CN106680871B - 一种基于p波到时与波形振幅的震源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,包括以下步骤:步骤1:通过微震监测系统获取震源参数:步骤2:在未知P波波速v的情况下,求解一次震源坐标(x0,y0,z0)及相应速度v;步骤3:计算波形振幅趋势线的斜率步骤4:以logistic函数拟合波形振幅趋势线的斜率K与每个震源的P波波速v之间的函数关系式;步骤5:计算修正后的各个传感器对应的P波波速步骤6:利用修正后的各个传感器对应的P波波速求解二次震源坐标(x,y,z)。本发明方法具有适用性强、准确性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,结果明确,适用性强,准确率高。
背景技术
微震监测作为一种地下工程安全监测的重要技术手段之一,已经广泛被应用于矿山安全、水电工程等领域。而微震震源空间位置的确定以及微震震源定位精度的提高,一直是微震监测技术的重要内容。但是,微震与爆破事件波形较为复杂,S波的首波通常夹杂在P波的尾波中,使得S波到时不仅难以辨识,且易受操作人员专业知识和经验的影响,极大降低了S波拾取准确度及数量,严重制约微震监测实时分析的效果。
震源定位方法到目前为止有十余种之多,主要包括几何方法、物理方法和数学方法等。Geiger定位方法是通过迭代计算使时间残值最小化。在此基础上,Buland对其进行修改并发展出基于经典的最小二乘法定位计算,使其能更好适应地震定位。Tatantola提出了Bayesian定位方法的严格公式和解。Spence针对时差定位技术模型的不确定导致走时异常进行了有意义的研究。Crosson应用联合测定方法(SSH)对局部事件进行了定位研究。以上定位方法,都是以预先测定平均速度或给出平均速度模型为前提,故在现场进行定位时,平均速度测量的准确性直接影响着定位精度。而且,对S波到时的自动准确拾取仍存在难题,需要依靠具有经验的专业工作人员人工拾取,定位准确性与精度存在较大的随机性。
可见现有的微震与爆破事件震源定位方法存在较大的局限,需要研究一种适用性强、准确率高的定位方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,该定位方法适用性强、准确率高。
发明的技术解决方案如下:
一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,包括以下步骤:
步骤1:通过微震监测系统获取震源参数;
震源参数包括:各传感器坐标(xi,yi,zi),其中i为传感器编号,i=1,2,…,n;震源起振时刻t0,各传感器的P波到时tPi,各传感器的波形振幅趋势线的最大振幅MaxAmpi及其对应时刻tMi;
步骤2:根据步骤1获取的初步求解震源坐标(x,y,z)及P波波速v,得到一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)和初步求解的P波波速v0;
步骤3:计算各传感器i(i=1,2,…,n)的波形振幅趋势线的斜率Ki:
步骤4:基于步骤2得到的v0和步骤3得到所有传感器的波形振幅趋势线的斜率Ki(i=1,2,…,n),通过logistic函数拟合得到传感器的波形振幅趋势线的斜率K与震源的P波波速vc之间的函数关系式K(vc):
其中,r为传感器的波形振幅趋势线的斜率随速度的增长速率(r是logistic函数的一个参数,经数值分析软件拟合数据之后可直接得出),Kmax为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最大值,即Kmax=max{Ki(i=1,2,…,n)};K0为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最小值,即Kmax=min{Ki(i=1,2,…,n)};
步骤5:计算修正后的传感器i对应的P波波速
保持传感器i的波形振幅趋势线的斜率Ki不变,将Ki作为K(vc)代入公式二,计算相应的vc值,即为修正后的传感器i对应的P波波速
步骤6:二次定位震源坐标(x,y,z);
将修正后的传感器i对应的P波波速代入以下目标函数:
其中,min表示求最小值;Δtij=tPi-tPj;
求解目标函数,其最优解即为二次定位的震源坐标(x,y,z)。
所述步骤2具体为:
建立以下目标函数:
其中,min表示求最小值;Δtij=tPi-tPj;
由此求得使得全部理论值与实测值Δtij的偏离平方和最小时的震源坐标(x,y,z)及P波波速v,即一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)和初步求解的P波波速v0。
有益效果:
本发明选取震源振动波形图中的最易准确拾取的参数:震源起振时刻t0,各传感器P波到时tPi,最大振幅MaxAmpi及其对应时刻tMi,优化定位所用的P波波速,推导求差式非线性拟合函数用于震源定位,事实证明其结果明确,适用性强,准确率高。
本发明基于P波到时与波形振幅对震源坐标进行确定,减轻了人工拾取S波的数据处理压力,避免了因S波拾取不准确而带来的误差,提高了定位精度与准确性。此方法具有适用性强、准确性高等特点。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面将结合实际算例,对本发明提出的一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法作进一步说明。本发明的思想描述如下:本发明通过微震监测系统获取主要震源参数;利用速度—距离公式和两点间距离公式得到震源与任意传感器i、j之间的等量关系,求得一次震源坐标;再通过优化P波波速提高准确性,推导求差式非线性拟合函数用于震源定位,计算出震源的准确坐标。此方法具有适用性强、准确率高的优点。
步骤1:通过微震监测系统获取震源参数;
震源参数包括:各传感器坐标(xi,yi,zi),其中i为传感器编号,i=1,2,…,n;震源起振时刻t0,各传感器的P波到时tPi,各传感器的波形振幅趋势线的最大振幅MaxAmpi及其对应时刻tMi;
