CN102129063A - 一种微震源或声发射源的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微震源或声发射源的定位方法，将多个声发射传感器安放于待测对象的附近，根据已知传感器所在位置的坐标值和时间差，根据距离运算公式，通过加速单纯形法或麦夸特法等非线性最小二乘回归方法求出微震源或声发射源的位置坐标。本发明的声发射定位方法不用测量或预先给定声速，能避免测量声速给定位造成的影响，提高了定位精度，在实际工程应用中较传统方法方便实用。

Description

一种微震源或声发射源的定位方法

技术领域

本发明涉一种微震源或声发射源的定位方法。

技术背景

如何准确定位材料破损或岩爆前期伴随产生的微震/声发射源位置十分重要。微震/声发射的源定位技术是声发射技术研究的核心问题之一，其定位准确程度反映声源检测位置与真实位置的符合程度。

许多科学工作者对声发射的源定位进行了大量的研究，提出了许多对声发射的源定位方法，如基于模态分析和小波变换的定位方法、基于神经元网络系统的定位方法等，但目前的声发射仪器进行定位仍普遍采用传统的第1次门槛跨越技术时差定位方法，该方法技术比较成熟，但需要预先给定声速或实测声速。波的传播速度受到传播介质的材质、尺寸及表面状态等因素影响，当输入的声速不同于被测物体中的真实声速时，特别对于岩石介质复杂性，将给系统定位带来误差，另外，实测声速受探头间距的大小影响也较大。

总之，在目前声发射仪定位系统中还不能消除声速偏差给定位造成的影响。为解决这一问题，有必要提出了一种不测速度的非线性定位的新方法，可以不用测量声速，能避免测量声速给定位造成的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种微震源或声发射源的定位方法，该微震源或声发射源的定位方法不用测量或预先给定声速，能避免测量声速给定位造成的影响，提高了定位精度，在实际工程应用中较传统方法方便实用。

本发明的技术解决方案如下：

一种微震源或声发射源的定位方法，分为两种情况：

A：二维定位方法：

在待测对象的附近放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、...，(x_M，y_M)，M大于等于4；

微震源或声发射源发声后，M个声发射传感器感应到微震源或声发射源的发声讯号并分别记录下感应到该发声讯号的时刻：t₁，t₂，...，t_M；

基于

组数据并根据下式计算出待测对象的位置坐标(x，y)，所述的数据包括2个声发射传感器的位置坐标值和该2个声发射传感器收到发声讯号的时间差：

${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v$ 公式1；

其中i，j均为1，2，...，M，且i≠j，v为声波的当前传播速度，

表示从M个对象中选择2个的组合数；

B：三维定位方法：

在待测对象的附近放置N个不处于同一平面的声发射传感器，N个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、...，(x_N，y_N，z_N)；N大于等于5；

微震源或声发射源发声后，M个声发射传感器感应到微震源或声发射源的发声讯号并分别记录下感应到该发声讯号的时刻t₁，t₂，...，t_N；

基于

组数据并根据下式计算出待测对象的位置坐标(x，y，z)，所述的数据包括2个声发射传感器的位置坐标值和该2个声发射传感器收到发声讯号的时间差：

${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2+{(z_j-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v$ ---公式2；

其中i，j均为1，2，...，N，且i≠j，v为声波的当前传播速度，

表示从N个对象中选择2个的组合数。

所述的声发射传感器是接收弹性波的传感器。

采用非线性回归算法求解待测对象的位置坐标。

采用加速单纯形法或麦夸特法中至少一种方法求解待测对象的位置坐标。

数值解是采用某种计算方法，如有限元的方法、数值逼近，插值的方法、优化方法得到的解，关于定位问题实际中很少有解析解的情形，本专利给出的加速单纯形法或麦夸特法同时适用于有解析解和无解析解的情形。

加速单纯形法或麦夸特法属于常规的非线性回归方法，如同最小二乘回归适用于线性回归一样，加速单纯形法或麦夸特法是一种很成熟的非线性回归算法。

有益效果：

本发明根据声发射源传播至传感器的时刻及传感器所监测点的坐标值，根据时间差与声发射源坐标值的关系推导得到声发射源的位置坐标。将声发射传感器安放于待测对象的附近，对于平面问题，至少需要四个传感器，安放的传感器不要在同一条直线上；对于三维问题需要五个传感器，安放的传感器不要在同一平面上。通过传感器测量声发射信号到达安放点的时刻(见附图1，2)。因此建立起声发射源坐标，传感器所在位置坐标，各传感器之间的时间差之间的关系式，既可以得到声发射源的位置坐标。

本发明突破了过去传统的给定或测量速度的方法。波的传播速度受到传播介质的材质、尺寸、表面状态及探头间距等因素影响，当输人的声速不同于被测物体中的真实声速时，将给系统定位带来误差。本发明提出了一种非线性定位方法，可以不用测量声速，能避免测量声速给定位带来的误差。本发明为声发射源的定位提供了一种简便宜行、精确可靠的新方法。

附图说明

图1是二维条件下微震源或声发射源的微震源或声发射源的定位示意图；

图2是三维条件下微震源或声发射源的微震源或声发射源的定位示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，说明：

