CN113552536B - 一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法、系统、终端及可读储存介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法、系统、终端及可读存储介质。该方法利用三角函数推导出含圆孔平面内不同震源和传感器空间位置关系下的P波传播最短距离计算方法；再借助立体几何和三角函数等知识，推导三维空间含全通圆孔和未通圆孔结构震源到传感器的P波传播最短距离的计算方法，从而将该最短路径算法引入定位目标函数的计算中，最后基于拾取的P波初至数据、定位目标函数反演出含圆孔结构的声发射/微震事件位置，本发明适用于二维平面结构和三维空间结构，可准确计算含圆孔结构的声发射/微震信号最短传播路径的精确解，使用了数据质量更高的P波初至数据及网格搜索算法，更易获得全局最优解，定位精度高、稳定性好。

Description

一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法、系统、终端及 可读储存介质

技术领域

本发明属于声发射/微震监测领域，尤其是涉及一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法、系统、终端及可读存储介质。

背景技术

声发射/微震(AE/MS)源定位技术作为一种有效的结构健康监测方法，在岩石力学、金属加工等领域得到了广泛应用。结构在破裂过程中快速释放产生的弹性波以不同方位传播，并被空间上布置的传感器捕获。借助传感器记录的波的P波初至数据，可获得声发射/微震事件的时空分布特征(时间、位置)，以推断结构的力学状态，进而采取有效的防控措施(微震与声发射在尺度上不同，但定位原理类似)。上述震源定位通常假定结构具有均匀速度、波以直线路径传播。然而，对于管道、隧道、矿山巷道等孔洞结构，声发射/微震信号并非沿直线传播，直线定位方法可能存在较大定位误差。如何实现三维含圆孔结构声发射/微震事件的精准定位对结构健康监测具有重要意义。

AE/MS源定位常用基于走时的射线追踪方法，该类方法利用P波观测到时与理论到时的差建立目标函数。Geiger(1910)建立了经典的线性定位法，其将时差方程转换为线性方程组，再利用最小二乘法迭代求解震源位置，该方法计算快捷，但其定位结果可能受选取的初始点影响。进一步地，Waldhauser and Ellsworth(2000)提出了双差定位法，其假定两个相近的地震事件激发波场的传播路径相似，有效的降低了相近地震传播到台站时共同路径上结构异常对走时的影响；Li et al.(2016)给出了基于时差法、双差法、L1和L2范数组合的四种常用定位目标函数。上述定位目标函数的收敛性常和选择的最优化反演算法息息相关，研究者们引入了多种迭代技术来求解上述目标函数的最优解，如牛顿迭代，其对初始点的依赖性较强，容易陷入局部最优解，定位稳定性较差。因此，一些全局性更好的方法被用于求解上述定位目标函数，如单纯形法、网格搜索法、粒子群优化算法、贝叶斯法等。

然而，在复杂的结构几何形状和复杂的材料中，通常假设有恒定波速和直线路径传播，使用上述定位方法则无法准确定位AE/MS事件。为此，Baxter(2007)基于初至时间开发了Delta T mapping技术(DTM)用于克服此缺陷，该技术使用阈值交叉来确定波在传感器处的初至时间，可以将AE源定位在不同的结构复杂性材料中，但第一个阈值交叉的实际信号开始低于设置的阈值水平时，该方法可能会生成错误的位置。因此，Safaa Kh.Al-Jumaili(2016)提出了改进的全自动DTM定位方法，使用聚类算法自动识别和选择每个网格点的高度相关事件，同时使用“最小差异”方法确定震源位置，定位精度有所提高。此外，董陇军等(2017)基于到达时间差(TD)模型的定位函数，提出了一种用于异构复杂传播介质的非预测速度的多步定位方法(MLM)和无需预先测速的综合解析解法，定位精度进一步得到提高。而对于含圆孔的复杂结构AE/MS震源定位，研究者们对未考虑厚度的圆筒定位开展了一系列研究，其将圆筒上两点投影至圆环上，再将圆筒展开至平面，根据勾股定理易得P波传播距离和时间。但含圆孔结构通常具有一定的厚度，上述方法的普适性较差。为此，董陇军等(2020)、Jiang等(2017)将含圆孔结构网格离散化，再分别使用A*搜索算法和FMM算法寻找最短路径，其在含圆孔结构上取得了较好的定位效果。然而该过程的网格离散化使得获得的最短路径有偏差、定位精度降低，且此类算法较复杂。为此，有必要提出二维/三维含圆孔结构中两点的精确最短距离计算方法，从而提高定位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于含圆孔的复杂结构的声发射/微震事件震源定位技术，具体是提供一种含圆孔结构的声发射/微震事件精准定位方法、系统、终端及可读存储介质，其利用三角函数推导出含圆孔平面内，不同震源和传感器空间位置关系下的P波传播最短距离精确计算方法；再借助立体几何和三角函数等知识，推导出含圆孔平面内、三维空间含全通圆孔和未通圆孔结构震源到传感器最短距离的精确计算方法；从而可以准确的计算了含圆孔结构的声发射/微震信号P波最短传播路径的精确解，既适用于平面结构也适用于三维空间，本发明所述方法定位精度高，稳定性好。

