一种含未知空洞的目标区域震源定位方法及系统与流程

本发明涉及一种含未知空洞的目标区域震源定位方法及系统，属于无损检测、安全监测技术领域。

背景技术：

随着深部矿产资源的采掘和地下空间的开发利用，地下工程不断走向深部，特别是金属矿山及隧道工程，岩爆事故剧增。为了降低岩爆灾难造成的人员伤亡与财产损失，基于地球物理学发展起来的微震技术可以有效的监测岩石微破裂发生的位置。近年来，已经广泛地应用于矿山安全、水电地下工程监测，特别是在监测隧道和采矿工程中的的断层和岩石微破裂信号发挥了重要作用，为评价岩爆和地震灾害提供了科学依据。

微震监测技术的主要目标就是确定震源的位置，其准确程度反映了震源的检测位置和实际源位置的符合程度。因而定位精度的高低直接显示了检测方法的有效性，较高的定位精度能提高无损检测的效率。合理的定位精度对于控制岩爆、提高深部采矿工程的安全性能具有重要意义。

在实际开采的矿山、溶洞、隧道等环境下，地层会遇到巷道、采场等复杂的空洞区域。现有的震源定位方法多是在已知空洞位置、大小和形状的前提下，利用路径搜索算法确定出波的最短路径，从而进行震源定位。然而，在实际工程环境中，我们不可能全部了解各待定位区域中的所有空洞位置、大小、形状，所以现有的震源定位方法应用范围狭窄。

为了解决这一问题，有必要针对含未知空洞的目标区域，提出一种震源定位方法。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种含未知空洞的目标区域震源定位方法及系统，可以实现含未知空洞的目标区域的震源定位。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案如下：

一方面，提供一种含未知空洞的目标区域震源定位方法，包括以下步骤：

步骤1、辨识空洞位置；具体包括以下步骤：

现场数据采集：在目标区域的不同位置布置m个声发射传感器，现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间；

仿真分析：针对目标区域构建多个空洞模型；针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；

空洞位置辨识：分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，最小偏差对应的空洞模型所在位置即为辨识得到的目标区域中的空洞位置；

步骤2、震源定位；

在步骤1辨识出的空洞位置的基础上，对目标区域进行震源定位。

进一步地，所述声发射传感器均具有脉冲信号发射功能。

进一步地，所述步骤1中，设主动震源，即发射脉冲信号的声发射传感器为sc，其发射脉冲信号的时间为第r个声发射传感器sr接收到sc发射的脉冲信号的实际时间为则声发射传感器sc与声发射传感器sr之间信号的实际旅行时间为：

进一步地，所述步骤1中，构建空洞模型的方法为：

对目标区域按一定比例进行网格划分，得到n个网格交点，将每一个网格交点视为一个样本点，得到一个包含n个样本点的集合；遍历集合内的所有样本点p，以及空洞大小s所有的可取值，分别以每个样本点p为中心，构建一个大小为s的空洞模型e，由此得到目标区域内所有的空洞模型；其中s的可取值为网格大小的整数倍，且小于或等于目标区域的大小。

进一步地，所述步骤1中，采用常用最短路径搜索方法来追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间。

进一步地，设目标区域内存在空洞模型e时，追踪到的发射脉冲的声发射传感器sc与接收脉冲声发射传感器sr之间的最短路径为脉冲信号在非空洞区的传播速度为v，则声发射传感器sc与声发射传感器sr之间信号的理论旅行时间为：

进一步地，所述步骤1中，偏差计算公式为：

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

数据采集：

通过声发射传感器接收未知的实际震源产生的声波信号(p波信号)，记录第k个声发射传感器sk接收到声波信号的实际时间为t′^k；计算两个声发射传感器sl和声发射传感器sk接收到声波信号的实际时间之差δt′^lk，δt′^lk＝|t＇^l-t＇^k|，l,k＝1,2,…,m；

理论值计算：

对目标区域按一定比例进行网格划分，得到n个网格交点，每一个网格交点作为一个节点，得到一个包含n个节点的集合；建立多维数组m，m中的元素与节点一一对应，若某节点落在目标区域中的实心区域，则将其在m矩阵中对应的元素设为0，代表该节点位置可以通过；若某节点落在目标区域中的空洞区域，则将其在m矩阵中对应的元素设为设为1，代表该节点位置不可以通过；

遍历将集合内的所有节点，将每个节点h分别当作潜在的震源位置，并进行以下处理：

采用多种不同的最短路径搜索算法分别追踪h到第k个声发射传感器sk之间信号传播的最短路径，比较多种最短路径搜索算法追踪到的最短路径长度，将其中最小的长度记为若h位于空洞区域内，则