预设一微震源/声发射源的位置为(0mm，0mm)，三个传感器的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)分别为(0mm，-10000mm)、(8000mm，0mm)、(0mm，6000mm)，(-13000mm，0mm)；微震源/声发射源传到四个传感器时触发传感器记录的时刻分别为2020μs，2016μs，2012μs，2026μs。以本例对二维定位问题进行详细说明，实际定位时，已知量为四个传感器的坐标及传感器触发记录的时刻，微震源/声发射源的位置未知，在这里之所以给出，目的是通过本专利提出的方法进行验证。具体实施步骤如下：

(1)列出四个传感器的坐标值及传感器触发记录的时刻：四个传感器的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)分别为(0mm，-10000mm)、(8000mm，0mm)、(0mm，6000mm)，(-13000mm，0mm)；四个传感器对应触发的时刻t₁，t₂，t₃，t₄分别为2020μs，2016μs，2012μs，2026μs。

(2)求出四个传感器之间的时间差：t₂-t₁、t₃-t₁、t₄-t₁、t₄-t₂、t₄-t₃、t₃-t₂分别为-4μs，-8μs，6μs，10μs，4μs，-4μs。

(3)用(1)、(2)给出的6组值采用加速单纯形法或麦夸特法(Marquardt)中至少一种方法拟合下式中的三个未知量(x，y，v)，通过拟合可知x，y，v分别为0.00，0.00，500.00mm/μs。x，y的值(0.00mm，0.00mm)即为定位结果，可见定位结果与预设的坐标(0mm，0mm)吻合较好，定位精度高。

${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v.$

实施例2：

如图2所示，预设一微震源/声发射源的位置为(0mm，0mm，0mm)，五个传感器的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂，t₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)与(x₅，y₅，z₅)分别为(-80000，0，0)，(0，15000，0)，(60000，0，0)，(0，45000，0)，(0，0，55000)。五个传感器对应触发的时刻t₁，t₂，t₃，t₄，t₅分别为5016μs，5003μs，5012μs，5009μs，5011μs。以本例对三维定位问题进行详细说明，实际定位时，已知量为五个传感器的坐标及传感器触发记录的时刻，微震源/声发射源的位置未知，在这里之所以给出，目的是通过本专利提出的方法进行验证。具体实施步骤如下：

(1)将五个传感器(最少需要四个传感器)布置在待测对象附近，且五个传感器的不在同一平面上，五个传感器的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂，t₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)与(x₅，y₅，z₅)分别为(-80000，0，0)，(0，15000，0)，(60000，0，0)，(0，45000，0)，(0，0，55000)。五个传感器对应触发的时刻t₁，t₂，t₃，t₄，t₅分别为5016μs，5003μs，5012μs，5009μs，5011μs。

(2)求出五个传感器接收到信号的时间差t₂-t₁；t₃-t₁；t₄-t₁；t₅-t₁；t₃-t₂；t₄-t₂；t₅-t₂；t₄-t₃；t₅-t₃；t₅-t₄分别为-13μs，-4μs，3μs，-5μs，9μs，7μs，8μs，-3μs，-1μs，-2μs。

(3)将以上(1)与(2)求出的10组值采用加速单纯形法或麦夸特法(Marquardt)中至少一种方法拟合下式中的四个未知量x，y，z，v： ${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2+{(z_j-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v.$

通过拟合可知x，y，z，v分别为0.00，0.00，0.00，5000.00mm/μs。x，y，z的值(0.00mm，0.00mm，0.00mm)即为定位结果，可见定位结果与预设的坐标(0mm，0mm，0mm)吻合较好，定位精度高。

Claims (3)

1.一种微震源或声发射源的定位方法，其特征在于，分为两种情况：

A：二维定位方法：

在待测对象的附近放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、...，(x_M，y_M)，M大于等于4；

微震源或声发射源发声后，M个声发射传感器感应到微震源或声发射源的发声讯号并分别记录下感应到该发声讯号的时刻：t₁，t₂，...，t_M；

基于

组数据并根据下式计算出待测对象的位置坐标(x，y)，所述的数据包括2个声发射传感器的位置坐标值和该2个声发射传感器收到发声讯号的时间差：

${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v$ 公式1；

其中i，j均为1，2，...，M，且i≠j，v为声波的当前传播速度，表示从M个对象中选择2个的组合数；

B：三维定位方法：

在待测对象的附近放置N个不处于同一平面的声发射传感器，N个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、...，(x_N，y_N，z_N)；N大于等于5；

微震源或声发射源发声后，M个声发射传感器感应到微震源或声发射源的发声讯号并分别记录下感应到该发声讯号的时刻t₁，t₂，...，t_N；

基于组数据并根据下式计算出待测对象的位置坐标(x，y，z)，所述的数据包括2个声发射传感器的位置坐标值和该2个声发射传感器收到发声讯号的时间差：

${[{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2+{(z_j-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}=(t_i-t_j)v$ ---公式2；

其中i，j均为1，2，...，N，且i≠j，v为声波的当前传播速度，

表示从N个对象中选择2个的组合数。

2.根据权利要求1所述的微震源或声发射源的定位方法，其特征在于，采用非线性回归算法求解待测对象的位置坐标。

3.根据权利要求2所述的微震源或声发射源的定位方法，其特征在于，采用加速单纯形法或麦夸特法中至少一种方法求解待测对象的位置坐标。

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