一方面，本发明提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件精准定位方法，包括如下步骤：

拾取声发射/微震P波初至数据，其中，设置若干个声发射/微震的传感器；

构建基于P波走时方程的定位目标函数，其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系，以及含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的；

基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射源/震源位置。

可选的，含圆孔结构为三维全通圆孔结构或平面结构中圆孔时，按照如下规则确定声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离：

a、声发射源/震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

b、声发射源/震源到传感器确定的直线段未穿过圆孔，但直线段延长线与圆孔相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

c、声发射源/震源到传感器确定的直线段穿过圆孔，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离如下：

L′_min＝min(le_i+rad'_i+ls_i)

式中，L′_min为声发射源/震源到第i个传感器的P波传播最短距离，le_i为P波信号从声发射源/震源传播到切点G的直线段距离，ls_i为P波信号从出射切点F传播到第i个传感器的直线段距离，rad'_i为切点G、切点F之间的短弧长；在三维结构中，切点G为切点M₁(xe_i1，ye_i1，ze_i1)、切点M′₁(xe_i2，ye_i2，ze_i2)中的一个切点，切点F为切点N₁(xs_i1，ys_i1，zs_i1)、切点N′₁(xs_i2，ys_i2，zs_i2)中的一个切点；切点M₁、M′₁、N₁、N′₁为P波信号在三维结构中传播时与圆孔的四个切点，xe_i1，ye_i1，ze_i1,xe_i2，ye_i2，ze_i2,xs_i1，ys_i1，zs_i1,xs_i2，ys_i2，zs_i2均为切点位置坐标；

在二维平面结构中，若以x,z轴表示平面坐标，切点G为切点M(xe_i1，ze_i1)、切点M'(xe_i2，ze_i2)中的一个切点，切点F为切点N(xs_i1，zs_i1)、切点N'(xs_i2，zs_i2)中的一个切点；切点M、M'、N、N'为P波信号在平面结构中传播时与圆孔的四个切点，xe_i1，ze_i1,xe_i2，ze_i2,xs_i1，zs_i1,xs_i2，zs_i2均为切点位置坐标；

含圆孔结构为未通圆孔结构时，按照如下规则确定声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离：

A、若声发射源/震源与传感器间的直线段与圆孔不相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

B、若声发射源/震源与传感器间的直线段与圆孔相交：(1)若声发射源/震源与传感器均位于圆孔侧(未通圆孔结构可以剖分为实心结构和含全通孔结构，圆孔侧即为含全通孔结构，其根据声发射源/震源与传感器在圆孔方向坐标范围可以判断出属于圆孔侧或实心侧)，按照c条L′_min公式计算声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离；(2)若声发射源/震源与传感器均位于实心侧，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；(3)若声发射源/震源与传感器一个在实心侧一个在圆孔侧，声发射/微震信号传播情况复杂，不参与定位计算。

可选地，若含圆孔结构为三维空间内的圆孔结构，切点G(xe_i，ye_i，ze_i)、切点F(xs_i，ys_i，zs_i)之间的短弧长rad'_i的公式如下：

其中，将切点G、F投影至三维含圆孔结构试样正面，记切点G、F对应的投影点为：G'(xe_i，C，ze_i)、F'(xs_i，C，zs_i)，C为常数，xe_i，ye_i，ze_i，xs_i，ys_i，zs_i为切点位置坐标；

