，并得到放大后的微地震信号

由于按照式(1)得出的G₁值不一定是2的级数，同时AD8231的3个控制引脚A₂A₁A₀必须给出相应的电平，因此，G₁的取值以及控制引脚的电平和增益按下列原则选取：

如果0≤G₁≤1，则A₂A₁A₀=000，即实际增益为1；

如果2≤G1≤3，则A₂A₁A₀=001，即实际增益为2；

如果4≤G1≤6，则A₂A₁A₀=010，即实际增益为4；

如果7≤G1≤12，则A₂A₁A₀=011，即实际增益为8；

如果13≤G1≤24，则A₂A₁A₀=100，即实际增益为16；

如果25≤G1≤48，则A₂A₁A₀=101，即实际增益为32；

如果49≤G1≤96，则A₂A₁A₀=110，即实际增益为64；

如果97≤G1≤128，则A₂A₁A₀=111，即实际增益为128

注：上面1代表输出高电平，0代表输出低电平。

快调整阶段，每个周期调整一次。即用前一周期的采样值，通过求取信号平均幅值，执行式（1）得到快调整增益；

慢增益阶段，将经过快增益调整后的数据作为慢增益调整的依据，将调整后的数据再与参考值比较形成判断，通过LMS迭代算法实时自动改变慢增益值，从而达到调节放大器输入信号幅度的目的。将式（1）得出的y(k)代入式（2）得出增益调整的误差信号，再根据式（3）对G₂(k)进行调整，使得y(k)趋于V(k)；

e(k)＝V(k)-G₂(k)y(k) （2）

G₂(k+1)＝G₂(k)+k_ge(k) （3）

式中：0<Kg<1为迭代步长，使用LMS迭代法计算的增益Kg随着误差e连续变化，不断自适应更新。该方法能够实时地跟踪信号的微小变化,自适应调整增益Kg,保证输出信号的振幅满足要求。

经过LMS自适应增益算法的累积调整,最后将输入信号最大幅度峰值调节到基准电平附近,从而保证A/D输入信号振幅恒定。

上述增益算法保证了当输入信号振幅和标准值偏离较大时，能够迅速的通过增益调整将其振幅调整到合适的范围；当信号振幅值和标准值比较接近时，则对增益进行微调或不进行增益调整。这样能够在系统的收敛速度较快的情况下波动尽量小。

本发明的噪声识别自适应增大功能的效果详见图5、图6和图7。图5a是模拟的微震信号，图5b是单独采用快增益调整后的输出波形，从图中可以看出在第一个周期，由于系统开始运行，其增益调整按照固定值进行，1.2s后按照计算前一周期的平均值，并带入快增益调整进行运算，生成新的增益，在9.6s，由于输入信号突变，在快增益调整的作用下，9.6～10.8s之间的输入信号调整后超过了目标值；19.2s后，输入信号再次突变，19.2～20.4s之间的输入信号调整后也超过了目标值。20.4s后的输入信号最大振幅再次被调整至目标值。图5c是快、慢增益共同调整后的输出信号，可以看出，由于慢增益调整的作用，在信号突变的时候，快增益调整不能迅速响应的部分，经过慢增益调整后，基本上也接近目标值。

图6是模拟的微震信号输入时变化成纯噪声，并经过识别后仿真输出波形。从图6a中可以看出，微震输入信号在9.6s后变成纯噪声；从图6b中可以看出，如果单纯采用快、慢增益调整输入信号，不仅微震信号得到了放大，噪声信号也同样得到了放大；图6c是经过噪声识别后再采用快慢、增益调整后的波形，可以看到9.6s后微震信号变成噪声时，经过2.4s，即到12s后，由于噪声识别算法的执行，噪声被识别出来，改变了参考值，使增益值得到了调整，降低了对纯噪声的放大。

图7是对从纯噪声变化为微震输入信号进行了仿真。随着纯噪声到微震信号的转变，互相关相关计算的结果超过了噪声和输入信号的检测的门限值。说明检测到了微震信号，参考值E_ref得到调整。自适应增益系统通过计算得到合适的增益，使得微震信号得到放大。从图6和7可以看出，如果不加选择的放大，则噪声也将被无限制的放大。采用带噪声识别的自适应增益算法后，微震信号的幅度峰值已基本被调整到期望值，虽然噪声也被放大，但是放大的幅度远远低于微震信号。这说明这种自适应增益方案,能够快速有效地完成自适应增益调节。

Claims (9)

1.一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，该装置包括微震传感器(1)、信号调理(2)、增益调整单元(3)、数据采集单元(4)、噪声识别单元(5)、存储单元(6)、通信控制单元(7)、电源单元(8)；微震传感器(1)拾取到微震信号后经过信号调理(2)和增益调整单元(3)送入数据采集单元(4)，将模拟信号转变为数字信号，并通过存储单元(6)进行本地存储或者通过通信控制单元(7)将数字信号上传给集控中心，增益调整单元(3)用于对数据采集单元(4)转换后的数字信号进行判断，进而实现下一周期采样数据的自适应增益调整，有选择的对微震传感器(1)拾取到微震信号进行放大，噪声识别单元(5)用于对数据采集单元(4)转换后的数字信号和使用之前采集的背景信号进行互相关运算，根据互相关系数绝对值的平均值和噪声门限值比较的结果，判断采集到的模拟信号为噪声信号或微震信号，对于判断为噪声信号则降低增益倍数，起到压制噪声的目的，对于判断为微震信号，则提高增益放大倍数，并结合增益调整单元(3)对信号自适应放大，对于连续N个周期之内判断为噪声信号，则采用N个周期的噪声信号更新为背景信号。

