CN102841371B - 一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法，该传感器包括球形结构和智能控制***。球形结构包括球形外壳、灌封材料、外部接口、电源及信号调理电路板等；智能控制***包含用于姿态测试的三轴磁阻传感器、用于姿态测试的三轴加速度传感器、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器、微控制器、串口通信单元、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器、电荷放大器和电源模块等；并可震源测试定位方法实现高精度的地下震源定位。该传感器配合及震源测试定位方法，可应用煤层采空区监测、隧道空洞检测、靶场弹着点等各种震源定位，也可用于研究应力波在震动测试场中的相关理论。

Description

一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法

技术领域

本发明属于分布式***震动测试技术、无源定位技术和传感器技术领域，具体来说是涉及一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法。 

背景技术

基于无线传感器网络的地下震源定位技术是在地下震源近场监测区域内，由大量不同埋设深度的传感器节点，通过自组织和多跳方式构成的无线网络，协作地感知、监测、采集、处理以及传输震源产生的震动信号（如在***近区传播的是冲击波信号、在中区冲击波逐渐转换为应力波信号，其传播速度近似声波速度，在远区近似弹性震动的地震波信号），并通过分析各个节点收集到的震动信息的特征，以实现震源的定位。 

本发明所涉及的地下震源定位技术属于近场震源定位技术，即在震源的近区进行定位。该技术可以有效地解决地下石油勘探、煤层采空区监测、隧道空洞检测、兵器试验场炮弹炸点定位等各种震源定位问题，并在工程***、国防军事、环境监测、煤矿安全生产等领域有着非常广泛的应用前景。 

地下震源定位主要采用基于波到达方向定位法（DOA，Direct of Angle）和基于时间差定位法(TDOA，Time Difference of Arrival)。其中基于波到达方向定位法主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位；时差定位法主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位。随着无源定位技术的发展，同时为了满足高精度的定位要求，采用DOA和TDOA相结合的混合定位方法成为了目前地下震源定位技术研究的热点。 

在地下震源定位的过程中，不同的定位方法需要选择不同特点的传感器。当采用DOA进行定位时，要求震动传感器能够有效获取三维震动信号的幅值、方向等矢量信息，同时具有很好的线性度、横向灵敏度和轴间抑制比。当采用TDOA进行定位时，并不要求震动传感器能够获取震动信号的矢量信息，但要求震动传感器具有较高的频率响应，能够获取极为精确的峰值-时间信息。可见，在地下震源定位过程中，震动传感器特点和性能是实现DOA和TDOA融合定位法的前提 和保障。 

目前，在地下震动定位过程中，主要将地震检波器安装于地表面，实现远距离的震源定位，如一种三分量光电混合集成加速度地震检波器（专利号：CN201417314Y），智能三分量地震检波器（专利号：CN1387050A），动圈式地震检波器（专利号：CN201514488U）等,但在地下近场震源定位过程中，还没有一种现有的震动传感器适合于安装在地下，进行高精度的DOA和TDOA融合定位。当把现有的震动传感器应用于地下进行基于DOA和TDOA的定位时，存在如下问题： 

1、震动传感器（包括检波器），通常将敏感单元安装在具有一定外形结构的防护壳内（一般为长方形、圆柱形或锥形），在近场环境中,由于应力波径向衰减快，而通常的传感器外形结构（如方形，圆柱形等）很难保证其以波线为轴线对称，传感器在受力过程中会产生不平衡力矩，传感器及外壳的受力方向与应力波传播方向会不一致，使得震动传感器三个轴向检测到的震动信息矢量和与实际应力波传播方向之间出现偏差，造成在地下震源的定位过程中，无法真实的获取波到达的角度信息，造成DOA定位出现不可避免的误差。 

2、传感器在地下安装过程中，为了最大程度不破坏被测场地性质，需要通过深孔将传感器安装到预定位置，由于距地有一定深度，人为无法将震动传感器的三轴固定到预设方向上，造成在测试场内，各个震动传感器节点都存在一个自身的三轴震动坐标系，而很难修正到一个人为设定的统一坐标系下，从而不能将波到达的震动信息转换为有效地波到达的角度信息，无法实现DOA定位算法，同时也不能有效地研究应力波（包括横波、纵波等多种波形成分）在测试场中的传播特性。 