以圆孔左侧水平线为中心，将上下圆柱孔面分别向上、下展开，l为投影点G′、F'间的弧长，l＝rθ₁，

θ₁为投影点G'、F'与圆孔圆心之间的夹角，r为圆孔半径，d_G′F′表示投影点G'、F'之间的直线段距离，存在：

若含圆孔结构为二维平面内的圆孔结构，切点G(xe_i，ze_i)、切点F(xs_i，zs_i)之间的短弧长rad′_i的公式如下：

rad'_i＝rθ，

其中，θ为切点G、F与圆孔圆心之间小于180°的夹角，d_q表示切点G、F之间的直线段距离，

可选地，在三维空间内，声发射源/震源、切点G'、F'和传感器处于同一平面x+my+nz+d＝0上，m、n、e为平面方程系数，满足：

其中，声发射源/震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号；

最短传播距离L′_min的求解公式为：

diff(le_i+rad'_i+ls_i)＝0

其中，dif为偏导函数。

可选地，若声发射源/震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号，将声发射源/震源、传感器投影至三维含圆孔结构试样正面，在投影平面内声发射源/震源的投影坐标为A'(x₀，C，z₀)，传感器的投影坐标为B'(x_i，C，z_i)，C为常数，即正面所在的y轴坐标，则所述声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系的判断依据如下：

若投影平面内圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线a′x+b′z+c′＝0的距离d′≥r，r为圆孔半径，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交；其中，直线a′x+b′z+c′＝0为投影平面内A'、B'的直线方程，a′、b′、c′为该直线方程系数；

若距离d′<r，且∠OA′B′和∠OB′A′不均为锐角，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段未穿过圆孔，但直线段延长线与圆孔相交；

若距离d′<r，且∠OA′B′和∠OB′A′均为锐角，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段穿过圆孔。

可选地，所述基于P波走时方程的定位目标函数的构建过程为：选择某一个传感器为参考，基于双差法计算其他传感器对应的P波走时方程与参考传感器对应的P波走时方程之差，再累加差值，以选择累加差值后的最小值确定定位目标；

其中，若以第一个传感器为参考，所述定位目标函数的公式如下：

式中，Minimize为最小化函数，n为传感器数量，P波速度为v_p，第i个传感器拾取的P波初至时刻为t_i，第1个传感器拾取的P波初至时刻为t₁，ΔT_i1为第i个传感器相对于第1个传感器的P波初至系统误差，L′_min(i)为声发射源/震源到第i个传感器之间的P波传播最短距离，L′_min(1)是声发射源/震源到第1个传感器之间的P波传播最短距离，第i个传感器对应的P波初至系统误差为T_i；

若含圆孔结构为三维未通圆孔结构，所述定位目标函数的公式如下：

需要说明是，三维全通孔与平面含圆孔结构对应的定位目标函数也是相同的。

可选地，所述基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射源/震源位置的过程是采用网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置，具体如下：

首先，利用稀疏的网格搜索得到声发射/微震事件的初步位置；

然后，以所述初步位置为中心确定目标区域，并对所述目标区域划分网格搜索声发射/微震事件声发射/微震事件位置。

第二方面，本发明提供一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位系统，包括：

P波初至数据拾取单元，用于拾取声发射/微震P波初至数据，其中，设置若干个声发射/微震的传感器；

定位目标函数建立单元：构建基于P波走时方程的定位目标函数；

最短路径计算单元，用于计算含圆孔结构的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离，其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系、含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的；

声发射/微震事件定位单元，用于基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。

第三方面，本发明提供一种终端，包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的步骤。

有益效果

本发明提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法，应用于含圆孔的复杂结构的声发射/微震事件定位。其中，本发明依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系、含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离公式，具体是利用三角函数、立体几何等知识，推导出含圆孔平面内、三维空间内，含孔洞结构最短距离精确解，既适用于平面结构又适用于三维结构，可有效的规避圆孔结构中声发射/微震信号沿直线传播导致的定位误差。

本发明进一步的优选方案中，提出双差法反演声发射/微震信号P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据，使得定位目标函数得基础数据更加准确、有效。

本发明进一步的优选方案中，提出采用网格搜索法确定声发射/微震事件位置，并开始通过稀疏的网格获取初步位置，缩小搜索范围，再利用密集的网格搜索得到最终定位结果，其过程易于获得全局最优解，定位精度高、稳定性好。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是含圆孔结构P波信号最短传播距离计算流程图；

