CN102435980B

CN102435980B - 一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法

Info

Publication number: CN102435980B
Application number: CN 201110273728
Authority: CN
Inventors: 董陇军; 李夕兵; 宫凤强
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN102435980A

Abstract

本发明公开了一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法，将5个声发射传感器安放于长方体监测网络的5个顶点上，根据已知传感器所在位置的坐标值和P波到时，根据距离运算公式及P波速度与时间关系式，通过解方程得到了微震源或声发射源的位置坐标的解析解。该基于解析求解的声发射源或微震源定位方法不需要迭代求解，能避免迭代求解中初值及算法给定位造成的影响，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

一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法

技术领域

本发明涉一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法。

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，但需要通过迭代的优化方法求解，迭代过程中初值的选择和优化方法的选择直接影响着定位精度，实际工程中，初值和优化方法有很多种，不同的初值和迭代方法得到的定位结果各不相同。

总之，在目前声发射仪及微震定位系统中还不能消除初值确定和迭代过程本身给定位造成的影响。为解决这一问题，有必要提出了一种不需迭代的解析方法，可以不用优化方法，不需要迭代，能避免迭代和初值给定位造成的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法，该基于解析求解的声发射源或微震源定位方法不需要迭代求解，能避免迭代求解中初值及算法给定位造成的影响，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：

一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法，在待测对象所在的长方体监测网络的5个顶点上放置5个声发射传感器，该长方体监测网络的长宽高分别为2a、2b、2c，5个声发射传感器的三维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、...，(x₅，y₅，z₅)；5个顶点中的4个顶点为该长方体监测网络的同一个面上的4个顶点；

微震源或声发射源发出信号后，第i个传感器感应到微震源或声发射源的信号并分别记录下感应到该信号的时刻，i取1～5中的任一个值，该信号到达传感器的时间分别为t₁，t₂，...，t₅；令声发射源或震源的发声或发震时刻为t₀；t₁₀＝t₁-t₀；t₂、t₃、t₄和t₅与t₁的差分别表示为Δt₂、Δt₃、Δt₄和Δt₅；v为该信号的传输速度，为已知量；

通过以下列公式求得声发射源或微震源的坐标：

x₀＝-v²(2t₁₀Δt₄+Δt₄ ²)/4a；

y_{0} = \frac{- a}{b} \frac{2 t_{10} Δ t_{2} + Δ {t_{2}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

z_{0} = - \frac{a}{c} \frac{2 t_{10} Δ t_{5} + Δ {t_{5}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

其中，

t_{10} = \frac{Δ {t_{3}}^{2} - Δ {t_{2}}^{2} - Δ {t_{4}}^{2}}{2 (Δ t_{2} + Δ t_{4} - Δ t_{3})} .

该信号为P波，v为P波波速。

以上公式的推导过程如下：

通过距离公式得到5个方程如下：

(a+x₀)²+(b-y₀)²+(c-z₀)²＝v²t₁₀ ²

(a+x₀)²+(b+y₀)²+(c-z₀)²＝v²(t₁₀+Δt₂)²

(a-x₀)²+(b+y₀)²+(c-z₀)²＝v²(t₁₀+Δt₃)²

(a-x₀)²+(b-y₀)²+(c-z₀)²＝v²(t₁₀+Δt₄)²

(a+x₀)²+(b-y₀)²+(c+z₀)²＝v²(t₁₀+Δt₅)²

联立解方程组，可求得

进一步可求得声发射源或微震源的坐标：

x₀＝-v²(2t₁₀Δt₄+Δt₄ ²)/4a；

y_{0} = \frac{- a}{b} \frac{{2 t}_{10} Δ t_{2} + Δ {t_{2}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

z_{0} = - \frac{a}{c} \frac{{2 t}_{10} Δ t_{5} + Δ {t_{5}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0} .