3、在地下震源定位过程中，为了提高震动信号的采集精度，需要在震动测试场不同范围的测试区内安装不同量程的传感器，但由于实际震动强度和理论计算存在偏差，造成在实际震动传感器选型后测试时，出现某个节点的震动传感器没有信号，或出现信号满幅的现象。 

4、采用TDOA进行定位时，要求传感器具有极高的频率响应、高过载，并不要求传感器能够获取震动的矢量信息，只需获取震动强度峰值对应的峰值-时间信息即可（即标量信息），因此,这种高频响的传感器主要为单轴，将敏感轴指向 探测方向即可，但在地下安装过程中，无法可靠地将敏感轴指向震动方向，因此无法获得最为精准的时间信息。 

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术所存在的问题，提供一种在地下震源近场监测区域内使用的复合式智能震动传感器与震源测试定位方法，以实现在地下震源定位。 

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是： 

一种复合式智能震动传感器，其特征是：该震动传感器为球形结构，球形结构包括由底壳1与顶壳2构成的球形外壳、灌封材料4、外部接口5、电源及信号调理电路板9、传感器与姿态测试电路板10、控制电路板11与铜柱12；其中： 

所述的底壳1与顶壳2的外部为半球体并连接成一体，在所述的底壳与顶壳外部装有半球壳状压电陶瓷6；压电陶瓷的两面镀有金属电极8，两个半球壳状压电陶瓷6的金属电极的两极并联，并引入壳内的电源及信号调理电路板9上；所述的顶壳上端装有外部接口5； 

所述的电源及信号调理电路板9、传感器与姿态测试电路板10、控制电路板11通过电路板安装孔16与铜柱12从上至下固定在球形外壳内部； 

在所述的底壳1和顶壳2组成的球形外壳上设有X轴标定孔14、Y轴标定孔15及Z轴标定孔13；所述的X轴标定安装孔14、Y轴标定安装孔15分别位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器X、Y轴延长线与顶壳2、底壳1交界面的相交处；Z轴标定安装孔13位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器Z轴与底壳的相交处。 

所述的传感器与姿态测试电路板10有上、下面板，在上面板装用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19；在下面板上装用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20；其中： 

（1）所述的用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19与用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20分别安装在上、下两面板的中心位置； 

（2）所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18位于低量程加速度传感器的X轴延长线上； 

（3）所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器17的X轴、用于姿态测试的三轴加速度传感器18的X轴与用于震动测试的低量程加速度传感器19的X轴、用于震动测试的高量程加速度传感器20的X轴位于同一轴线上； 

以上所述的所有的传感器的Y轴、Z轴相互平行。 

所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是：该震动传感器还包括智能控制***，智能控制***包含外部接口5、半球壳状压电陶瓷6、用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20、微控制器21、串口通信单元22、适配放大器23、抗混叠滤波器24、电压跟随器25、电荷放大器26、电源模块27； 

所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器通过串行总线与微控制器连接，并通过串口通信单元与外部接口连接，所述的低量程三轴加速度传感器、高量程三轴加速度传感器通过适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接； 

所述的压电陶瓷通过电荷放大器、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接。 

所述的电源模块为三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器、适配放大器、抗混叠滤波器、电荷放大器、电压跟随器、微控制器以及串口通信单元提供电源。 

所述的三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组成姿态检测模块，用于检测高、低量程加速度传感器自身三轴坐标系与以磁北方向和重力方向组成的大地坐标系的之间的夹角。 

所述的底壳1和顶壳2为与土壤密度相匹配的低密度复合材料；所述的灌封材料4同样为与土壤密度相匹配的低密度复合材料；所述的外部接口5为复用接口。复用接口作用是： 

（1）传感器节点在地下安装完成后，地上控制部分经地上到地下的传输电 缆线，通过串口通信读取三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器检测到夹角信息，同时为传感器提供电源； 