图3是平面含圆孔结构两点间最短路径示意图；

图4是三维含圆孔结构两点间最短路径示意图；

图5是平面内含圆孔结构测试事件定位结果图。

具体实施方式

下面将结合附图1～5，对本发明做进一步地说明。

本发明所述的方法思想如下：针对含圆孔复杂结构震源定位时，直线路径假设可能带来的定位误差，以及A*搜索算法和FMM算法中网格离散化使得获得的最短路径有偏差、定位精度降低、算法较复杂等问题，提出含圆孔结构中两点的精确最短距离计算方法。该方法利用三角函数、立体几何等知识，推导出平面、三维含圆孔结构震源到传感器的最短路径计算方法。从而，本发明基于优化的最短路径计算方法搜索声发射源/震源位置，提高了定位精度。其中，更是采用双差法反演P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据，最后建立校正P波初至系统差后的定位目标函数，并优选利用全局性更好的网格搜索算法来搜索声发射源/震源位置，进一步提高了定位精度、稳定性好。

下述将首先陈述本发明提出的含圆孔结构声发射源/震源到传感器的最短路径计算方法的推理过程，以震源为例进行陈述。

如图2所示，首先利用三角函数推导出含圆孔平面内的不同震源和传感器空间位置关系下的P波传播最短距离L_min精确计算方法：

Ⅰ、计算平面内声发射/微震震源到传感器的直线方程：设平面内声发射/微震震源的坐标为A(x₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，z_i)，i为传感器编号。如图3中(1)、(2)、(3)所示，五角星代表某震源位置，三角形代表某传感器位置，则震源到传感器i的直线方程为：

z＝k(x-x₀)+z₀ (1)

式中，k＝(z_i-z₀)/(x_i-x₀)。进而将公式(1)展开可得到ax+bz+c＝0。其中，a＝k，b＝-1，c＝-kx₀+z₀。

Ⅱ、判断震源到传感器的直线段与平面内圆孔是否相交：

计算圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线ax+bz+c＝0的距离：

a、若d≥r，r为圆孔半径，则圆孔与直线相离或相切，如图3中(1)所示的示意图，P波信号的最短传播距离L_min即为震源与传感器的直线段距离：

b、若d＜r，使用余弦定理判断∠OAB和∠OBA是否都为锐角，方法如下：

式中，∠OAB∈[0,π]，∠OBA∈[0,π]。AB表示震源到传感器的直线段距离，OA表示震源到圆孔圆心的直线段距离，OB表示圆孔圆心到传感器的直线段距离，可根据震源坐标A(x₀，z₀)、传感器坐标B(x_i，z_i)和圆心坐标O(x_c，z_c)计算得到。

(1)若∠OAB和∠OBA不都为锐角，则震源到传感器直线段未穿过圆孔，如图3中的(2)所示的示意图，此时最短传播路径L_min为震源与传感器的直线段距离，即用式(3)计算；

(2)若∠OAB和∠OBA都为锐角，则震源到传感器直线段穿过圆孔，图3中的(3)所示的示意图，此时需要计算P波信号传播路径与圆孔的切点，P波信号从震源出发与圆孔的切点满足下式：

利用式(6)可得到P波信号由震源到圆孔的两个潜在切点坐标M(xe_i1，ze_i1)和M'(xe_i2，ze_i2)；同理，传感器反传得到两个潜在切点N和N'，其坐标分别记为N(xs_i1，zs_i1)和N'(zs_i2，zs_i2)，切点M、M'、N、N'与传感器B和震源A之间存在4种组合，即：AM+MN+NB、AM+MN'+N'B、AM′+M'N'+N'B和AM'+M'N+NB。对应组合在圆上的短弧长记为

和

震源与切点的P波信号传播直线段距离为

和P波信号从潜在切点传播到传感器的直线段距离为

其中j(j＝1,2,3,4)对应上述四种组合。切点之间的弧长

计算式如下：

其中，

θ为选中的两切点与圆孔圆心之间小于180°的夹角，d_q表示选中的两切点之间的直线段距离，

切点F(xs_i，zs_i)对应为N(xs_i1，zs_i1)和N'(zs_i2，zs_i2)中的一个切点，切点G(xe_i，ze_i)对应为M(xe_i1，ze_i1)和M′(xe_i2，ze_i2)中的一个切点；

