CN112731534A - 一种考虑p波初至***误差的双声发射事件联合定位方法、***、电子设备及可读介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法、***、电子设备及可读存储介质,所述方法首先建立P波走时‑传播距离关系方程;再由双差法消除发震时刻;进而将两声发射事件下相同传感器对应的方程相减,以消去P波初至***误差,再进一步获取大于7个传感器的P波初至数据组合,利用牛顿迭代算法求解每个传感器组合对应的定位点,进而得到多个定位点;最后提出一种基于距离的引力值来表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果。本发明所述方法考虑了P波初至***误差,且能实现双声发射事件同时定位,具有抗噪性强、定位精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于声发射监测领域,尤其是涉及一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法、***及可读存储介质。
背景技术
声发射定位常采用射线走时定位方法,即利用各传感器的观测数据和理论走时建立目标函数。传统的定位方法大多基于Geiger(1912)法发展而来,其实质是将非线性方程组线性化,并通过最小二乘法求解,而该方法受定位初始点的影响较大;进一步地,Waldhauser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,有效地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,并能有效减少由地壳结构复杂性引起的误差,为矿山井下微地震定位提供可靠结果。
基于走时的声发射定位精度与P波初至数据质量直接相关。Allen提出的长短时窗均值比法(STA/LTA法)应用广泛,其功能函数充分考虑了P波初至时振幅和频率的变化。Sleeman和van Eck假定P波初至前后为两种不同的状态,采用最大似然法推导出的自回归池赤准则(AR-AIC)法,在P波初至拾取中应用也非常广泛。基于高阶统计量的峰度、偏度函数的PAI-K/S法在P波初至拾取中也得到了较好应用。上述P波到时拾取方法均建立在波形不存在***观测误差的假定上,然而受到传感器与岩样的耦合状态、传感器的响应时间和校验水平等影响,使得传感器监测的波形到时存在与接收端结构有关的***误差;且传感器监测到的信号经放大器再传输至声发射数据预处理和存储***,各传感器的时间同步也可能存在一定的漂移。由此,可以推测每个声发射信号由于传感器所在位置的场地效应和设备响应等造成的P波初至时间***误差应该是存在的。
在多事件震源定位方面,1967年Douglas最先提出震源位置与台站校正的联合反演法(JED),可以反演出m个事件的震源位置及n个台站校正,即对每个台站引入“台站校正”,以弥补由速度模型简化所引起的误差,后来Dewey将其扩展成包括震源深度定位的JHD方法。为解决由于事件m和台站数n过多而导致矩阵过大的问题,1983年Pavlis和Booker提出参数分离的PMLE方法,并进一步被Pujol简化。我国王椿镛等根据昆明台网区域地震初至P波走时资料,用JHD和参数分离法,得到各台站P波走时的校正,并且定位精度有较大提高。1976年,Crosson首次提出震源位置与速度结构的联合反演理论(SSH),该方法不需要对波速进行校准,同时还可以获得有关速度结构的很多信息,是目前被广泛使用的一种定位方法。与JED方法相比,该方法未引入台站校正,而是将速度结构作为未知参数与震源同时反演。上述定位方法可能存在P波初至大拾取误差的影响,数据参数维度过高而难以准确定位等难题,且未见上述方法用于声发射事件定位中。
因此,如何消除传感器P波初至拾取***误差,降低P波初至大拾取误差的影响,进而提高声发射事件定位精度是亟需解决的。
发明内容
本发明公开了一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法、***及可读存储介质,该方法考虑了P波初至***误差,且能实现双声发射事件同时定位,具有抗噪性强、定位精度高等特点。
本发明提供了一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法,包括以下步骤:
步骤1:获取传感器数目M2大于7的P波初至数据组合,并以每两个传感器为一小组分别执行如下S1和S2得到M2-1个消除了发震时刻以及P波初至***误差的方程;
S1:以P波初至数据为基础,建立传感器与声发射事件之间考虑P波初至***误差的P波走时-传播距离关系方程;
S2:消除发震时刻以及P波初至***误差;
其中,将同一个声发射事件下两个传感器的对应方程相减消除发震时刻;将双声发射事件下相同传感器的对应方程相减消除P波初至***误差;
步骤2:基于步骤1得到的M2-1个方程反演出当前传感器组合下的双声发射事件的定位点。