（2）在震动测试过程中，地上控制部分通过地上到地下的传输电缆线，采集高、低量程加速度传感器及压电陶瓷获取的震动信号。 

一种复合式智能震动传感器的震源测试定位方法，其特征是：在地下震源定位过程中，围绕震源至少布置四个检测点，即检测点又称为震动探测节点，由地上控制部分和地下震动传感器组成。将震动传感器埋设在地下，每个检测点的震动传感器轴向上都有磁阻传感器和加速度传感器，分别用于检测震动传感器的敏感轴偏离磁北方向和重力方向的夹角，用检测点的地上控制部分通过外部接口5对地下震动传感器的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息进行采集；利用所述的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息实现震源定位的方法包括以下三部分： 

（1）基于TDOA的震源定位 

以一个检测点作为参考点，将其余检测点的压电陶瓷获取的压力-时间信号与参考检测点获取的压力-时间信号进行基于相关分析或自适应滤波的时差测量LMS，得到时间差信息，通过目标定位算法确定震源位置。 

（2）基于DOA的震源定位 

1）利用高、低量程加速度传感器探测到的加速度信息，通过能量比法获取各检测点探测到的震动信号初至波的加速度峰值； 

2）传感器自身坐标系与震动场坐标系的转换；坐标系进行转换是将磁北方向和重力加速度方向组成的笛卡尔坐标系作为震动场的统一坐标系，通过复合式旋转矩阵算法，利用所述的夹角信息，将各节点在自身坐标系下探测到的***震动信号初至波的加速度峰值转换成震动场统一坐标系下的加速度峰值； 

3）基于DOA定位算法，在震动场统一坐标系下,将上述各节点探测到的***震动信号初至波的加速度峰值转换为各节点相对于震源的方位角和俯仰角，并利用现有的DOA多点测向交叉定位算法确定震源位置； 

（3）TDOA与DOA定位结果数据融合 

将TDOA震源位置结果和DOA震源位置结果进行数据融合；采用现有的融合算法实现最终震源定位；其中： 

TDOA为基于时间差定位法，主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位； 

DOA为基于波到达方向定位法，主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位。 

本发明其与现有技术相比，具有如下优点： 

1、采用与土壤密度相匹配的低密度复合材料设计球形外壳，并用与土壤密度相匹配的灌封材料将MEMS加速度计悬架在球心，在保证结构一体化的同时，传感器与震动信号的传播方向始终保持一致，与现有技术相比，本发明能够让MEMS加速度计最大程度的保证震动传感器的振动幅度、方向与震动信号传播到该质点的振动幅度、方向相同，相位差趋于零，并将获取的震动信息转换为真实的波到达的角度信息，从而提高DOA的定位精度。 

2、在MEMS加速度计所处电路板上，安装了由三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组成的姿态测试***，当各个传感器节点安装在震动测试场的地下预定位置后，姿态测试***可以在地下震源定位前，检测到传感器的三轴方向与以磁北方向和重力方向组成的大地坐标系之间的夹角。并在完成震动测试后，通过复合式旋转矩阵算法，将各个传感器节点三轴获取的加速度分量修正到大地三轴笛卡尔坐标系下，与现有技术相比，可以有效的统一震动场，减小实际安装的难度，提高DOA定位精度，同时可以更好的研究分布式震动测试场的相关理论。 

3、将高量程的MEMS加速度计与低量程的MEMS加速度计集成在同一个结构内，形成具有大动态范围的复合式加速度传感器，这样传感器节点不论位于震动场的什么位置，都能有效获取***震动数据，提高DOA的定位精度。 

4、将球形结构的压电陶瓷贴于外壳表面，由于压电陶瓷频响极高，可以拾取非常陡峭的压力峰值-时间信息，实现高精度的TDOA定位，同时球形压电陶瓷的任意位置都是敏感面，可以实现全向震动信号的接收，极大地减少了震动传感器在地下安装地难度。 

本发明由压电陶瓷和高、低量程MEMS加速度计构成震动探测单元，实现全向高频标量震动信息和高、低量程矢量震动信息的获取，从而提高了基于TDOA和DOA的地下震源定位的精度，配置上三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组成的姿态测试模块及坐标场统一算法后，可以将传感器节点三轴自身坐标自主修正到震动场坐标系中，极大的解决地下安装的难度，最为关键的是可以解决基于TDOA和DOA的地下震源定位过程中，如上文所提及的关于在工程实践和信息获取等方面出现的问题。 

