一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)監(jiān)測(cè)定位領(lǐng)域，尤其是一種適用于均勻介質(zhì)環(huán)境下遠(yuǎn)場(chǎng)微震震源 快速定位方法，適用于煤礦、石油井下等以震動(dòng)波、聲波、電磁波作傳輸媒介的工業(yè)監(jiān)測(cè)定 位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是煤礦災(zāi)害事故預(yù)測(cè)的重要手段。研究發(fā)現(xiàn)震動(dòng)活動(dòng)的頻次、能量 分布與井下沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦井動(dòng)力災(zāi)害關(guān)系密切。煤礦微震監(jiān)測(cè)是將微震監(jiān) 測(cè)技術(shù)應(yīng)用在煤礦井下，記錄震動(dòng)活動(dòng)頻率、能量、波形等信息，利用震波記錄初至?xí)r間信 息定位煤礦井下微震事件的位置、反演煤巖體的縱波速度、分析應(yīng)力的分布特征等，為預(yù)測(cè) 沖擊危險(xiǎn)區(qū)域提供支持。
[0003] 微地震監(jiān)測(cè)的基本做法是通過(guò)在井中或地面布置檢波器排列接收生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn) 生或誘導(dǎo)的微小地震事件，并通過(guò)對(duì)這些事件的反演求取微地震震源位置等參數(shù)，然后， 應(yīng)用這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控或指導(dǎo)。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)微震震源定位方法、提高對(duì)微震源 定位的準(zhǔn)確性和精度的研究，一直是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。震源定位方法很多，主 要包括幾何方法、物理方法與數(shù)學(xué)方法等。目前國(guó)內(nèi)外使用的震動(dòng)源定位方法，大多是以預(yù) 先測(cè)定平均速度或給出平均速度模型為前提，故在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定位時(shí)，平均速度測(cè)量的準(zhǔn)確 性直接影響著定位精度。
[0004] 目前最為常用無(wú)需預(yù)先測(cè)速的震動(dòng)源定位的以二維函數(shù)做尋優(yōu)目標(biāo)的到達(dá)時(shí)間 差定位方法，但是這個(gè)方法的求解速度和效率都不夠，研究發(fā)現(xiàn)震源位于遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，二維目標(biāo) 函數(shù)解值在收斂域附近會(huì)發(fā)生持續(xù)震蕩，嚴(yán)重影響了求解的穩(wěn)定性和速度。
[0005] 因此，有必要研究出一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù) 當(dāng)中的上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法，從而能夠快速確定 震源的位置。
[0007] 本發(fā)明在經(jīng)典ID0A定位方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的數(shù)學(xué)模型，在波速未知的情 況下，使用降維的方式，用雙曲線的漸近線構(gòu)建尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)解可以快速穩(wěn)定的 收斂，從而快速得到震源的坐標(biāo)位置。
[0008] 本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法，該方法包括如下步驟：
[0009] S101，獲取N個(gè)檢波器的位置坐標(biāo)（Xi, 、（x2,y2)、（x3,y3)、. . .（xn,yn)，該N個(gè)檢 波器（N多4)成等距線型排列在待檢測(cè)定位的環(huán)境中，如圖2所示；
[0010] S102,在待測(cè)區(qū)域發(fā)生微震活動(dòng)時(shí)，各檢波器將接收到震動(dòng)波信號(hào)，連接各檢波 器的采集處理模塊將震動(dòng)信號(hào)集中處理，得到各相鄰檢波器震波的到達(dá)時(shí)間差，分別記為 七12,t23...，t(Ndn;
[0011] S103,將每3個(gè)檢波器定義為一組檢波器，如（Xi,yj、（x2,y2)、（x3,y3)為第一組檢 波器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t12、t23，得待測(cè)位置橫坐標(biāo)與波速一組關(guān)系式x=f(v);
[0012]
[0013] 認(rèn)為（x4,y4)、（x5,y5)、（x6,y6)為第二組檢波器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t45、t56，根據(jù)⑴式 得另一組橫坐標(biāo)與波速關(guān)系式？ =f(v);
[0014]
[0015] 對(duì)每?jī)山M檢波器求分別求|x-x' |的值；
[0016] 使用遺傳算法尋優(yōu)策略，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為所有|x-x' |的和，即為
[0017]
[0018] 找到使目標(biāo)函數(shù)為0的v即可認(rèn)為求解過(guò)程完成。
[0019] S104,將求得的v和各已知參數(shù)代入式⑴和漸近線公式（3)即可求得目標(biāo)坐標(biāo)。
[0020]

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖；
[0022] 圖2為實(shí)施例中檢波器位置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024] 以下通過(guò)圖1對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步的介紹。本發(fā)明提供一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng) 震源快速定位方法，該方法包括如下步驟：
[0025] S101，獲取N個(gè)檢波器的位置坐標(biāo)（Xi,yj、（x2,y2)、（x3,y3)、. . .（xn,yn)，該N個(gè)檢 波器（N多4)成等距線型排列在待檢測(cè)定位的環(huán)境中，如圖2所示；
