CN106646378A - 一种地下挖掘位置的定位方法 - Google Patents

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CN106646378A CN201710000573.8A CN201710000573A CN106646378A CN 106646378 A CN106646378 A CN 106646378A CN 201710000573 A CN201710000573 A CN 201710000573A CN 106646378 A CN106646378 A CN 106646378A
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秦栋泽
刘哲
宋丽萍
王艳华
杨志良
焦谦
董力纲
裴水源
赵田丽
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North University of China
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North University of China
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/22Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

本发明提供一种地下挖掘位置的定位方法,通过球型布设地震动探测器阵列,对地下挖掘引起的地震动信号进行采集,利用平面上的五个地震动探测器采集到的挖掘引起的地震动信号的时刻与各个地震动探测器的坐标,根据距离公式列出方程组求解挖掘点的平面坐标值,再通过立面上的三个地震动探测器采集的挖掘引起的地震动信号强度关系,判断挖掘点的深度坐标值范围;本发明方法不仅能够判断挖掘位置的平面坐标,同时能够判断地下挖掘的深度范围,有利于实现基于微震动的地下挖掘监控系统的有效监控。

Description

一种地下挖掘位置的定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于地下安全监控技术领域,涉及一种地下挖掘位置的定位方法。
背景技术
[0002] 目前,我国地上安全监控方式方法有很多,包括利用图像监测、红外探测、微波探 测、声探测、超声波探测、振动入侵探测器等技术和设备进行监控,效果都非常明显,但对于 利用地下挖掘进行的偷盗、偷渡、越狱等违法犯罪行为却很难有效监控防范,往往都是事后 才能发现,具有明显的滞后性。因此,国内很多高校、科研机构都在积极开展基于微震动的 地下挖掘监控系统的研发。如能确定地下挖掘的位置,更有利于基于微震动的地下挖掘监 控系统的有效监控。限于目前国内外开展的基于微震动的定位都是平面线阵定位、平面三 角定位,定位精度有限,且不能确定地下挖掘位置的深度范围,因此本发明提出了一种地下 挖掘位置的定位方法。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提出一种地下挖掘位置的定位方法,利用地下挖掘时产生的震动 信号,通过布设好的地震动探测器阵列对震动信号进行采集,并在监控终端通过特定的算 法计算出发生地下挖掘的位置,实现对地下挖掘位置的定位。
[0004] 本发明为了实现上述目的采用的技术方案是: 一种地下挖掘位置的定位方法,包括如下步骤: 步骤1、布设地震动探测器,共布设七个地震动探测器,其中六个地震动探测器呈球形 布设,另外一个布设在所述六个地震动探测器围成的球中心,以球中心的地震动探测器为 原点〇建立空间直角坐标系,球面上的六个地震动探测器中两个地震动探测器位于X轴,两 个地震动探测器位于Y轴,两个地震动探测器位于Z轴; 步骤2、获得平面坐标X和y,利用XOY平面上的五个地震动探测器采集地震动信号的时 刻与各个地震动探测器的坐标,根据距离公式列出方程组求解地下挖掘位置的坐标X和y; 步骤3、获得深度坐标z的范围,通过判断Z轴上三个地震动探测器探测的信号强度关 系,确定地下挖掘位置的深度范围。
[0005] 本发明的有益效果是:本发明将七个地震动探测器呈球型布设,利用七个地震动 探测器的探测信息对地下挖掘位置进行定位,不仅能够判断平面位置,同时能够判断地下 挖掘的深度范围,有利于实现基于微震动的地下挖掘监控系统的有效监控。
附图说明
[0006] 图1是本发明定位模型示意图。
具体实施方式
[0007] 下面结合附图对本发明做进一步说明: 一种地下挖掘位置的定位方法,包括如下步骤: 首先,布设震动探测器,如图1所示,共布设七个地震动探测器S1、S2、S3、S 4、S5、S6、S7,其 中六个31、32、33、34、35、36呈球形布设,另外一个S7布设在以Sl_S6所围成的球中心,整个模型 的球半径为r,即S 1、S2、S3、S4、S5、S6到S 7的距离均为r,r的取值一般为5m-30m; r的取值对于 定位精度有影响,r取值越大,定位精度越高,但由于受震动探测传感器探测范围的限定以 及实际的需求,r也不能取过大,需要根据实际应用的环境取值;布设时以S 7为原点建立空 间直角坐标系,Sl和S3位于X轴,S2和S4位于Y轴,S5和S6位于Z轴。一般Si、S2、S3、S4、S7布设在地 面以下一定深度,形成一个平面,S 5布设在地表面,S6布设的最深。
[0008] 其次,获得平面坐标U,利用XOY平面上的5个地震动探测器S2、S3、S 4、S7采集 地震动信号,设定地下挖掘位置的坐标为;地下挖掘信号发生的时刻为;第i个地震动探测 器的位置坐标为;第1个地震动探测器接收到震动信号的时刻纟;根据距离公式列出 方程组⑴
Figure CN106646378AD00051
以S7地震动探测器为坐标原点建立的空间直角坐标系,用上式中第一个到第四个方程 分别减去最后一个方程可以消去时间Ϊ,可以得到方程式组(2)
Figure CN106646378AD00052
基于微震动的地下挖掘监控系统布设时,由于震动信号在土壤中传播的速度与土壤的 相关参数有关,与震动信号的强弱没关。因此计算震动信号在同一土壤环境下的传播速度 只需采集XOY平面上的两个地震动探测器获取的目标震动信号的时间间隔,以及已知的两 个地震动探测器之间的间距〃,可以根据公式(3)估算出震动信号的传播速度:
Figure CN106646378AD00053
由于各个地震动探测器接收到的时间信号有差别,当各个地震动探测器测得的时间参 数已知,依据公式(3)估算的震动信号的传播速度,对上述的公式(2),用最小二乘法得出地 下挖掘位置的最优x,y坐标估计值。
[0009] 最后,获得深度坐标Z的范围,由于S5、S6、S 7地震动探测器探测到地下挖掘产生的 时间参数相同,无法利用距离公式算出目标信号的z值坐标。但存在一个客观规律,即地下 挖掘位置与S 5、S6、S7地震动探测器深度值差最大的地震动探测器探测的信号强度最小。若 信号强度S5>S7>S6,则挖掘位置在S5、S 7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S5;若信号 强度S7>S5>S6,则挖掘位置在S5、S 7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S7;若信号强度 S7>S6> &,则挖掘位置在S6、S7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S7;若信号强度S 6>S7 >&,则挖掘位置存在两种情况,即可能在S6、S7地震动探测器之间,也可能比S 6更深,由于地 震动探测器的探测距离有限,当挖掘位置比S6更深时,S5测不到信号,信号强度为0,通过S 5 的值来辅助判断挖掘位置是否比S6更深。