通过本发明探测到的高频响的压力-时间信息和真实的波到达的加速度信息，结合所述的TDOA和DOA混合定位方法，即可实现高精度的地下震源定位。本发明所述的复合式传感器配合所述的混合定位算法，可以有效的实现煤层采空区监测、隧道空洞检测、靶场弹着点等各种震源定位，同时可以有效地研究应力波在震动测试场中的相关理论。 

附图说明

图1为本发明的结构剖示图。 

图2为本发明的3D结构示意图。 

图3为本发明的传感器与姿态测试模块安装布局图。 

图4为本发明的控制***原理框图。 

图5为本发明的震动场坐标变换流程图。 

图6为本发明的无源定位方法流程图 

图中：底壳1、顶壳2、安装螺口3、灌封材料4、、外部接口5、半球壳状压电陶瓷6、粘接层7、金属电极8、电源及信号调理电路板9、传感器与姿态测试电路板10、控制电路板11、铜柱12、Z轴标定安装孔13、X轴标定安装孔14、Y轴标定安装孔15、电路板安装孔16、用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20、微控制器21、串口通信单元22、适配放大器23、抗混叠滤波器24、电压跟随器25、电荷放大器26、电源模块27。 

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的技术方案。 

一、一种复合式智能震动传感器 

一种复合式智能震动传感器，由球形结构和智能控制***两部分组成。 

1、球形安装结构 

图1与图2所示，球形结构包括：底壳1、顶壳2、安装螺口3、灌封材料4、外部接口5、半球状压电陶瓷6、粘接层7、金属电极8、电源及信号调理电路板9、传感器与姿态测试电路板10、控制电路板11、铜柱12、Z轴标定安装孔13、X轴标定安装孔14、Y轴标定安装孔15。 

所述的底壳1、顶壳2通过安装螺口3连接，形成球形外壳。在顶壳2上部安装有外部接口5，用于与后续采集设备以及上位机连接。 

所述的电源及信号调理电路板9、传感器与姿态测试电路板10、控制电路板11从上至下通过电路板安装孔16用铜柱12固定，底壳1和顶壳2内部的球形空腔填充有灌封材料4，通过现有灌封工艺以及模具技术，将上述电路板固定于空腔内，并保持传感器与姿态测试电路板10位于球形结构的中间平面，使电路板、灌封材料与外壳组成一体化的刚性结构。 

所述的灌封材料是与土壤密度相匹配的低密度复合材料（如玻璃微珠与环氧树脂按一定比例的混合物），所述的顶壳和底壳是与土壤密度相匹配的复合材料或者非磁性金属合金。由于内部电路板及片上元器件的体积、质量远小于腔体内的灌封材料。因此，由电路板、灌封材料组成的腔体可以认为是由单一灌封材料组成的，这样由外壳、灌封材料和内部加速度传感器组成的多轴震动传感器的整体密度与土壤密度近似匹配。 

本发明制成的实物是直径为5cm的球体，当在黏土这一背景下，平均土场参数如下：纵波传播速度为2000m/s,极限震动频率为6kHz时，传感器的波长小于震动信号波长的六分之一。根据相关声学理论：当传感器波长小于震动信号波长的六分之一，同时传感器整体密度与土壤密度近似相等时，震动传感器可以视为震动场中的一个质点，震动传感器的振动幅度、方向与震动信号传播到该质点的振动幅度、方向相同，相位差趋于零。当震动源近场产生的是应力波或冲击波等 高频响震动信号时，传感器不能视为质点，在这种情况下，由于整个传感器采用球形设计，密度与土体匹配，加速度传信号处入球形结构的中心，能够最大程度的避免应力波在传感器结构内部出现折射、反射等现象，有效获取波到达的方向信息，提高DOA定位的精度。 

所述的底壳1与顶壳2外部装有半球状压电陶瓷6，半球状压电陶瓷6的两面镀有金属电极8，半球状压电陶瓷6通过粘接层7（如环氧树脂）固定于底壳1、顶壳2表面，通过胶合剂将两个半球粘结成整球。上下两边的半球状压电陶瓷6两极并联，并将信号引入壳内的电源与信号调理电路上。 