那么，在这种情况下，P波信号在平面内从震源到传感器的最短传播距离L_min为：

本发明再借助立体几何和三角函数等知识，推导三维空间含圆孔结构的声发射/微震P波信号从震源到传感器最短距离L′_min的精确计算方法。其中，三维含圆孔结构分为了全通圆孔和未通圆孔，未通圆孔是指针对圆孔打了一部分的深度但不是通孔。如图2所示，含全通圆孔结构声发射/微震P波信号从震源到传感器最短距离L′_min的精确计算方法，具体如下：

本实施例中，三维含全通圆孔复杂结构设震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号，如图4中所示，三角形代表某传感器位置，五角星代表某震源位置，O为圆心位置。将震源位置点与传感器位置投影至三维含圆孔结构试样正面(本实施例中，将其规定为含圆孔面)，根据投影平面内震源和传感器空间位置关系判断震源到传感器确定的直线段是否与圆孔相交(投影平面内情况可见图3)。

在投影平面内：震源的投影坐标为A'(x₀，C，z₀)，传感器的投影坐标为B'(x_i，C，z_i)，C为常数(不参与计算)，则投影平面的震源投影点到传感器投影点的直线方程为：

z＝k′(x-x₀)+z₀ (9)

式中，k′＝(z_i-z₀)/(x_i-x₀)。进而将公式(9)展开可得到a′x+b′z+c′＝0。其中，a′＝k′，b′＝-1，c′＝-k′x₀+z₀。

计算投影平面内圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线a′x+b′z+c′＝0的距离：

a、若投影平面内：d′≥r，r为圆孔半径，则三维空间内的P波信号从震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交，如图4中的(1)所示的示意图。此时，P波在三维空间内沿直线传播，最短距离计算方法如下：

b、若投影平面内：d′<r，使用余弦定理判断∠OA′B′和∠OB′A′是否都为锐角，∠OA′B′和∠OB′A′计算方法参见式(4)和式(5)。

(1)若∠OA′B′和∠OB′A′不都为锐角，则三维空间结构震源到传感器的直线段未穿过圆孔，如图4中的(2)所示的示意图，此时最短传播路径L′_min用式(11)计算；

(2)若＜OA′B′和∠OB′A′都为锐角，则三维空间结构震源到传感器的直线段穿过圆孔，如图4中的(3)所示的示意图。P波信号在三维结构传播时与圆孔有两个切点，见圆柱孔处的局部放大图，设为G(xe_i，ye_i，ze_i)、F(xs_i，ys_i，zs_i)。

震源到切点G之间的直线段距离le_i和P波信号从切点F传播到传感器的直线段距离ls_i计算式如下：

切点之间的弧长rad'_i计算：将切点G、F投影至三维含圆孔结构试样正面，记投影点为G'(xe_i，C，ze_i)、F'(xs_i，C，zs_i)，将圆柱孔展开，投影点G'、F'间的弧长l、切点纵坐标差值|ye_i-ys_i|确定的直线段GG'和三维空间内切点之间的弧长GF构成一个直角三角形，则根据勾股定理，计算rad'_i如下：

其中，l为投影点G'、F'间的弧长，与上述平面内含圆孔结构最短路径推导过程的弧长

计算方法一样，见式(7)，l＝rθ，其中，

θ为投影点G'、F'与圆孔圆心之间的夹角，d_G′F′表示投影点G'、F'之间的直线段距离，

在三维空间内，要使震源到传感器位置间路径最短，则震源、切点G'、F'和传感器位置应处于同一平面x+my+nz+d＝0上，m、n、e为平面方程系数，则有：

根据式(14)，可将未知数m、n、e、ye_i、ys_i表示为关于某一未知数的函数。进一步，P波信号在三维空间内从震源到传感器的最短传播距离L′_min可表示为：

L′_min＝min(le_i+rad'_i+ls_i) (15)求最短传播距离L′_min，等价于求上述某未知数偏导为0对应的解：

diff(le_i+rad'_i+ls_i)＝0 (16)

