一种基于ALL‑FFT相位差的岩石声发射源定位方法与流程

技术特征：

1.一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对试验用岩石试件进行单轴压缩声发射实验，通过加载系统给岩石试件进行加载，并采用声发射系统采集声发射信号；

2)对采集到的声发射信号利用小波变换进行去噪处理；

3)对去噪后的声发射信号利用ALL-FFT相位差进行相位差时延计算，求解相位差，得到声发射信号的时延估计，反演出声发射源坐标；

4)将求得的AE源G点坐标作为盖格尔定位方法中的迭代初始点，通过迭代逼近最终结果，并通过最小二乘法计算修正量，每次迭代都以此修正量为基础，把向量加到上次迭代结果上，得到一个新的迭代点，判断新的迭代点是否满足预先设定的要求，满足则停止迭代。

2.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤1)中，加载系统采用WAW-2000微机控制电液伺服万能试验机。

3.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤1)中，声发射系统采用美国声学物理公司PAC生产的全数字式PCI-2型声发射系统；且声发射系统采用了PCI板卡。

4.如权利要求1或3所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤1)中，声发射系统中设置有实时采集/分析模块，该实时采集/分析模块能对声发射实时采集。

5.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，去噪处理过程如下：

2.1)假定基本函数为ψ(t)，令小波ψ_a,b(t)为：

${\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right),$

式中，a为尺度因子，a>0，为常数；b为位移因子，为常数；t为时间序列；若尺度因子a和位移因子b不断变化，则得到一簇函数{ψ_a,b(t)}，即为小波基；

2.2)设f(t)＝L²(R)，则x(t)的小波变换定义为：

${\mathrm{WT}}_f(a,b)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}f\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-b}{a}\right)dt,$

式中，x(t)是指选择的序列，f(t)、L²(R)表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间、R表示实数，T_f(a，b)表示小波变换函数，ψ^*(·)表示基本小波函数。

逆变换定义为：

$f\left(t\right)=\frac{1}{C_{\mathrm{\ψ}}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{W}_f(a,b){\mathrm{\ψ}}_{ab}\left(t\right)\frac{1}{a^2}dadb,$

${\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)=|a{|}^{-1/2}\mathrm{\ψ}\left(\frac{x-b}{a}\right);$

式中，x指x(t)，C_ψ表示常数、W_f(a,b)表示小波逆函数。

6.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤3)中，具体过程如下：

3.1)设s₁(k)是AE信号，n₁(k)和n₂(k)表示随机噪声，Δ_ij为待估计的时间延迟，α为比例系数；则两个空间分开的传感器的接收信号，其离散形分别为：

x₁(k)＝s₁(k)+n₁(k)，

x₂(k)＝αs₁(k-Δ_ij)+n₂(k)，

式中，x₁(k)和x₂(k)为离散谱线；

3.2)利用全相位频谱分析法求AE信号主谱线频率为k₀时的相位分别为：

则时间延迟为：

式中，f_c为主谱线频率；f_s为采样频率；

3.3)利用时差定位反演出声发射源坐标。

7.如权利要求6所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤3.3)中，声发射源坐标求解过程为：

3.3.1)采用最小二乘法进行实验仿真定位，最小二乘法公式为：

$\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}=v(t-t_i),$

式中，x,y,z为声发射源试验点坐标；t为事件发生时刻；t_i代表波到达第i个传感器的时间；x_i,y_i,z_i为第i个传感器的位置；

3.3.2)采用四个传感器，则A₁(x₁,y₁,z₁),A₂(x₂,y₂,z₂),A₃(x₃,y₃,z₃),A₄(x₄,y₄,z₄)分别是四个传感器的坐标点，设G点为AE源，坐标为G(x,y,z)；

3.3.3)对于传感器坐标A₁和A₂：

$\begin{array}{c}{\mathrm{v\Δ}}_{12}=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}\\ -\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}\end{array};---\left(1\right)$

对于传感器坐标A₂和A₃：

$\begin{array}{c}{\mathrm{v\Δ}}_{23}=\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}\\ -\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}\end{array};---\left(2\right)$

对于传感器坐标A₃和A₄：

$\begin{array}{c}{\mathrm{v\Δ}}_{34}=\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}\\ -\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}\end{array};---\left(3\right)$

式中，x_i,y_i,z_i为第i个传感器的位置坐标；v是波速；Δ_ij为AE信号从G点到达第i个传感器和第j个传感器的时间差；

3.3.4)联立式(1)至式(3)，求出AE源G点的坐标。

8.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，每次迭代的结果由下式产生：

$v(t-t_i)=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2},$

式中，x,y,z为AE源G点坐标，即为试验点迭代初始值；t为事件发生时刻；t_i代表波到达第i个传感器的时间；x_i,y_i,z_i为第i个传感器的位置；v为波速。

9.如权利要求1所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，具体定位过程如下：

4.1)设第i个传感器测到的波到达时间为t_o,i，用AE源G点坐标计算出的到达时间的一阶泰勒展开式为：

$t_{o,i}=t_{c,i}+\frac{\∂t_i}{\∂x}\mathrm{\Δ}x+\frac{\∂t_i}{\∂y}\mathrm{\Δ}y+\frac{\∂t_i}{\∂z}\mathrm{\Δ}z+\frac{\∂t_i}{\∂t}\mathrm{\Δ}t,$

式中，t_c,i为由试验点坐标计算出的波到达第i个传感器的时间；

进而得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂t_i}{\∂x}=\frac{(x_i-x)}{vR}\\ \frac{\∂t_i}{\∂y}=\frac{(y_i-y)}{vR}\\ \frac{\∂t_i}{\∂z}=\frac{(z_i-z)}{vR}\\ \frac{\∂t_i}{\∂t}=1\\ R=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}\end{array}\right.;$

4.2)对于n个传感器，矩阵形式表示为：

AΔθ＝B，

其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\∂t_1}{\∂x}& \frac{\∂t_1}{\∂y}& \frac{\∂t_1}{\∂z}& 1\\ \frac{\∂t_2}{\∂x}& \frac{\∂t_2}{\∂y}& \frac{\∂t_2}{\∂z}& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \frac{\∂t_n}{\∂x}& \frac{\∂t_n}{\∂y}& \frac{\∂t_n}{\∂z}& 1\end{array}\right],\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\\ \mathrm{\Δ}t\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{t}_{o,1}-t_{c,1}\\ t_{o,2}-t_{c,2}\\ .\\ .\\ .\\ t_{o,n}-t_{c,n}\end{array}\right];$

4.3)求解步骤4.2)中的矩阵得到修正向量Δθ＝(A^TA)^-1A^TB；

4.4)以(θ+Δθ)为试验点继续迭代，直至满足迭代结束。

10.如权利要求9所述的一种基于ALL-FFT相位差的岩石声发射源定位方法，其特征在于：所述步骤4.4)中，为本次迭代结果中Δt值与上次迭代结果中Δt值的差值，即当数量级时，迭代结束。