图3所示，为标定安装孔、高、低量程加速度传感器、姿态测试模块之间的安装布局示意图。用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20是实现波到达的方向信息即矢量信息的关键，但所述的用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20外部存在由压电陶瓷、外壳和灌封材料组成的传递***，其特性会随着传递***的变化而发生变化。通过有限元对所述的压电陶瓷、外壳、灌封材料和加速度传感器组成的一体化结构进行模态分析，在分析时采用自由划分网格技术对模型进行网格划分，网格单元采用C3D10M(即修正的四面体二次缩减积分单元)，通过中轴算法仿真，得出这种复合结构的频响能达到17kHz以上，满足震动信号频率的范围。同时通过现有灌封工艺，可以保证本发明的抗过载大于几万g,即可以在近场探测高强度的冲击信号。 

其中，低量程加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器布局在传感器与姿态测试电路板的上面板上，高量程加速度传感器位于传感器与姿态测试电路板的下面板上。所述的低量程加速度传感器安装于电路板的中心，用于有效检测震动幅度小、频率响应低的***震动信号，高量程加速度传感器安装于低量程加速度传感器的正背面，用于有效检测震动幅度高、频率响应宽的震动信号。 

所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器位于低量程加速度传感器X轴延长线上，三轴磁阻传感器的X轴、三轴加速度传感器的X轴与低量程加速度传感器X轴、高量程加速度传感器X轴位于同一轴线上，并且所有传感器的Y轴、Z 轴都相互平行。 

所述的X轴标定安装孔、Y轴标定安装孔位于高低量程加速度传感器X、Y轴延长线与顶壳、底壳交界面的相交处。Z轴标定安装孔位于高低量程加速度传感器Z轴与底壳的相交处。 

所述的X轴标定安装孔14、Y轴标定安装孔15和Z轴标定安装孔13、用于对本发明进行动静态性能测试时，与标定设备刚性连接。 

2、智能控制*** 

图4所示，为智能控制***的***框图，智能控制***包括：用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器19、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器20、微控制器21、串口通信单元22、适配放大器23、抗混叠滤波器24、电压跟随器25、电荷放大器26、电源模块27。 

所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器17、用于姿态测试的三轴加速度传感器18经微控制器、串口通信单元与外部接口连接；所述的用于震动测试的高、低量程加速度传感器经适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器与外部接口连接。所述的压电陶瓷经电荷放大器、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器与外部接口连接。所述的电源模块为三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器、用于***震动测试的低量程三轴加速度传感器、用于***震动测试的高量程三轴加速度传感器、电荷放大器、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器、微控制器、串口通信单元提供电源。 

所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器采用Honeywell公司的数字输出的三轴磁阻传感器HMC5883L，通过IIC总线与微控制器连接，用于检测高、低量程加速度传感器X轴偏离磁北的夹角（方位角）。所述的用于姿态测试的三轴加速度传感器采用ADI公司的数字输出的三轴加速度传感器ADXL345，通过IIC总线与微控制器连接，一方面，用于检测高、低量程加速度传感器偏离震动场坐标系下水平面的夹角（俯仰角、滚转角）；另一方面，当高、低量程加速度传感器，安装在地下非水平状态时，补偿磁阻传感器三轴分量，提高磁阻传感器检测精度。 

所述的微控制器采用TI公司的MSP430F149，这是一款具有超低功耗的微控 制器，可以使本发明的功耗降至最低。一方面，用于配置三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器；另一方面，通过IIC总线，读取三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器检测到的地磁信息和重力加速度信息，并通过内部运算，将地磁信息装换为方位角，将重力加速度信息转换为滚转角、俯仰角，并通过串口通信单元，将方位角、滚转角、俯仰角信息发送给地上控制部分。 

所述的低量程三轴加速度传感器采用ST公司模拟信号输出的三轴加速度传感器LIS344ALH，用于检测***震动测试过程中，低频响，低振幅的***震动信号。所述的高量程三轴加速度传感器采用Measurement公司模拟信号输出的三轴加速度传感器Model832M1,用于检测***震动测试过程中，高频响、大振幅的***震动信号。 

所述的适配放大器、抗混叠滤波器和电压跟随器用于将高、低量程加速度传感器输出的电压范围、阻抗值满足用户的要求。 

所述的电荷放大器采用运算放大器搭建，将压电陶瓷输出的电荷量转为电压量，由于此时输出的电压信号比较微弱，通过适配放大器，提高其信噪比。通过抗混叠滤波器和电压跟随器将压电陶瓷输出的信号满足用户的要求。 