计算h处的震源产生的声波信号传播到第k个声发射传感器sk的理论旅行时间其中c为声波信号在非空洞区的传播速度，可以为未知量；

计算声发射传感器sl和声发射传感器sk的接收到h处的震源产生的声波信号的理论时间之差

定位计算：

基于与δt＇^lk估计各节点h与实际震源位置的偏离程度，确定所有节点中与实际震源位置的偏离程度最小的节点，将该节点坐标作为实际震源的定位坐标。

进一步地，引入dh来描述节点ph与实际震源位置的偏离程度，dh计算公式为：

当节点位于空洞区域内，则有dh＝∞；

dh的值越大，表示节点h与实际震源位置的偏离程度越大。

进一步地，多种不同的最短路径搜索算法包括a*算法、dijkstra算法、floyd算法、粒子群算法、蚁群算法5种。

另一方面，提供一种含未知空洞的目标区域震源定位系统，包括多个声发射传感器和数据处理模块；

所述多个声发射传感器分别布置在目标区域，用于现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间，并记录实际震源处产生的声波信号到达各声发射传感器的时间；

所述数据处理模块用于进行空洞位置辨识和震源定位；所述空洞位置辨识方法为：首先针对目标区域构建多个空洞模型；然后针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；最后分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，将最小偏差对应的空洞模型所在位置即为辨识得到的目标区域中的空洞位置；所述震源定位为：在辨识出的空洞位置的基础上，进行仿真分析，并结合实际震源处产生的声波信号到达各声发射传感器的时间数据，对目标区域进行震源定位。

有益效果：

本发明上述技术方案具有以下优点：(1)考虑了在实际工程环境中会遇到巷道、采场等复杂的空洞区域，空洞位置难以轻易辨识，提出的方案可辨识出空洞区域并对震源进行精确定位，具有工程价值；(2)考虑了弹性波在介质中实际的传播路径，追踪弹性波从潜在震源位置到传感器之间绕开空区的最短时间路径，让其接近真实路径，而不再是传统的不符合实际的两点间的最短距离路径(直线路径)，使得在复杂环境下的震源定位精度大大提高；(3)现有的震源定位方法多利用一种路径搜索算法确定出波的最短路径，而使用一种路径搜索算法对于不同结构的介质有局限性；本发明上述技术方案基于多种搜索算法协同寻优，得到最优路径，从而进行震源定位，精度更高，适用范围更广；(4)可在未知波速下实现震源定位；(5)步骤清晰，操作简单，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明实施例流程图。

图2是本发明实施例中多种搜索算法协同寻优搜索路径图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例公开了一种含未知空洞位置的震源定位方法，包括以下步骤：

步骤1、辨识空洞位置；具体包括以下步骤：

现场数据采集：在目标区域的不同位置布置m个声发射传感器，现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间；其中m为大于或等于4的整数；

仿真分析：针对目标区域构建多个位置、大小、形状不同的空洞模型；针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；

空洞位置辨识：分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，最小偏差对应的空洞模型所在位置即为辨识得到的目标区域中的空洞位置；

步骤2、震源定位；

在步骤1辨识出的空洞位置的基础上，对目标区域进行震源定位。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，所述声发射传感器均具有脉冲信号发射功能。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，所述步骤1中，设主动震源，即发射脉冲信号的声发射传感器为sc，其发射脉冲信号的时间为第r个声发射传感器sr接收到sc发射的脉冲信号的实际时间为则声发射传感器sc与声发射传感器sr之间信号的实际旅行时间为：

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤1中，构建空洞模型的方法为：

对目标区域按一定比例进行网格划分，得到n个网格交点，将每一个网格交点视为一个样本点，得到一个包含n个样本点的集合；遍历集合内的所有样本点p，以及空洞大小s所有的可取值，分别以每个样本点p为中心，构建一个大小为s的空洞模型e，由此得到目标区域内所有的空洞模型；其中s的可取值为网格大小的整数倍，且小于或等于目标区域的大小。

如图2所示，在实验中，目标区域为二维平面，将目标区域以边长为l网格化，l越小，网格细分程度越大，辨识越精准。以形状为等边三角形的空洞为例，将空洞的位置、大小以(x,y,a,θ)表示出来。其中，(x,y)表示空洞的中心，a表示空洞的边长,其大小为网格长度的倍数。θ表示等边三角形的底边与x轴正半轴的夹角。将空洞置于网格化后的目标区域，将集合内的每个样本点p当作潜在的空洞中心，x,y要遍历所有可能节点，a,θ取所有可取值，由此可以得到二维平面内所有空洞模型。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上，所述步骤1中，采用最短路径搜索方法来分别追踪目标区域内存在各个空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间。最短路径搜索算法有：dijkstra算法、floyd算法、a*算法、蚁群算法等。本实施例在步骤1中采用dijkstra算法追踪出追踪目标区域内存在各个空洞模型时发射脉冲的传感器sc与接收脉冲传感器sr之间信号传播的理论最短路径。

