小波分析在煤巖壓裂聲發(fā)射信號處理中的應(yīng)用

田晟+韓巍+何智楠+毛天岐??

摘要：針對煤巖聲發(fā)射信號具有衰減性的特征，創(chuàng)建了模擬信號函數(shù)，獲得原始信號與含噪信號，并對選取了sym8、db10小波基，確定了分解層數(shù)，應(yīng)用“heursure準則”和“rigrsure準則”兩種閾值方法進行了試驗。利用信噪比公式和均方誤差公式分別得到信噪比和均方誤差，并分析了不同小波基的降噪效果。

關(guān)鍵詞：煤巖壓裂；聲發(fā)射信號；小波分析；閾值去噪

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.096

0引言

為了得到聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生的位置，通常需要對聲發(fā)射源進行定位，為了定位準確，需要首先對聲發(fā)射源信號進行去噪，去噪后的信號可以應(yīng)用于石化、電力、材料、金屬加工、民用工程、交通運輸、航空與航天等領(lǐng)域，本文應(yīng)用小波閾值去噪方法對煤巖壓裂信號進行處理，具有重要的理論研究意義和廣泛的實用價值。

1聲發(fā)射現(xiàn)象

聲發(fā)射從廣義上可認為是在外力作用下，激發(fā)能量波在材料中傳播的現(xiàn)象。當(dāng)材料受到內(nèi)力或外力作用時，材料的局部可能會釋放能量，并產(chǎn)生瞬態(tài)的彈性波，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。

一般情況下，可將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型、連續(xù)型和混合型，然而實際工程當(dāng)中，噪聲的存在影響著對聲發(fā)射源位置的判斷。因此，在進行特征提取之前，應(yīng)對聲發(fā)射信號進行降噪處理，采用小波閾值去噪方法減少噪聲的影響。

2聲發(fā)射信號小波去噪

在煤巖聲發(fā)射信號處理中，常用的方法包括參數(shù)法和波形分析法，然而對于實際的聲發(fā)射信號，含有不可預(yù)知的噪聲，因此在進行信號分析之前，需要應(yīng)用小波去噪的方法去除噪聲。本文應(yīng)用默認閾值消噪對聲發(fā)射信號進行信噪分離。通過對比兩種閾值規(guī)則的去噪效果，得到煤巖聲發(fā)射信號降噪的有效方法。

實驗中采用信噪比SNR和均方根誤差RMSE2個指標來評估降噪性能。信噪比定義為：

SNR=101G（Nn=1s2（n）Nn=1[fd（n）-s（n）]2）

（1）

均方根誤差定義為：

RMSE=1N∑n（fd（n）-s（n））2

（2）

式中，n表示采樣點數(shù)，s（n）表示原始信號，fd（n）表示降噪后的信號。

假設(shè)一個具有衰減性的聲發(fā)射信號，并疊加一個均勻分布的偽隨機信號進行消噪試驗，信號長度為1000。原始模擬信號和含噪信號如圖1所示。

分別采用db10小波基和sym6小波基，由于小波分解層數(shù)過低或過高都無法得到較好的去噪效果，通過仿真對比，最終選擇五層小波分解，應(yīng)用不同的閾值準則對含噪聲發(fā)射信號進行去噪處理。

（1）選用sym8小波基進行五層分解。分別利用heursure、rigsure兩種不同閾值規(guī)則，采用軟閾值進行閾值去噪，去噪結(jié)果如圖2所示。

3小波閾值去噪結(jié)果分析

通過對煤巖壓裂聲發(fā)射信號進行小波閾值去噪，對比圖2、圖3可知：

（1）當(dāng)小波分解層數(shù)選為五層時，在heursure閾值規(guī)則消噪的情況下，sym8小波基得到的信噪比較大，說明此時去噪效果較好。

（2）由兩種閾值規(guī)則的去噪效果圖可以看出，heursure準則得到的降噪圖形比較光滑；rigrsure準則得到的降噪圖形比較粗糙。

4結(jié)論

本文針對巖石類聲發(fā)射信號做了仿真實驗，由于實際工程中得到的聲發(fā)射信號都包含噪聲，且噪聲可能具有隨機性和復(fù)雜性，因此需要通過選取不同的小波基，比對不同分解層數(shù)的影響進行對比分析。通過本文仿真可知，應(yīng)用“heursure準則”、“rigrsure準則”進行降噪處理后得出：采用“heursure準則”得到的降噪效果較好，信噪比較大。

參考文獻

[1]袁振明.聲發(fā)射檢測[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[2]吳光琳.聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].探礦工程，1991，（4）：13.

[3]陳磊.基于小波分析的巖石類材料聲發(fā)射信號處理研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[4]康玉梅.基于小波分析的巖石材料聲發(fā)射源定位方法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[5]張平.集成化聲發(fā)射信號處理平臺的研究[D].北京：清華大學(xué)，2002.

[6]李波.工程陶瓷高效深磨聲發(fā)射實驗研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

[7]黃正梁.聚合反應(yīng)器漿液濃度和流型的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[8]黃文柏.基于矩張量理論的巖石破裂聲發(fā)射震源機制分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2013.