外部接口为复用接口，传感器在地下安装完成后，地上控制部分经过地上到地下的传输电缆线，利用RS485总线，读取方位角、滚转角和俯仰角，同时为传感器提供电源；在***震动测试过程中，地上控制部分通过所述的传输电缆线对高、低量程加速度传感器及压电陶瓷探测到的***震动信号进行采集。 

二、使用复合式智能震动传感器的震源测试定位方法 

震源测试定位方法采用该震动传感器实现震源定位，围绕震源布置多个检测点，即检测点又称为震动探测节点，由地上控制部分和地下震动传感器组成。将该复合式震动传感器埋设在地下，每个检测点的震动传感器轴向上都有磁阻传感器和加速度传感器，分别用于检测震动传感器敏感轴偏离磁北方向和重力方向的夹角。在震源产生震动信号时，多个复合式智能震动传感器同时获取信号，通过获取的信号以及所述的夹角信息实现震源定位。基于本发明的震源定位方法具体流程如图6所示，主要包括三部分。 

1、基于TDOA的震源定位 

将本发明压电陶瓷部分获取的压力-时间信号进行小波阈值去噪，去除有效信号中夹杂的噪声，以其中一个检测点作为参考点，将其余检测点获取的压力-时间信号与参考检测点获取的压力-时间信号进行基于相关分析或自适应滤波的时差测量LMS，得到时间差信息，通过现有的基于时间差的目标定位算法确定震源位置(x₁,y₁,z₁)。其中目标算法：如传统的chan+taylor算法或基于粒子群的目标定位算法等。 

2、基于DOA的震源定位 

（1）获取各节点探测到的震动信号初至波的加速度峰值 

将所述的用于震动测试的高、低量程三轴加速度传感器获取的加速度信号进行基于HHT的信号去噪，通过能量比法，获取震动信号初至波的加速度峰值。设其中第i个传感器的高量程加速度传感器对应的加速度峰值为(a_hix，a_hiy,a_hiz),低量程加速度传感器对应的加速度峰值为(a_lix，a_liy，a_liz),若第i个高量程加速度传感器探测到的震动信号加速度峰值大于低量程加速度传感器的探测范围，则震动信号初至波的加速度峰值(a_ix,a_iy,a_iz)=(a_hix,a_hiy,a_hiz)即采用高量程探测到的加速度峰值进行下一步DOA定位；若高量程加速度传感器探测到的震动信号加速度峰值小于或等于低量程加速度传感器的探测范围，即将(a_hix，a_hiy,a_hiz)和(a_lix，a_liy，a_liz)进行数据融合（如加权平均算法），得到震动信号初至波的三轴加速度峰值(a_ix，a_iy，a_iz)。 

（2）传感器节点自身坐标系与震动场坐标系的转换 

坐标系进行转换是采用磁北方向和重力加速度方向组成的笛卡尔坐标系，并作为震动场的统一坐标系，通过复合式旋转矩阵算法，将各节点在自身坐标系下探测到的***震动信号初至波的加速度峰值信息转换成震动场的统一坐标系下的加速度峰值信息。 

在地下震源定位过程中，每个传感器节点都通过深孔安装于地下，由于距地有一定的高度，人为无法将各个传感器节点内部的三轴自身坐标系都统一到一个坐标系下，因此，在震源定位过程中，无法通过各节点获取得波到达的方向信息，直接实现DOA定位，针对这一问题，本发明提出一种传感器节点自身坐标系与震动场坐标系的转换方法。 

在震动测试场中，每个传感器节点都会受到地磁场和重力加速度的影响，在一定的区域范围内，地磁场的磁场强度和重力加速度的大小、方向可以近似恒定不变，因此设定震动场为笛卡尔坐标系，以磁北方向作为X轴、在大地水平面内与磁北相垂直的方向作为Y轴、地球重力方向作为Z轴。 