实施例6：

本实施例在实施例5的基础上，设目标区域内存在空洞模型e时，追踪到的发射脉冲的声发射传感器sc与接收脉冲声发射传感器sr之间的理论最短路径为设脉冲信号在非空洞区的传播速度为一个定值，用v表示，则声发射传感器sc与声发射传感器sr之间信号的理论旅行时间为：对所有空洞模型，求相应的理论旅行时间，由此得到所有理论旅行时间即为空洞数据库。

实施例7：

本实施例在实施例6的基础上，所述步骤1中，偏差计算公式为：

每一种空洞模型将得到一个对应的dps值，并且，dps的值越大，表示对应的空洞模型与实际空洞的偏离程度也越大，因此，将最小的dps值对应的坐标(x,y)视为实际空洞中心的坐标，对应s为实际空洞的大小。

实施例8：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤2包括以下步骤：

数据采集：

通过声发射传感器接收未知的实际震源产生的声波信号(p波信号)，记录第k个声发射传感器sk接收到声波信号的实际时间为t′^k；计算两个声发射传感器sl和声发射传感器sk接收到声波信号的实际时间之差δt′^lk，δt′^lk＝|t′^l-t′^k|，l,k＝1,2,…,m；

理论值计算：

对目标区域按一定比例进行网格划分(将目标区域中实心区与空洞区以相同尺寸进行网格划分，网格的尺寸决定于目标区域的体积大小与定位精度要求)，得到n个网格交点，每一个网格交点作为一个节点，得到一个包含n个节点的集合；建立多维数组m，m中的元素与节点一一对应，若某节点落在目标区域中的实心区域，则将其在m矩阵中对应的元素设为0，代表该节点位置可以通过；若某节点落在目标区域中的空洞区域，则将其在m矩阵中对应的元素设为设为1，代表该节点位置不可以通过；

遍历将集合内的所有节点，将每个节点h分别当作潜在的震源位置，并进行以下处理：

采用多种不同的最短路径搜索算法分别追踪h到第k个声发射传感器sk之间信号传播的最短路径，比较多种最短路径搜索算法追踪到的最短路径长度，将其中最小的长度记为若h位于空洞区域内，则

其中，f(h；sk；g)表示采用最短路径搜索算法g追踪得到的h到sk之间信号传播的最短路径的长度。

本实施例中采用的最短路径搜索算法g包括(a)a*算法、(b)dijkstra算法、(c)floyd算法、(d)粒子群算法、(e)蚁群算法共5种。由5种不同的最短路径搜索算法分别追踪h到sk之间信号传播的最短路径，可以得到5条最短路径，取5条最短路径中长度小的路径作为最优路径，其长度记为

在实验中，m＝5；搜索得到的某一潜在震源位置(标记星号的点)到5个传感器的最优路径如图2所示，相应的短路径搜索算法分别为a，a，b，b，b。

计算h处的震源产生的声波信号从h传播到第k个声发射传感器sk的理论旅行时间其中c为声波信号在非空洞区的传播速度，可以为未知量；

计算声发射传感器sl和声发射传感器sk的接收到h处的震源产生的声波信号的理论时间之差

定位计算：

引入dh来描述节点ph与实际震源位置的偏离程度，dh计算公式为：

当节点位于空洞区域内，则有dh＝∞；

dh的值越大，表示节点h与实际震源位置的偏离程度越大，由此确定所有节点中与实际震源位置的偏离程度最小的节点，将该节点坐标作为实际震源的定位坐标。

实施例9：

本实施例提供一种含未知空洞的目标区域震源定位系统，包括多个声发射传感器和数据处理模块；

所述多个声发射传感器分别布置在目标区域，用于现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间，并记录实际震源处产生的声波信号到达各声发射传感器的时间；

所述数据处理模块用于进行空洞位置辨识和震源定位；所述空洞位置辨识方法为：首先针对目标区域构建多个空洞模型；然后针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；最后分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，将最小偏差对应的空洞模型所在位置即为辨识得到的目标区域中的空洞位置；所述震源定位为：在辨识出的空洞位置的基础上，进行仿真分析，并结合实际震源处产生的声波信号到达各声发射传感器的时间数据，对目标区域进行震源定位。

所述系统采用实施例1～8中任一项所述的方法实现震源定位。