有益效果：

本发明根据声发射源或微震源信号传播至传感器的时刻及传感器所监测点的坐标值，根据P波触发传感器时刻差与声发射或微震源坐标值的关系推导得到声发射或微震源的位置坐标公式。待测对象周围的长方体监测网络的5个顶点上放置5个声发射传感器，通过传感器测量声发射源或微震源信号到达安放点的时刻(见附图1)。因此建立起声发射源或微震源坐标，传感器所在位置坐标，各传感器之触发的P波时间差之间的关系式，通过精确的解析解公式，即可以得到声发射源或微震源的位置坐标。

本发明突破了过去传统的给定初值和迭代求解的方法。迭代过程中初值的选择和优化方法的选择直接影响着定位精度，实际工程中，初值和优化方法有很多种，不同的初值和迭代方法得到的定位结果各不相同。将给系统定位带来误差。本发明提出了一种解析解，可以不用迭代方法，不用选择初值，避免了迭代方法和初值选择给定位带来的误差。本发明为声发射源或微震源的定位提供了一种简便宜行、精确可靠、实用的新方法。

附图说明

图1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施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，预设一微震源/声发射源的位置为(80m，200m，350m)，A、B、C、D、E点的5个传感器的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)与(x₅，y₅，z₅)分别为(-200，300，400)，(-200，-300，400)，(200，-300，400)，(200，300，400)，(-200，300，-400)，单位均为m。设P波的波速为5000m/s。P波触发以上传感器的时刻分别为0.060299，0.115048，0.103325，0.032802，0.161357s。

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、传感器触发记录的时刻及波速，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5个传感器布置在待测对象周围的长方体顶点上，且5个传感器的不在同一平面上，5个传感器的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)与(x₅，y₅，z₅)分别为(-200，300，400)，(-200，-300，400)，(200，-300，400)，(200，300，400)，(-200，300，-400)，单位均为m。P波触发以上传感器的时刻分别为0.081，0.144945，0.120204，0.00102，0.179335s。

(2)求出Δt₂，Δt₃，Δt₄，Δt₅分别为0.054748562，0.043025，-0.0275，0.1010575s；进而求出

将Δt₂，Δt₃，Δt₄，Δt₅及t₁₀待入下列公式中：

x₀＝-v²(2t₁₀Δt₄+Δt₄ ²)/4a；

y_{0} = \frac{- a}{b} \frac{2 t_{10} Δ t_{2} + Δ {t_{2}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

z_{0} = - \frac{a}{c} \frac{2 t_{10} Δ t_{5} + Δ {t_{5}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

求得x₀，y₀，z₀坐标值为80m，200m，350m；x₀，y₀，z₀的值(80m，200m，350m)即为定位结果，可见定位结果与预设的坐标(80m，200m，350m)吻合较好，定位精度高。

Claims

1.一种基于解析求解的声发射源或微震源定位方法，其特征在于，在待测对象所在的长方体监测网络的5个顶点上放置5个声发射传感器，该长方体监测网络的长宽高分别为2a、2b、2c，5个声发射传感器的三维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、...，(x₅，y₅，z₅)；5个顶点中的4个顶点为该长方体监测网络的同一个面上的4个顶点；

通过以下列公式求得声发射源或微震源的坐标：

x₀＝-v²(2t₁₀Δt₄+Δt₄ ²)/4a；

y_{0} = \frac{- a}{b} \frac{2 t_{10} Δ t_{2} + Δ {t_{2}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

z_{0} = - \frac{a}{c} \frac{2 t_{10} Δ t_{5} + Δ {t_{5}}^{2}}{2 t_{10} Δ t_{4} + Δ {t_{4}}^{2}} x_{0};

其中，

t_{10} = \frac{Δ {t_{3}}^{2} - Δ {t_{2}}^{2} - Δ {t_{4}}^{2}}{2 (Δ t_{2} + Δ t_{4} - Δ t_{3})} .

2.根据权利要求1所述的基于解析求解的声发射源或微震源定位方法，其特征在于，该信号为P波，v为P波波速。