其中，dif为偏导函数。

应当理解，针对平面结构，公式(8)与公式(15)是等价的，

与le_i、ls_i是同一含义，均表示P波信号从声发射源/震源传播到切点G的直线段距离，ls_i为P波信号从出射切点F传播到第i个传感器的直线段距离，

与rad'_i均表示切点G、切点F之间的弧长，切点G、切点F的选择确定了j。因此，针对平面结构，实际上也是利用公式(15)求解最短传播距离L′_min。

推导含未通圆孔的声发射/微震P波信号最短路径L″_min的精确计算方法，具体分析步骤与上述三维空间含圆孔的P波信号传播最短路径相似。

a、若震源与传感器间的最短路径与圆柱孔不相交，最短路径利用公式(11)可计算；

b、若震源与传感器间的最短路径与圆孔相交：(1)若震源位置与传感器位置位于圆孔侧，此情况与上述含全通圆孔结构的最短路径计算方法相同，见式(12)～(16)；(2)若震源位置与传感器位置位于实心侧，两点间的直线段距离即为P波由震源到传感器的距离；(3)若震源与传感器分别位于实心和圆孔侧，此时声发射/微震信号传播情况复杂，不参与定位计算。即在后续网格搜索过程中，若是震源与传感器分别位于实心和圆孔侧，该组数据不参与计算。

通过上述推理，构建了最短路径的确定方法，从而，利用上述最短路径以及应用本领域的现有方法进行定位，也是可以解决本发明提出的技术问题。下述实施例是以去除P波初至系统误差后的定位目标函数以及网格搜索为例，其他可行的实施例中，并不局限于下述实施例的实现过程。

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法，包括如下步骤：

步骤1：自动+人工方法拾取声发射/微震事件的P波初至数据。

其中，本实施例中选择采用AIC法拾取声发射/微震事件的P波初至数据，并用Matlab编写人机交互程序显示自动法拾取效果，最后用人工方式校正拾取误差较大的P波初至拾取数据。

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数。

其中，本发明提出基于位置已知的声发射断铅源/爆破事件的双差法反演声发射/微震信号P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据。

设声发射/微震震源发震时刻为t₀，P波速度为v_p，拾取的P波初至时刻为t_i，P波初至系统误差为T_i，则走时方程为：

L_min＝v_p(t_i-t₀-T_i) (17)

将第i个传感器对应的走时方程与第1个传感器对应的走时方程相减，得到第i个传感器相对于第1个传感器的P波初至系统误差ΔT_i1，即ΔT_i1＝T_i-T₁＝t_i-t₁-(L′_min(i)-L′_min(1))/v_p。

基于上述双差法，在声发射定位前将P波初至系统误差ΔT_i1添加至公式(17)，进而得到如下定位目标函数：

对于三维未通孔洞采用上述目标函数的均值作为目标函数，即

n为参与定位的传感器数。

其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离L_min按照前述方法的内容计算。

需要说明的是，本实施例中是以上述公式作为定位目标函数，其他可行的实施例中，还可以选择其他现有定位目标函数，如实际走时与理论走时的累计差值最小等现有函数，在应用了本发明改进的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离L_min的基础上，并不局限选择的定位目标函数。

步骤3：采用网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置；

其中，将含圆孔结构进行网格划分，网格越密集则定位效果通常越好，但计算效率降低，为此采用多尺度网格搜索确定声发射/微震事件位置：首先利用较稀疏的网格搜索得到声发射/微震事件的大致位置；然后以该位置为中心确定一个小区域，再次划分为更为密集的网格，继续搜索得到精度更高的声发射/微震事件位置。

需要说明的是，本实施例中选择网格搜索法进行搜索时，可以选择网格中心点作为假设震源，从而利用定位目标函数搜索出声发射/微震事件位置，具体的搜索过程可以参照现有技术，本发明对此不进行具体的限定；其他可行的实施例中，本发明并不局限于此，即在设定了定位目标函数以及P波传播最短距离L_min的基础上，还可以选择其他现有搜索方法进行搜索，其也是属于本发明构思下的技术手段。其次，本实施例中步骤1先于步骤2执行，其他可行的实施例中，可以先进行理论性分析，即先构建定位目标函数，再获取数据并利用实际获取的数据进行搜索。

实施例2：

在本发明提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的基础上，本发明提供一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位系统，其包括：最短路径计算单元、P波初至数据拾取单元、定位目标函数建立单元、声发射/微震事件定位单元。

其中，最短路径计算单元：用于计算含圆孔结构的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离，其中，P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系、含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的。具体的理论性内容以及计算过程请参照前述方法的内容。

P波初至数据拾取单元：用于拾取声发射/微震事件的P波初至数据。本实施例中采用AIC法拾取声发射/微震事件的P波初至数据后，用Matlab编写人机交互程序显示自动法拾取效果，最后用人工方式校正拾取误差较大和无P波初至拾取的信号的单元；