本发明利用上述手段可以消除P波初至***误差的影响,进而提高了声发射事件定位精度,应当理解,本发明中消除发震时刻是利用同一个声发射事件下两个传感器的对应方程相减;消除P波初至***误差时,由于P波初至***误差是与传感器相关且与震源无关的,因此,若要消除P波初至***误差,则需要保持传感器不变的基础上,将两个震源的方程相减,进而消除了传感器对应的P波初至***误差。同时应当理解,可以选择先消除发震时刻再消除P波初至***误差,也可以选择先消除P波初至***误差再消除发震时刻。
可选地,步骤2的反演过程采用牛顿迭代算法计算双声发射事件的定位点,执行过程如下:
首先,将消除了发震时刻和P波初至***误差的M2-1个方程分别作为目标函数gi(X),i指传感器编号,X为双声发射事件的定位位置;
然后,构建目标函数gi(X)的雅克比矩阵;
最后,设定双声发射事件的定位点初始值为X1,并按照如下迭代公式进行迭代计算直至满足迭代要求,停止迭代,输出当前传感器组合下双声发射事件的定位点,迭代公式如下:
Xn=Xn-1-J-1g(Xn-1)
其中,Xn、Xn-1分别为迭代过程中第n次、第n-1次的定位点,J为雅克比矩阵,g(Xn-1)为第n-1次迭代中M2-1个目标函数构成的目标函数矩阵。
可选地,第i个和第1个传感器组合对应的目标函数gi(X)如下所示:
其中,(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)分别为双声发射事件中事件1、2的位置坐标,将(x01,y01,z01,x02,y02,z02)记为X=(x1,x2,x3,x4,x5,x6);(xi,yi,zi)、(x1,y1,z1)分别表示第i个、第1个传感器位置,vp为P波速度,ti1、ti2分别为第i个传感器拾取的双声发射事件中事件1、2的P波初至时刻,t11、t12分别为第1个传感器拾取的双声发射事件中事件1、2的P波初至时刻,构建的雅克比矩阵可表示为:
可选地,传感器总数记为M1,双声发射事件的最终定位点按照如下步骤确定:
求取M1个传感器中数目大于或等于M2的组合,并针对每一组合的传感器分别按照步骤1-步骤2所述的方法反演出一组定位点;
再基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果,其中,每得到一组定位点中每个声发射事件的位置分别作为一个定位点,
定位点i的引力值公式如下:
其中,针对同一声发射事件,k为与定位点i距离小于阈值d1的定位点个数;dij为定位点i与k个点中第j个点的欧式距离,ε为控制参数。
可选地,阈值d1的取值范围为5~15mm,控制参数ε的取值范围为10~30mm。
可选地,步骤1中构建的考虑P波初至***误差的P波走时-传播距离关系方程中,第i个传感器与双声发射事件中事件1的P波走时-传播距离关系方程如下:
其中,(xi,yi,zi)为第i个传感器位置坐标,(x01,y01,z01)为双声发射事件中事件1的位置坐标,vp为P波速度,t01为双声发射事件中事件1(x01,y01,z01)的发震时刻,ti1为第i个传感器拾取的双声发射事件中事件1(x01,y01,z01)的P波初至时刻,Ti为第i个传感器的P波初至***误差。
可选地,步骤S2中以第i个传感器与第1个传感器为一组时,消除发震时刻的公式如下;
消除P波初至***误差的公式如下:
式中,(x02,y02,z02)为双声发射事件中事件2的位置坐标,(x1,y1,z1)为第1个传感器位置坐标,t11为第1个传感器拾取的双声发射事件中事件1(x01,y01,z01)的P波初至时刻,ti2、t12分别为第i个、第1个传感器拾取的双声发射事件中事件2(x02,y02,z02)的P波初至时刻,T1为第1个传感器的P波初至***误差。
第二方面,本发明还提供一种基于上述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的***,包括:
P波走时-传播距离关系方程建立单元:用于建立P波走时-传播距离关系方程;
降维单元:消除发震时刻以及P波初至***误差;
定位模块:用于获取M2-1个消除了发震时刻以及P波初至***误差的方程,再基于M2-1个方程反演出当前传感器组合下的双声发射事件的定位点。
第三方面,本发明还提供一种电子设备,包括处理器和存储器,所述存储器存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行所述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的步骤。
第四方面,本发明还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执行所述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的步骤。
有益效果
1.本发明提供了一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法、***及可读存储介质,主要用于解决传感器P波拾取***误差影响声发射定位精度的问题以及P波初至数据拾取大误差影响声发射定位稳定性的问题。本发明通过双差法消除发震时刻,以及考虑到P波初至***误差是与传感器相关且与震源无关的,因此,若要消除P波初至***误差,则需要保持传感器不变的基础上,将两个震源的方程相减,进而消除了传感器对应的P波初至***误差,提高了声发射事件定位精度。