2.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，所述的微地震采集装置采用模拟和数字混合电路构成。

3.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，所述的微震传感器(1)是MEMS加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，所述的增益调整单元(3)包括可变增益放大器(301)、快调整单元(302)和慢调整单元(303)，其中可变增益放大器(301)的型号为AD8231，可以实现8级增益放大，分别是1、2、4、8、16、32、64和128倍。

5.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，所述的数据采集单元(4)包括AD转换(401)和数据采集(402)，其中AD转换(401)采用24位的ADC，其型号为ADS1274，可以实现0.1ms、0.2ms、0.5ms、1.0ms、2.0ms、4.0ms的采样，数据采集(402)采用数字方法实现。

6.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，所述的噪声识别单元(5)采用数字方法，利用软件实现，软件实现的载体是DSP，采用TMS320VC5416DSP。

7.根据权利要求1所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，自适应增益放大和噪声识别可以在线调整，响应速度快，利用前一周期采样数据调整下一周期的增益和噪声识别门限值。

8.一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集方法，所述方法应用于权利要求4所述的具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，自适应增益调整分为快调整和慢调整两个阶段，快调整阶段，采用大增益值将检测到的微震信号快速调整到合理的幅值范围，采集过程中出现的瞬时冲击信号，造成快调整后A/D溢出，则采用慢调整阶段，采用小增益值进行精细调节，使A/D的输入数据振幅锁定在一个较小的波动范围内；具体步骤：

1)采集微震信号，得到一个周期序列为x(k)，其中k＝1、2、3…n，n为一个周期的采样点数量；

2)计算微震信号的平均幅值

3)按照式(1)和式(2)计算增益，并得到放大后的微震信号；

G₁(k)＝int(V_ref/V(k)) (1)

y(k)＝G₁(k)×x(k) (2)

其中，G₁：快调整的增益值；V(k)：参考电压值；V_ref：增益调整的参考电压值；y(k)：放大后的信号；

由于按照(1)式得出的G₁值不一定是2的级数，同时AD8231的3个控制引脚A₂A₁A₀必须给出相应的电平，因此，G₁的取值以及控制引脚的电平和实际增益按下列原则选取：

如果0≤G₁≤1，则A₂A₁A₀＝000，即实际增益为1；

如果2≤G1≤3，则A₂A₁A₀＝001，即实际增益为2；

如果4≤G1≤6，则A₂A₁A₀＝010，即实际增益为4；

如果7≤G1≤12，则A₂A₁A₀＝011，即实际增益为8；

如果13≤G1≤24，则A₂A₁A₀＝100，即实际增益为16；

如果25≤G1≤48，则A₂A₁A₀＝101，即实际增益为32；

如果49≤G1≤96，则A₂A₁A₀＝110，即实际增益为64；

如果97≤G1≤128，则A₂A₁A₀＝111，即实际增益为128；

上面1代表输出高电平，0代表输出低电平；

快调整阶段，每个周期调整一次，即用前一周期的采样值，通过求取信号平均幅值，执行式(1)得到快调整增益；

4)慢增益阶段，将经过快调整后的数据与参考值比较，通过LMS自适应增益算法实时改变慢增益值，从而达到调节放大器输入信号幅度，将式(2)得出的y(k)代入(3)得出增益调整的误差信号，再根据式(4)对G₂(k)进行调整，使得y(k)趋于V(k)；

e(k)＝V(k)-G₂(k)y(k) (3)

G₂(k+1)＝G₂(k)+k_ge(k) (4)

其中，G₂：慢调整的增益值；V(k)：参考电压值；K_g：慢调整增益补偿系数；

经过最小均方算法LMS自适应增益算法的累积调整,将输入信号最大幅度峰值调节到基准电平附近,保证A/D输入信号振幅恒定，LMS自适应增益算法由软件实现，实现的载体是TMS320VC5416DSP。

9.一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集方法，所述方法应用于权利要求6所述的一种具有噪声识别和自适应放大功能的微地震采集装置，其特征在于，采用背景噪声和采集到的信号进行互相关运算，根据互相关系数绝对值和噪声门限值比较的结果控制自适应增益放大的基准电平的增大或减小，从而对噪声进行压制，该方法包括如下步骤：

1)获取N个周期的背景噪声数据并保存，为y(N)＝{y(1),y(2),…,y(N)}序列，微震监测时，采集到的1个周期数据为x＝{x(1),x(2),…,x(n)}序列，其中，n为一个周期的采样点数量；

2)计算信号y(N)序列和x的互相关系数，求取绝对值后求取平均值R_av；

3)比较互相关系数绝对值平均值R_av和噪声门限值如果R_av>门限值，则表明采集的是噪声信号，下一周期采集系统必须降低增益，减小自适应增益系统的参考值E_ref，如果R_av<门限值，表明检测到了微震信号，下一周期参考电压E_ref必须恢复成原来的值，或改变为大于原来的值的其他值，或改变为小于原来的值的其他值；

4)连续k个周期运行后均判断为噪声信号，则用这k个周期的信号代替前面的背景噪声信号y(N)序列，达到不断对噪声更新的目的。