定位目标函数建立单元：用于建立去除P波初至系统误差后的定位目标函数；

声发射/微震事件定位单元：用于基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

需要说明的是，若定位目标函数为实施例1所述的函数，则优选还包括系统误差校正单元：使用双差法反演声发射信号P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据。

其中，各个单元模块的具体实现过程请参照前述方法的对应过程。应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

实施例3：

本实施例提供一种终端，其包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现：

步骤1：拾取声发射/微震事件的P波初至数据；

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数；

步骤3：基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

该终端还包括：通信接口，用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。

其中，存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性除颤器，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器、处理器和通信接口独立实现，则存储器、处理器和通信接口可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构总线，外部设备互联总线或扩展工业标准体系结构总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

可选的，在具体实现上，如果存储器、处理器和通信接口集成在一块芯片上，则存储器、处理器即通信接口可以通过内部接口完成相互之间的通信。

各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

实施例4：

本实施例提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

步骤1：拾取声发射/微震事件的P波初至数据；

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数；

步骤3：基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

数据验证

以平面内含圆孔结构声发射/微震理论事件为例说明本方法的有效性。图5展示了平面内含圆孔结构测试事件定位结果云图，其中图5的(a)、(b)分别对应粗网格、细网格搜索时间拟合误差云图。设定平面含圆孔结构长为30cm，宽为20cm，结构中心圆孔半径r为2.5cm，声发射事件位置为(25，5)cm，传感器坐标见表1，P波传播速度为0.6cm/us。首先使用粗网格划分圆孔结构，搜索得到各网格点的时间拟合误差如图5的(a)所示，五角星为测试事件位置，菱形为定位结果。可见越靠近震源位置，时间拟合误差越小。进一步，以上述菱形位置为中心，搜索其周围1cm网格的时间拟合误差如图5的(b)所示，搜索得到的声发射/微震事件位置为(25，5)cm，与测试事件位置重合。综上，本发明提供的一种含圆孔结构声发射/微震事件精准定位方法定位精度高，采用网格搜索法全局性较好，可以得到稳定的定位结果。

表1传感器位置坐标

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

拾取声发射/微震事件的P波初至数据，其中，设置若干个声发射/微震传感器；

构建基于P波走时方程的定位目标函数，其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系，以及含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的；

基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置；

所述基于P波走时方程的定位目标函数的构建过程为：选择某一个传感器为参考，基于双差法计算其他传感器对应的P波走时方程与参考传感器对应的P波走时方程之差，再累加差值，以选择累加差值后的最小值确定定位目标；

其中，若以第一个传感器为参考，所述定位目标函数的公式如下：

式中，Minimize为最小化函数，n为传感器数量，P波速度为v_p，第i个传感器拾取的P波初至时刻为t_i，第1个传感器拾取的P波初至时刻为t₁，ΔT_i1为第i个传感器相对于第1个传感器的P波初至系统误差，L′_min(i)为声发射源/震源到第i个传感器之间的P波传播最短距离，L′_min(1)是声发射源/震源到第1个传感器之间的P波传播最短距离，第i个传感器对应的P波初至系统误差为T_i；

若含圆孔结构为三维未通圆孔结构，所述定位目标函数的公式如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：含圆孔结构为三维全通圆孔结构或平面结构中圆孔时，按照如下规则确定声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离：

a、声发射源/震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

b、声发射源/震源到传感器确定的直线段未穿过圆孔，但直线段延长线与圆孔相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

c、声发射源/震源到传感器确定的直线段穿过圆孔，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离如下：

L′_min(i)＝min(le_i+rad'_i+ls_i)

式中，L′_min(i)为声发射源/震源到第i个传感器的P波传播最短距离，le_i为P波信号从声发射源/震源传播到切点G的直线段距离，ls_i为P波信号从出射切点F传播到第i个传感器的直线段距离，rad'_i为切点G、切点F之间的短弧长；

在三维结构中，切点G为切点M₁(xe_i1，ye_i1，ze_i1)、切点M₁'(xe_i2，ye_i2，ze_i2)中的一个切点，切点F为切点N₁(xs_i1，ys_i1，zs_i1)、切点N₁'(xs_i2，ys_i2，zs_i2)中的一个切点；切点M₁、M₁'、N₁、N₁'为P波信号在三维结构中传播时与圆孔的四个切点，xe_i1，ye_i1，ze_i1,xe_i2，ye_i2，ze_i2,xs_i1，ys_i1，zs_i1,xs_i2，ys_i2，zs_i2均为切点位置坐标；