2.本发明在进一步的优选方案中利用牛顿迭代算法计算出震源位置,其中,消除了发震时刻和P波初至***误差的影响,同时也减少了未知数,使得未知数降维后的牛顿迭代法更易于求取较好的定位点,大大单次迭代定位结果不稳定的影响。
3.本发明在进一步的优选方案中根据传感器的多种组合得到多个震源定位结果,提出基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果,大大降低了P波初至大拾取误差的影响,进一步提高了声发射事件定位结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明所述方法流程图;
图2是声发射测试事件及各传感器位置坐标图;
图3是各传感器所加P波初至时间噪声与***误差点线图;
图4是牛顿迭代法求解大于6个传感器的组合对应方程组得到的定位点图,其中,图4(a)、图4(b)分别对应事件1、事件2;
图5是双声发射事件定位结果图,其中,图5(a)、图5(b)分别对应事件1、事件2。
具体实施方式
本发明提供的一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法,考虑了P波初至***误差,且利用双声发射事件有效的消除了发震时刻和P波初至***误差的影响,未知数降维后的牛顿迭代法更易于求取较好的定位点。此外,为了进一步提高定位精度,选取P波初至组合数据进行反演,可大大降低P波初至拾取误差和单次迭代定位结果不稳定的影响,进而获得多个组合对应的多个定位点,再用一种基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果,从而得到可靠性高的定位结果。
下述以双声发射事件为例对本发明的技术方案进行阐述:
首先以P波初至数据为基础,建立P波走时-传播距离关系方程。具体如下:
设定双声发射事件中事件1,2的位置分别为(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02),发震时刻分别为t01、t02,第i个传感器的P波初至***误差为Ti,P波速度为常值vp,由此声发射事件P波传播距离和时间的关系可表示为:
其中,i为传感器编号(i=1,2,…,M1),M1为传感器总个数,(xi,yi,zi)为第i个传感器位置坐标,ti1、ti2为第i个传感器拾取的双声发射事件中事件1,2的P波初至时刻,两个声发射事件反演时的未知数个数为8+M1个。
然后,利用双差法消除事件1、2的发震时刻t01、t02时,使用每个传感器对应的P波传播距离和时间关系方程((i=2,3,…,M1)与第一个传感器对应的方程相乘相减:
从上述公式(3)和公式(4)可知,将由发震时刻仅仅与声发射事件有关,因此,将同一个声发射事件对应的两个传感器的方程求差即可消除发震时刻。
然后,将两声发射事件下相同传感器对应的方程相减,消去P波初至***误差Ti,得到6个参数(x01,y01,z01,x02,y02,z02)方程组的方法为:使用式(4)减去式(3):
从上述公式(5)可知,为了消除传感器对应的P波初至***误差,在相同传感器的基础上,使用2个震源的方程相减可以消除P波初至***误差。
再然后,利用牛顿迭代算法求解每个传感器组合对应的定位点,实施方式为:
当震源个数为2时,M2大于或等于7。
进一步可得到牛顿迭代过程的(x1,x2,x3,x4,x5,x6)参数为:
其中,X1为人为设定的初始值,常取目标范围的中心点;当Xn=Xn-1时,终止迭代。使用Xn对应的参数作为该P波数据下的定位点。本实施例中,迭代终止条件为Xn=Xn-1;其他可行的实施例中,还可以设置迭代次数或其他条件,或者Xn与Xn-1的差值在一定误差范围。
需要说明的是,在解决了P波初至***误差的基础上构建出上述目标函数gi(x01,y01,z01,x02,y02,z02)后,本实施例中优选牛顿迭代方法计算震源位置,但是本发明也不局限于此手段,基于多组目标函数可以反演出震源位置的技术手段都属于本发明的保护范围之内。
应当理解,当震源个数为2时,上述M2大于或等于7,即需要至少6组传感器的数据参与上述公式(1)-公式(7)的计算。那么针对所有传感器,以M2为一组进行分组,可以有多种可能,如而每一组传感器按照上述公式(7)可以得到一组定位点,进而得到多组定位点,为了从中选择出可靠性最高的定位点,本发明在上述基础上还提出了一种基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果。定位点i的引力值定义如下:
其中,针对同一震源,k为与定位点i距离小于阈值d1的定位点个数,d1取5~15mm;dij为定位点i与这k个点中第j个点的欧式距离;ε为控制个别距离很小点影响的参数,取10~30mm。