步骤2:根据步骤1获取一次定位的震源坐标(x,y,z)及初步求解的P波波速v,分别记为(x0,y0,z0)和v0;;
设li为传感器i至震源的距离,由两点间距离公式可得:
由速度—距离公式可知,传感器i的P波到时的理论值ti为:
即:
由式(4)可确定任意2个不同的传感器i和j的P波到时之差的理论值为:
计算传感器i和j的P波到时之差的实测值Δtij:
Δtij=tPi-tPj (5)
全部理论值与实测Δtij的偏离平方和可描述全部理论值与实测值的偏离程度,其偏离越小,则相应的一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)及初步求解的P波波速v0与其真实值的拟合度越好,准确度越高,因此,建立以下目标函数:
其中,min表示求最小值,
由此求得使得全部理论值与实测值Δtij的偏离平方和最小时的震源坐标(x,y,z)及P波波速v,即一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)和初步求解的P波波速v0;;
步骤3:计算传感器i(i=1,2,…,n)的波形振幅趋势线的斜率Ki:
步骤4:基于步骤2初步求解的P波波速v0和步骤3得到所有传感器的波形振幅趋势线的斜率Ki(i=1,2,…,n),通过logistic函数拟合得到传感器的波形振幅趋势线的斜率K与震源的P波波速vc之间的函数关系式K(vc):
其中,r为传感器的波形振幅趋势线的斜率随速度的增长速率(r是logistic函数的一个参数,经数值分析软件拟合数据之后可直接得出),Kmax为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最大值,即Kmax=max{Ki(i=1,2,…,n)};K0为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最小值,即Kmax=min{Ki(i=1,2,…,n)};
步骤5:计算修正后的传感器i对应的P波波速
保持传感器i的波形振幅趋势线的斜率Ki不变,将Ki作为K(vc)代入函数关系式(8),计算相应的vc值,即为修正后的传感器i对应的P波波速
步骤6:再次求解震源坐标(x,y,z);
将修正后的传感器i对应的P波波速作为v,代入目标函数(6)有:
上式必定取得非负值,因此其最小值一定存在。求解(10),其最优解即为二次定位的震源坐标(x,y,z)。
本发明选取震源振动波形图中的最易准确拾取的参数:震源起振时刻t0,各传感器P波到时tPi,最大振幅MaxAmpi及其对应时刻tMi,优化定位所用的P波波速,推导求差式非线性拟合函数用于震源定位,事实证明其结果明确,适用性强,准确率高。实施实例:
由步骤2可得一次定位震源坐标如下所示:
表1 5组震源的实际坐标和一次定位坐标
由步骤3、步骤4、步骤5可得表2如下所示:
表2 5组震源的K-v函数关系式
由步骤6可求得二次震源坐标如下表所示
表3 5组震源的实际坐标和二次定位坐标
由表3可知,经速度修正后,二次定位坐标精度明显高于一次定位坐标精度。
以上所述仅为本发明的实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明精神和原则之内,所作任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:通过微震监测系统获取震源参数;
震源参数包括:各传感器坐标(xi,yi,zi),其中i为传感器编号,i=1,2,…,n;震源起振时刻t0,各传感器的P波到时tPi,各传感器的波形振幅趋势线的最大振幅MaxAmpi及其对应时刻tMi;
步骤2:根据步骤1获取的震源参数初步求解震源坐标(x,y,z)及P波波速v,得到一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)和初步求解的P波波速v0;
步骤3:计算各传感器i的波形振幅趋势线的斜率Ki:
步骤4:基于步骤2初步求解的P波波速v0和步骤3得到所有传感器的波形振幅趋势线的斜率Ki,通过logistic函数拟合得到传感器的波形振幅趋势线的斜率K与震源的P波波速vc之间的函数关系式K(vc):
其中,r为传感器的波形振幅趋势线的斜率随速度的增长速率,Kmax为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最大值,K0为所有传感器的波形振幅趋势线的斜率中的最小值;
步骤5:计算修正后的传感器i对应的P波波速
将Ki作为K(vc)代入公式二,计算相应的vc值,即为修正后的传感器i对应的P波波速
步骤6:二次定位震源坐标(x,y,z);
将修正后的传感器i对应的P波波速代入以下目标函数:
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其中,min表示求最小值;Δtij=tPi-tPj;
求解目标函数,其最优解即为二次定位的震源坐标(x,y,z)。
2.根据权利要求1所述的基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,其特征在于,所述步骤2具体为:
建立以下目标函数:
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其中,min表示求最小值;Δtij=tPi-tPj;
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由此求得使得全部理论值与实测值Δtij的偏离平方和最小时的震源坐标(x,y,z)及P波波速v,即一次定位的震源坐标(x0,y0,z0)和初步求解的P波波速v0。
3.根据权利要求1所述的基于P波到时与波形振幅的震源定位方法,其特征在于,所述公式二中的r经数值分析软件拟合数据之后可直接得出。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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