Claims (3)

1. 一种地下挖掘位置的定位方法,其特征在于:包括如下步骤, 步骤1、布设地震动探测器,共布设七个地震动探测器,其中六个地震动探测器呈球形 布设,另外一个布设在所述六个地震动探测器围成的球中心,以球中心的地震动探测器为 原点O建立空间直角坐标系,球面上的六个地震动探测器中两个地震动探测器位于X轴,两 个地震动探测器位于Y轴,两个地震动探测器位于Z轴; 步骤2、获得平面坐标X和y,利用XOY平面上的五个地震动探测器采集地震动信号的时 刻与各个地震动探测器的坐标,根据距离公式列出方程组求解地下挖掘位置的坐标X和y; 步骤3、获得深度坐标z的范围,通过判断Z轴上三个地震动探测器探测的信号强度关 系,确定地下挖掘位置的深度范围。
2. 根据权利要求1所述的一种地下挖掘位置的定位方法,其特征在于:所述步骤2中XOY 平面上的五个地震动探测器分别为31、&、&、54、57,设定地下挖掘位置的坐标为1,7, 2;地下 挖掘信号发生的时刻为t;第i个地震动探测器的位置坐标为个地震动探测器接 收到震动信号的时刻:¾ ;根据距离公式列出方程组(1)
Figure CN106646378AC00021
以S7地震动探测器为坐标原点建立的空间直角坐标系,用上式中第一个到第四个方程 分别减去最后一个方程可以消去时间I:,可以得到方程式组(2)
Figure CN106646378AC00022
通过XOY平面上的两个地震动探测器S1,、S2获取的目标信号的时间间隔St^t1,以及已 知的两个地震动探测器之间的间距为r
Figure CN106646378AC00023
估算出地震动信号的传播 速度,由于各个地震动探测器接收到的时间信号有差别,当各个地震动探测器测得的时间 参数已知,依据公式(3)估算的地震动信号的传播速度,对方程组(2)用最小二乘法得出地 下挖掘位置的最优x,y坐标估计值。
3. 根据权利要求1所述的一种地下挖掘位置的定位方法,其特征在于:所述步骤3中Z轴 上三个地震动探测器S5,,S 6,S7探测的信号强度,若信号强度S5>S7>S 6,则挖掘位置的深度在 S5、S7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S5;若信号强度S 7>S5>S6,则挖掘位置的深度 在S5、S 7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S7;若信号强度S7>S6> S5,则挖掘位置的深 度在S6、S7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S 7;若信号强度S6>S7>S5,当S 5的信号强 度不为零,则挖掘位置在s6、s7地震动探测器之间,且挖掘位置更接近于S6,当S 5的信号强度 为零时,则挖掘位置的深度在S6地震动探测器以下。
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