需要说明的是,本实施例中优选是基于距离的引力值方法确定定位点,但是其他可行的方式中,不进行多组计算也属于本发明的保护方案,只是其定位精度低于上述基于距离的引力值方法确定的定位点的精度。
基于上述技术方案的阐述,本实施例中以双声发射事件为例进行如下说明:如图1所示,本实施例的一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法,包括以下步骤:
步骤1:以P波初至数据为基础,建立关于双声发射事件的P波走时-传播距离关系方程;
步骤2:由双差法消除事件1、2的发震时刻t01、t02;
步骤3:将两声发射事件相同传感器对应的方程相减,以消去P波初至***误差Ti,得到关于两声发射事件三维震源位置的6参数方程组;
步骤5:利用牛顿迭代算法求解每个传感器组合对应的定位点,进而得到多个定位点;
步骤6:基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果。
在一些可行的方式中,本发明还提供一种基于上述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的***,包括:
P波走时-传播距离关系方程建立单元:用于建立P波走时-传播距离关系方程;
降维单元:消除发震时刻以及P波初至***误差。降维单元的具体操作可以参照前述方法的对应步骤。
其中,每两个传感器为一组得到了一个消除发震时刻以及P波初至***误差的方程;
定位模块:用于获取M2-1个消除了发震时刻以及P波初至***误差的方程,再基于M2-1个方程反演出双声发射事件的定位点。
在一些实施例中,定位模块是以牛顿迭代算法计算出震源位置。在一些实施例中,所述***还包括精确定位单元,精确定位单元用于基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,并以引力值最大的点作为定位结果。
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***,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。
第三方面,本发明还提供一种电子设备,包括处理器和存储器,所述存储器存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行所述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的步骤。
其中,各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的内容。
第四方面,本发明还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执行所述考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法的步骤。
其中,各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的内容。
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。
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。
数据验证
图2是声发射测试事件及各传感器位置坐标图。图中三角形代表12个传感器;五角星为两个声发射测试事件。其中,事件1的位置坐标(X1,Y1,Z1)为(30,20,65)mm,事件2的位置坐标(X2,Y2,Z2)为(50,15,15)mm,各传感器的位置坐标如表1所示。设定P波传播速度为3.6mm/us,由传播距离和速度易得各传感器接收信号的P波传播时间。P波传播时间具体数值如表1所示。
表1声发射测试事件、各传感器位置坐标及P波传播时间
图3是各传感器加噪声与***误差点线图。考虑到实际情况中P波初至数据拾取存在大误差影响,传感器***观测误差的存在以及人为主观性存在误差等,我们对事件1与事件2的各传感器增加了随机误差以及传感***误差,即1us的高斯分布噪音作为随机噪声,满足2us的高斯分布噪音后再取其绝对值作为***误差,进而模拟实际情况。事件1与事件2中各传感器具体增加误差数值如表2所示。
表2P波初至拾取误差与***误差
传感器编号 | 事件1随机误差 | 事件2随机误差 | ***误差 |
1 | -0.6657 | -0.6073 | 2.0362 |
2 | -0.7396 | 0.4257 | 2.2732 |
3 | -0.8282 | -0.3624 | 2.2294 |
4 | -0.5168 | -0.5445 | 1.1767 |
5 | -1.2513 | -0.3969 | 1.9664 |
6 | 0.2321 | -0.6740 | 0.5136 |
7 | 0.0100 | -0.8101 | 2.1181 |
8 | -0.2600 | 1.0130 | 0.0955 |
9 | -0.2674 | 0.5777 | 0.8308 |
10 | -0.6491 | -0.0962 | 0.1385 |