各个震动传感器节点上安装有三轴加速度传感器和三轴地磁传感器，所述的三轴加速度传感器用于检测重力加速度在其三个轴向上的加速度分量设为A_X、A_Y、A_Z，并通过现有算法公式(1.1)(1.2)即可得出三轴加速度传感器X轴偏离大地水平面的垂直夹角 即俯仰角，Y轴偏离大地水平面的垂直夹角θ即滚转角。所述的三轴地磁传感器用于检测地磁场在其三个轴向上的磁分量设为H_X、H_Y、H_Z，并通过公式（1.3）(1.4)(1.5)可以得出三轴磁阻传感器X轴与磁北方向的水平夹角γ即方位角； 

H_Y'=H_Y cosθ+H_Z sinθ                      (1.4) 

γ=arctan(H_Y'/H_X′)                        (1.5) 

三轴地磁传感器、三轴加速度传感器和用于震动测试的高、低量程加速度传感器的安装位置如图3所示，所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器位于低量程加速度传感器X轴延长线上，三轴磁阻传感器的X轴、三轴加速度传感器的X轴与低量程加速度传感器X轴、高量程加速度传感器X轴位于同一轴线上，并且所有传感器的Y轴、Z轴都相互平行。由所述的安装位置示意图可得，利用地磁传感器计算得到的方位角，即为所述的高、低量程加速度传感器X轴偏离震动场X轴的水平夹角；利用加速度传感器计算得到的俯仰角即为所述的高、低量程加速度传感器X轴偏离震动场X轴的垂直夹角；计算得到的滚转角即为所述的高、低量程加速度传感器Y轴偏离震动场Y轴的垂直夹角。 

以第i个传感器为例，设(a_ix,a_iy,a_iz)为第i个传感器在地下安装完成后，在自身坐标系下，探测到***震动信号初至波的加速度分量；(a_ix′,a_iy′,a_iz′)为第i个传 感器在震动场统一坐标系下，探测到***震动信号初至波的加速度分量。利用所述的俯仰角 滚转角θ和方位角γ信息，通过公式（1.6），即可完成加速度分量转换。图5所示，为具体的震动场坐标变换流程图。 

（3）基于DOA定位算法 

在震动场统一坐标系下,将上述各节点探测到的***震动信号初至波的加速度分量转换为各节点相对于震源的方位角和俯仰角，并利用现有的DOA多点测向交叉定位算法（如基于牛顿迭代的最小二乘交叉定位法），实现震源定位(x₂,y₂,z₂)。 

3、定位结果数据融合 

将TDOA定位结果(x₁,y₁,z₁)和DOA定位结果(x₂,y₂,z₂)进行数据融合。采用现有的融合算法（如基于泰勒序列展开式的混合定位或加权最小二乘融合算法），实现最终震源定位，得到震源位置(x，y,z)。其中： 

TDOA为基于时间差定位法，主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位； 

DOA为基于波到达方向定位法，主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位。 

在传感器安装完成之后，利用地上控制***，读取方位角、俯仰角和滚转角等姿态信息，在震动测试过程中，地上控制***采集本发明高、低量程加速度传感器探测到的震动信号和压电陶瓷探测到的压力信息。在完成震动测试后，在上位机上，利用所述的高频响的压力-时间信息进行基于TDOA的震源定位，利用所述的姿态信息和震动加速度信息进行基于DOA的震源定位，并将两者的定位结果通过数据融合实现高精度的混合定位。本发明所述的复合式传感器配合所述的混合定位算法，可以实现煤层采空区监测、隧道空洞检测、靶场弹着点等多种震源定位，同时可以有效地研究应力波在震动测试场中的相关理论。在工程***、国防军事、环境监测、煤矿安全生产等领域有着非常广泛的应用前景。 

Claims (5)

1.一种复合式智能震动传感器，其特征是：该震动传感器为球形结构，球形结构包括由底壳(1)与顶壳(2)构成的球形外壳、灌封材料(4)、外部接口(5)、电源及信号调理电路板(9)、传感器与姿态测试电路板(10)、控制电路板(11)与铜柱(12)；其中：

所述的底壳与顶壳的外部为半球体并连接成一体，在所述的底壳与顶壳外部装有压电陶瓷(6)；压电陶瓷的两面镀有金属电极(8)，两个压电陶瓷的金属电极的两极并联，并引入壳内的电源及信号调理电路板上；所述的顶壳上端装有外部接口；