[0026] S102,在待測(cè)區(qū)域發(fā)生微震活動(dòng)時(shí)，各檢波器將接收到震動(dòng)波信號(hào)，連接各檢波 器的采集處理模塊將震動(dòng)信號(hào)集中處理，得到各相鄰檢波器震波的到達(dá)時(shí)間差，分別記為 七12,t23...，t(Ndn;
[0027] S103,將每3個(gè)檢波器定義為一組檢波器，如（Xi,yj、（x2,y2)、（x3,y3)為第一組檢 波器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t12、t23，得待測(cè)位置橫坐標(biāo)與波速一組關(guān)系式x=f(v);
[0028]
[0029] 認(rèn)為（x4,y4)、（x5,y5)、（x6,y6)為第二組檢波器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t45、t56，根據(jù)⑴式 得另一組橫坐標(biāo)與波速關(guān)系式？ =f(v);
[0030]
[0031] 對(duì)每?jī)山M檢波器求分別求|x-x' |的值；
[0032] 使用遺傳算法尋優(yōu)策略，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為所有|x-x' |的和，即為
[0033]
[0034] 找到使目標(biāo)函數(shù)為0的波速v即可認(rèn)為求解過(guò)程完成。
[0035] S104,縱坐標(biāo)y的計(jì)算公式為
[0036] 將求得的v和各已知參數(shù)代入公式（1)和公式（3)即可求得目標(biāo)坐標(biāo)（x，y)。
[0037] 實(shí)施例一：
[0038] 假設(shè)檢波器坐標(biāo)為（970, 0)、（980, 0)、（990, 0)、（1000, 0)，震源坐標(biāo) 為（600, 1000)，波速為3000m/s，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得，各檢波器之間的到時(shí)差t21 = 1. 170400ms、t32= 1. 197628ms、t43= 1. 224583ms。以本例對(duì)二維定位問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明， 實(shí)際定位時(shí)，已知量為四個(gè)檢波器的坐標(biāo)及傳感器觸發(fā)記錄的時(shí)刻，微震源的位置未知，在 這里之所以給出，目的是通過(guò)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。具體實(shí)施步驟如下：
[0039] 1、列出四個(gè)檢波器的坐標(biāo)值：（970, 0)、（980, 0)、（990, 0)、（1000, 0);
[0040] 2、列出經(jīng)采集處理后得到的各檢波器間的到到時(shí)差t21= 1. 170400ms、t32 = 1. 197628ms、t43= 1. 224583ms;
[0041] 3、以標(biāo)準(zhǔn)GA作為尋優(yōu)方法，以式（2) |x-x' |作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。算法運(yùn)行 于MATLAB環(huán)境，使用英國(guó)謝菲爾德大學(xué)開(kāi)發(fā)的GATBX工具箱編程實(shí)現(xiàn)，取vG(1，8165);
[0042] 通過(guò)分析計(jì)算的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的方法收斂速度較快且穩(wěn)定，一般在迭代 20次左右即收斂，并且計(jì)算最優(yōu)的v非常穩(wěn)定，其值恒定為3002. 4,已經(jīng)較接近真實(shí)解。
[0043]4、將得到穩(wěn)定的v值代入式（1)、（3)，即可得到待測(cè)震源位置坐標(biāo)，計(jì)算得到坐標(biāo) 為（600. 1，998. 8)，近似于真實(shí)值。
[0044] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可 以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保 護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： S101，獲取N個(gè)檢波器的位置坐標(biāo)（Xi, 、（x2, y2)、（x3, y3)、. . ?（xn, yn)，該N個(gè)檢波器 (N多4)成等距線型排列在待檢測(cè)定位的環(huán)境中； 5102, 在待測(cè)區(qū)域發(fā)生微震活動(dòng)時(shí)，各檢波器將接收到震動(dòng)波信號(hào)，連接各檢波器 的采集處理模塊將震動(dòng)信號(hào)集中處理，得到各相鄰檢波器震波的到達(dá)時(shí)間差，分別記為 七12, ,t(Ni)N〇 5103, 將每3個(gè)檢波器定義為一組檢波器，如（Xi,yj、（x2,y2)、（x3,y3)為第一組檢波 器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t12、t23，得待測(cè)位置橫坐標(biāo)與波速一組關(guān)系式x=f(v);定義（x4,y4)、（x5,y5)、（x6,y6)為第二組檢波器，對(duì)應(yīng)到時(shí)差為t45、t56，根據(jù)公式⑴得 另一組橫坐標(biāo)與波速關(guān)系式X' =f(v); i找到使目標(biāo)函數(shù)為〇的波速V即可認(rèn)為求解過(guò)程完成。 5104, 縱坐標(biāo)y的計(jì)算公式爻 將求得的v和各已知參數(shù)代人公式（1)和公式（3)叩N求得晨源的坐稱U，y)。
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)預(yù)測(cè)速的遠(yuǎn)場(chǎng)震源快速定位方法，本發(fā)明在經(jīng)典TDOA定位方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的數(shù)學(xué)模型，在波速未知的情況下，使用降維的方式，用雙曲線的漸近線構(gòu)建尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)解可以快速穩(wěn)定的收斂，從而快速得到震源的坐標(biāo)位置。
【IPC分類】G01V1/28
【公開(kāi)號(hào)】CN105022091
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510484618
【發(fā)明人】丁恩杰, 陳卿, 呂雅潔, 郎佳敏, 胡東平
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 徐州工程學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年8月7日