11 | 0.2593 | -0.8786 | 0.2914 |
12 | -0.3166 | -0.6827 | 2.4704 |
图4是牛顿迭代法求解大于6个传感器的组合对应的方程组结果图。图4(a)、图4(b)中三角形均代表12个传感器,五角星分别为声发射试验测试事件1(30,20,65)、事件2(50,15,15)位置,图中圆点为牛顿迭代法求解得到的每个传感器组合对应的定位点。定位点分布密集,大多接近于测试事件1、2的位置,可知牛顿迭代法求解未知数降维后的函数式易于求得较好的定位点。选取的P波初至组合数据进行反演,可以有效的获得多个组合对应的多个定位点,且定位点分布聚集区接近于真实事件位置。
图5是双声发射事件定位结果图。图5(a)、图5(b)中三角形均代表12个传感器,五角星分别为声发射试验测试事件1(30,20,65)mm、事件2(50,15,15)mm原始位置,用一种基于距离的引力值方法表征单个定位点周围的点密度,点密度通过图中颜色深浅来表征,颜色越浅,表征单个定位点周围的引力值较小,颜色越深引力值越大。因此,以引力值最大的点作为事件1的定位结果(30.44,19.38,65.05)mm,事件2的定位结果(48.97,14.70,14.84)mm。计算得事件1与事件2的定位误差分别为0.76mm、1.08mm,定位误差很小。由此可以看出,本发明提出的一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法具有很好的定位精度,值得推广。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详尽的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释,实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制,在不背离本发明的精神和范围的情况下,任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变,均落在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种考虑P波初至***误差的双声发射事件联合定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:获取传感器数目M2大于或等于7的P波初至数据组合,并以每两个传感器为一小组分别执行如下S1和S2得到M2-1个消除了发震时刻以及P波初至***误差的方程;
S1:以P波初至数据为基础,建立传感器与声发射事件之间考虑P波初至***误差的P波走时-传播距离关系方程;
S2:消除发震时刻以及P波初至***误差;
其中,将同一个声发射事件下两个传感器的对应方程相减消除发震时刻;将双声发射事件下相同传感器的对应方程相减消除P波初至***误差;
步骤2:基于步骤1得到的M2-1个方程反演出当前传感器组合下的双声发射事件的定位点。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2的反演过程采用牛顿迭代算法计算双声发射事件的定位点,执行过程如下:
首先,将消除了发震时刻和P波初至***误差的M2-1个方程分别作为目标函数gi(X),i指传感器编号,X为双声发射事件的定位位置;
然后,构建目标函数gi(X)的雅克比矩阵;
最后,设定双声发射事件的定位点初始值为X1,并按照如下迭代公式进行迭代计算直至满足迭代要求,停止迭代,输出当前传感器组合下双声发射事件的定位点,迭代公式如下:
Xn=Xn-1-J-1g(Xn-1)
其中,Xn、Xn-1分别为迭代过程中第n次、第n-1次的定位点,J为雅克比矩阵,g(Xn-1)为第n-1次迭代中M2-1个目标函数构成的目标函数矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:阈值d1的取值范围为5~15mm,控制参数ε的取值范围为10~30mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述方法的***,其特征在于:包括:
P波走时-传播距离关系方程建立单元:用于建立P波走时-传播距离关系方程;
降维单元:消除发震时刻以及P波初至***误差;
定位模块:用于获取M2-1个消除了发震时刻以及P波初至***误差的方程,再基于M2-1个方程反演出当前传感器组合下的双声发射事件的定位点。
9.一种电子设备,其特征在于:包括处理器和存储器,所述存储器存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种可读存储介质,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执行权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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