所述的电源及信号调理电路板、传感器与姿态测试电路板、控制电路板(11)通过电路板安装孔(16)与铜柱从上至下固定在球形外壳内部；

在所述的顶壳和底壳组成的球形外壳上设有X轴标定安装孔(14)、Y轴标定安装孔(15)及Z轴标定安装孔(13)；所述的X轴标定安装孔、Y轴标定安装孔分别位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器X、Y轴延长线与顶壳、底壳交界面的相交处；Z轴标定安装孔位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器Z轴与底壳的相交处。

2.根据权利要求1所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是：所述的传感器与姿态测试电路板(10)有上、下面板，在上面板装用于姿态测试的三轴磁阻传感器(17)、用于姿态测试的三轴加速度传感器(18)、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器(19)；在下面板上装用于震动测试的高量程三轴加速度传感器(20)；其中：

(1)所述的用于震动测试的低量程三轴加速度传感器与用于震动测试的高量程三轴加速度传感器分别安装在上、下两面板的中心位置；

(2)所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器、用于姿态测试的三轴加速度传感器位于低量程加速度传感器的X轴延长线上；

(3)所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器的X轴、用于姿态测试的三轴加速度传感器的X轴与用于震动测试的低量程加速度传感器的X轴、用于震动测试的高量程加速度传感器的X轴位于同一轴线上；

以上所述的所有的传感器的Y轴、Z轴相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是：该震动传感器还包括智能控制***，智能控制***包含外部接口(5)、压电陶瓷(6)、用于姿态测试的三轴磁阻传感器(17)、用于姿态测试的三轴加速度传感器(18)、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器(19)、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器(20)、微控制器(21)、串口通信单元(22)、适配放大器(23)、抗混叠滤波器(24)、电压跟随器(25)、电荷放大器(26)、电源模块(27)；

所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器通过串行总线与微控制器连接，并通过串口通信单元与外部接口连接，所述的低量程三轴加速度传感器、高量程三轴加速度传感器通过适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接；

所述的压电陶瓷通过电荷放大器、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是：所述的底壳(1)和顶壳(2)为与土壤密度相匹配的低密度复合材料；所述的灌封材料(4)同样为与土壤密度相匹配的低密度复合材料；所述的外部接口(5)为复用接口。

5.根据权利要求3所述的一种复合式智能震动传感器的震源测试定位方法，其特征是：在地下震源定位过程中，围绕震源至少布置四个检测点，即检测点又称为震动探测节点，由地上控制部分和地下震动传感器组成；将震动传感器埋设在地下，每个检测点的震动传感器轴向上都有磁阻传感器和加速度传感器，分别用于检测震动传感器的敏感轴偏离磁北方向和重力方向的夹角，用检测点的地上控制部分通过外部接口对地下震动传感器的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息进行采集；利用所述的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息实现震源定位的方法包括以下三部分：

(1)基于TDOA的震源定位

以一个检测点作为参考点，将其余检测点的压电陶瓷获取的压力-时间信号与参考检测点获取的压力-时间信号进行基于相关分析或自适应滤波的时差测量LMS，得到时间差信息，通过目标定位算法确定震源位置；

(2)基于DOA的震源定位

1)利用高、低量程加速度传感器探测到的加速度信息，通过能量比法获取各检测点探测到的震动信号初至波的加速度峰值；

2)传感器自身坐标系与震动场坐标系的转换；坐标系进行转换是将磁北方向和重力加速度方向组成的笛卡尔坐标系作为震动场的统一坐标系，通过复合式旋转矩阵算法，利用所述的夹角信息，将各节点在自身坐标系下探测到的***震动信号初至波的加速度峰值转换成震动场统一坐标系下的加速度峰值；

3)基于DOA定位算法，在震动场统一坐标系下,将上述各节点探测到的***震动信号初至波的加速度峰值转换为各节点相对于震源的方位角和俯仰角，并利用现有的DOA多点测向交叉定位算法确定震源位置；

(3)TDOA与DOA定位结果数据融合

将TDOA震源位置结果和DOA震源位置结果进行数据融合；采用现有的融合算法实现最终震源定位；其中：

TDOA为基于时间差定位法，主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位；

DOA为基于波到达方向定位法，主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位。