在二维平面结构中，若以x,z轴表示平面坐标，切点G为切点M(xe_i1，ze_i1)、切点M'(xe_i2，ze_i2)中的一个切点，切点F为切点N(xs_i1，zs_i1)、切点N'(xs_i2，zs_i2)中的一个切点；切点M、M'、N、N'为P波信号在平面结构中传播时与圆孔的四个切点，xe_i1，ze_i1,xe_i2，ze_i2,xs_i1，zs_i1,xs_i2，zs_i2均为切点位置坐标；

含圆孔结构为未通圆孔结构时，按照如下规则确定声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离：

A、若声发射源/震源与传感器间的直线段与圆孔不相交，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；

B、若声发射源/震源与传感器间的直线段与圆孔相交：(1)若声发射源/震源与传感器均位于圆孔侧，按照c条L′_min公式计算声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离；(2)若声发射源/震源与传感器均位于实心侧，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离为声发射源/震源与传感器之间的直线距离；(3)若声发射源/震源与传感器一个在实心侧一个在圆孔侧，不参与定位计算。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：若含圆孔结构为三维空间内的全通圆孔结构，切点G(xe_i，ye_i，ze_i)、切点F(xs_i，ys_i，zs_i)之间的短弧长rad'_i的公式如下：

其中，将切点G、F投影至三维含圆孔结构试样正面，记切点G、F对应的投影点为：G'(xe_i，C，ze_i)、F'(xs_i，C，zs_i)，C为常数，xe_i，ye_i，ze_i，xs_i，ys_i，zs_i为切点位置坐标；

以圆孔左侧水平线为中心，将上下圆柱孔面分别向上、下展开，l为投影点G'、F'间的弧长，l＝rθ₁，

θ₁为投影点G'、F'与圆孔圆心之间的夹角，r为圆孔半径，d_G′F′表示投影点G'、F'之间的直线段距离，存在：

若含圆孔结构为二维平面内的圆孔结构，切点G(xe_i，ze_i)、切点F(xs_i，zs_i)之间的短弧长rad'_i的公式如下：

rad'_i＝rθ，

其中，θ为切点G、F与圆孔圆心之间小于180°的夹角，d_q表示切点G、F之间的直线段距离，

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在三维空间内，声发射源/震源、切点G'、F'和传感器处于同一平面x+my+nz+e＝0上，m、n、e为平面方程系数，满足：

其中，声发射源/震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号；

最短传播距离L′_min(i)的求解公式为：

diff(le_i+rad'_i+ls_i)＝0

其中，diff为偏导函数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：若声发射源/震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号，将声发射源/震源、传感器投影至三维含圆孔结构试样正面，在投影平面内声发射源/震源的投影坐标为A'(x₀，C，z₀)，传感器的投影坐标为B'(x_i，C，z_i)，C为常数，即正面所在的y轴坐标，则所述声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系的判断依据如下：

若投影平面内圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线a′x+b′z+c′＝0的距离d′≥r，r为圆孔半径，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交；其中，直线a′x+b′z+c′＝0为投影平面内A'、B'的直线方程，a′、b′、c′为该直线方程系数；

若距离d′<r，且∠OA′B′和∠OB′A′不均为锐角，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段未穿过圆孔，但直线段延长线与圆孔相交；

若距离d′<r，且∠OA′B′和∠OB′A′均为锐角，则三维空间内的声发射源/震源到传感器确定的直线段穿过圆孔。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射源/震源位置的过程是采用网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置，具体如下：

首先，利用稀疏的网格搜索得到声发射/微震事件的初步位置；

然后，以所述初步位置为中心确定目标区域，并对所述目标区域划分网格搜索声发射/微震事件声发射/微震事件位置。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的系统，其特征在于：包括：

P波初至数据拾取单元，用于拾取声发射/微震事件的P波初至数据，其中，设置若干个声发射/微震传感器；

定位目标函数建立单元：构建基于P波走时方程的定位目标函数；

最短路径计算单元，用于计算含圆孔结构的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离，其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系、含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的；

声发射/微震事件定位单元，用于基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。

8.一种终端，其特征在于：包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

权利要求1-6任一项所述的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的步骤。

9.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

权利要求1-6任一项所述的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的步骤。

Images