井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法

摘要

一种井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法，利用井地一体微震监测系统获得地面及井下监测单元采集的带有时间戳的矿震波形数据段，分别计算两段波形数据中的所有相邻GPS授时时间戳的差值和相邻GPS授时时间戳内的采样点数，等间距补齐所有相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻，计算两段矿震波形数据的平均采样频率，分别等间距补齐两段采样数据中首、尾GPS授时时间戳之外的采样点采样时刻；获得所有采样点上的采样时刻后，按照固定采样频率对采样时刻重新取样，采用线性插值公式计算新采样时刻下的波形数据，进而对齐两段波形数据的采样时刻。本发明能准确对齐地面监测单元和井下监测单元采集的震动波数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法，属于煤矿安全技术领域。

背景技术

煤炭是我国主体能源，其安全开采至关重要，近年来随着许多煤矿进入深部开采，由冲击地压灾害带来的安全问题日益突出。目前，微震监测技术作为冲击地压危险分析和预警所依赖的重要技术，在国内煤矿已获得广泛应用，取得了较显著的监测预警效果。但受限于井下近水平巷道的传感器安装条件，使得单一使用井下布设传感器的方式无法突破大幅提高微震监测精度的瓶颈。

为达到对冲击地压精准探测的目的，通过在地面安装一定数量的传感器，形成井地联合观测模式，可在空间上立体包围监测区域。为方便移动地面监测点和确保井下监测数据质量，地面监测单元采用无线通讯方式，井下监测单元采用有线通讯方式，两种监测方式下分别采用独立的GPS进行采样数据的非连续授时，同时，监测单元也存在采样频率不稳定的情况，导致汇集到监测中心的两类监测单元的授时数据之间存在授时时间无法对齐的问题，极大限制了微震监测精度的提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法，该方法能够准确对齐井地一体微震监测系统中地面监测单元和井下监测单元采集的震动波数据，保证后续矿震定位和能量求解的准确性，提升微震监测精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法，包括如下步骤：

(1)分别取由井地一体微震监测系统地面无线监测单元和井下有线监测单元独立采集的带有多个GPS授时时间戳的矿震波形数据一和矿震波形数据二；矿震波形数据一和矿震波形数据二为长度不同的两段数据段；

(2)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二中所有相邻GPS授时时间戳之间的差值以及相邻GPS授时时间戳内包含的采样点数后，等间距补齐相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻；

(3)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二的平均采样频率，分别等间距补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中的首、尾GPS授时时间戳之外的采样点的采样时刻；

(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到的所有采样点上的采样时刻，按照统一设置的采样频率对采样时刻进行重新取样；

(5)根据步骤(2)和步骤(3)得到的所有采样点上的采样时刻和波形数据，采用线性插值公式计算步骤4中新采样时刻下的矿震波形数据，对齐矿震波形数据一和矿震波形数据二的采样时刻。

进一步地，所述步骤(1)中，地面无线监测单元和井下有线监测单元分别采用独立的高精度GPS进行授时，其采样频率分别为f

进一步地，所述步骤(2)中，所述等间距补齐相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻的步骤为：

201)分别计算GPS授时序列

时间差：

采样点数：

202)利用时间差和采样点数，采用公式：

等间距计算

采用公式：

等间距计算

203)重复步骤201)和202)，直至补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中所有相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻。

进一步地，所述步骤(3)中，等间距补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中的首、尾GPS授时时间戳之外的采样点的采样时刻的步骤为：

301)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二的平均采样频率

302)采用算式

采用算式

进一步地，所述步骤(4)中，所述的采样频率统一设置为f，补齐后

401)分别找到采样时刻

402)确定重新取样后采样时刻

403)确定重新取样后的

其中，

重新取样后的

其中，

进一步地，所述步骤(5)中，根据采样时刻

501)找到满足

502)利用下标位置index，采用线性插值公式

计算得到波形数据

本发明利用井地一体微震监测系统获得地面及井下监测单元采集的带有时间戳的矿震波形数据段，分别计算两段矿震波形数据中的所有相邻GPS授时时间戳的差值和相邻GPS授时时间戳内包含的采样点数，然后等间距补齐所有相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻，通过统计计算两段矿震波形数据的平均采样频率，分别等间距补齐两段采样数据中首、尾GPS授时时间戳之外的采样点的采样时刻；在获得所有采样点上的采样时刻后，按照统一固定采样频率对采样时刻进行重新取样，之后采用线性插值公式计算新采样时刻下的波形数据，进而对齐两段波形数据的采样时刻。本发明解决了井地一体微震监测系统中地面监测单元和井下监测单元采集的GPS授时波形数据之间无法对齐和同步的问题，有效提高了后续矿震震源参数求解精度，保证了矿震定位和能量求解的准确性，提升了微震监测精度。另外，本发明适用范围广，且易于电脑编程。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是实施例中地面监测单元监测的矿震波形数据和GPS时间戳信息；

图3是实施例中井下监测单元监测的矿震波形数据和GPS时间戳信息；

图4是实施例中对地面监测单元补齐后的所有采样点采样时刻；

图5是实施例中对井下监测单元补齐后的所有采样点采样时刻；

图6是实施例中井下和地面监测单元监测波形授时对齐后，以时间为横轴、幅值为纵轴的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种井地一体微震监测系统监测单元采集数据授时对齐方法，包括如下步骤：

(1)分别取由井地一体微震监测系统地面无线监测单元和井下有线监测单元独立采集的带有多个GPS授时时间戳的矿震波形数据一和矿震波形数据二；矿震波形数据一和矿震波形数据二为长度不同的两段数据段；

(2)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二中所有相邻GPS授时时间戳之间的差值以及相邻GPS授时时间戳内包含的采样点数后，等间距补齐相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻；

(3)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二的平均采样频率，分别等间距补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中的首、尾GPS授时时间戳之外的采样点的采样时刻；

(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到的所有采样点上的采样时刻，按照统一设置的采样频率对采样时刻进行重新取样；

(5)根据步骤(2)和步骤(3)得到的所有采样点上的采样时刻和波形数据，采用线性插值公式计算步骤4中新采样时刻下的矿震波形数据，对齐矿震波形数据一和矿震波形数据二的采样时刻。

进一步地，所述步骤(1)中，地面无线监测单元和井下有线监测单元分别采用独立的高精度GPS进行授时，其采样频率分别为f

进一步地，所述步骤(2)中，所述等间距补齐相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻的步骤为：

201)分别计算GPS授时序列

时间差：

采样点数：

02)利用时间差和采样点数，采用公式：

等间距计算

采用公式：

等间距计算

203)重复步骤201)和202)，直至补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中所有相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻。

进一步地，所述步骤(3)中，等间距补齐矿震波形数据一和矿震波形数据二中的首、尾GPS授时时间戳之外的采样点的采样时刻的步骤为：

301)分别计算矿震波形数据一和矿震波形数据二的平均采样频率

302)采用算式

采用算式

进一步地，所述步骤(4)中，所述的采样频率统一设置为f，补齐后

401)分别找到采样时刻

402)确定重新取样后采样时刻

403)确定重新取样后的

其中，

重新取样后的

其中，

进一步地，所述步骤(5)中，根据采样时刻

501)找到满足

502)利用下标位置index，采用线性插值公式

计算得到波形数据

实施例：

(1)如图2所示，取井地一体微震监测系统地面无线监测单元以采样频率f

如图3所示，取井地一体微震监测系统井下有线监测单元以采样频率f

(2)等间距补齐相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻的步骤为：

201)计算波形数据

202)利用时间差和采样点数，采用式

等间距计算

采用式

等间距计算

203)重复步骤201)和202)，直至补齐两段波形数据中所有相邻GPS授时时间戳内未打时间戳的采样点的采样时刻。

(3)等间距补齐波形数据

301)分别计算波形数据

302)采用式

(4)如图4和图5所示，利用步骤(2)和步骤(3)得到补齐后所有采样点上的采样时刻

401)找到采样时刻

402)确定重新取样后采样时刻

结束值为：

采样时刻

结束值为:

403)确定重新取样后的

重新取样后的

(5)采用线性插值公式计算步骤(4)中新采样时刻

步骤501、找到满足

步骤502、利用下标位置index，采用线性插值公式：

计算得到如图6所示的波形数据