本发明专利技术公开了一种用于均匀速度场的信号源定位方法，该方法先用两个传感器对的理论到时与观测到时的残差方程，构建信号源位置的双曲面方程，再根据每个双曲面方程构建一个局部坐标系内的虚拟场，然后利用坐标转换技术将所有的双曲面方程在空间内叠加并取平均，得到整体的虚拟场，最后利用常用的无约束最优化算法搜索空间内整体虚拟场的最大值所在的位置，作为信号源的定位结果。所提出的作为整体虚拟场的目标函数具有空间内的连续性和可微性，由此而得到的定位方法对严重的拾取误差有很好的抵抗性，同时具有定位速度快，稳定性好的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
信号源定位技术是地震定位、微震监测、声发射定位等诸多领域中的一个关键技 术问题，不仅在天然地震，矿山安全监测中起到重要作用，还在边坡稳定性监测、无损探伤 等领域扮演至关重要的角色。在信号源定位技术中，利用拾取信号到时数据的定位技术由 于操作简便，数据可靠性强，是最为广泛应用的技术手段之一。 利用到时数据的信号源定位技术一般采用正演模型和迭代技术确定一个目标函 数，该目标函数的最小值所在的位置即为信号源的空间坐标。在采用这种定位技术的实时 监测系统中，为了能得到有用的分析数据，必须要求能给出足够准确的定位结果。另一方 面，在实际应用中由于现场环境的因素以及数据量庞大的特点，手工拾取难以胜任处理效 率的需求，因此往往采用自动拾取程序。然而，现场由于噪音的影响以及信号传播过程中的 衰减，导致接受到的信号很大部分是低信噪比数据，这严重挑战了自动拾取程序的可靠性， 自动拾取得到的到时数据中经常夹杂着严重的拾取误差乃至拾取错误。传统的利用到时数据的定位技术一般将观测到到时与理论到时进行残差定义，以 此得到一个目标函数，然后利用最优化技术求解该目标函数的最优值以确定信号源。一阶 范数和二阶范数是被用来定义目标函数最常用的方法。二阶范数法包括最常用的Geiger方 法，一阶范数的典型代表为Prugger和Gendzwi 11提出的单纯形法。尽管这些方法在天然地 震中得到了广泛的应用，但是这些方法对到时的拾取误差灵敏性很大，少量的拾取错误会 导致完全错误的定位结果。虽然有研究表明，一阶范数相对于二阶范数来说具有较好的抗 拾取误差能力，但是这两种方法都属于回归类方法，终究不能彻底避免拾取误差的影响，尤 其是当触发传感器数量较少时。 为了适应于目前的状况，发展一种对拾取误差不灵敏的信号源定位方法具有很大 的实际应用价值，尤其适用于数据量较大的实时、自动的定位监测系统。
技术实现思路
本专利技术提供了，其目的在于，克服现有技 术中台站的测量到时存在部分输入错误时，信号源定位无法求解的问题。 -种用于均匀速度场的信号源定位方法，首先，利用一组速度传感器对采集的信 号源相同震相的理论到时与观测到时的残差数据，构建信号源位置的双曲面方程;利用双 曲面方程构建一个局部坐标系内的虚拟场;再采用坐标转换将虚拟场变换到整体坐标系 中，获得整体虚拟场;最后，利用无约束最优算法搜索空间内整体虚拟场中的最大值，将该 最大值作为信号源的定位结果。 所述整体虚拟场为信号源定位的目标函数，具体表达式如下： 其中，η为该事件触发的速度传感器数量，，Εχρ表示以e为 底的指数，Cllj表示局部坐标内空间点(X，Y，Z)到所述信号源位置的双曲面方程中双曲线的Z 所述双曲面方程在局部坐标系中的表达式为 m，yi ,Zi和Xj，yj ,Zj分别代表第i个和 第j传感器坐标，ti和tj代表第i个和第j传感器的到时，V代表信号的传播速度。 所述局部坐标系OXYZ是以两个传感器的连线为Z轴所建立获得的，（X，Y，Z)为局部 坐标系中双曲面上的任意点坐标。 所述局部坐标系内的虚拟场称为基函数，该函数值随着离双曲面的距离增加而呈 现递减的形状，基函数在双曲面上的值为1，在离双曲面无穷远处的值为〇,并且该函数在全 空间内连续。 所述将虚拟场变换到整体坐标系中所采用的坐标变换是将所有经过坐标变换的 基函数在整体坐标系内相加后，再取平均值，变换关系如下：其中，（X，y，ζ)为整体坐标系中的空间任意点坐标。 在利用无约束最优算法搜索空间内整体虚拟场中的最大值时，多次随机选择初始 点，取每次搜索的最大值最为最终结果。 所述搜索终止条件包括两种，分别为SC-A和SC-B; 所述SC-A是指当目标值超过设定的阈值时，终止搜索，取单次搜索结果作为最终 信号源位置； 所述SC-B是指随机改变初始值次数为设定改变次数，取其中的最佳接作为最终的 信号源坐标。 所述搜索终止条件SC-A中，当目标值超过设定的阈值为其中k为容错值，取值满足，n为该事件触发的速度传感器数量。 所述搜索终止条件SC-B中设定改变次数取值为30-50次。有益效果 本专利技术提供了，该方法先用两个传感器对 的理论到时与观测到时的残差方程，构建信号源位置的双曲面方程，再根据每个双曲面方 程构建一个局部坐标系内的虚拟场，然后利用坐标转换技术将所有的双曲面方程在空间内 叠加并取平均，得到整体的虚拟场，最后利用常用的无约束最优化算法搜索空间内整体虚 拟场的最大值所在的位置，作为信号源的定位结果。所提出的作为整体虚拟场的目标函数 具有空间内的连续性和可微性，由此而得到的定位方法对严重的拾取误差有很好的抵抗 性，同时具有定位速度快，稳定性好的特点。对拾取误差有极强的抗干扰性，在到时数据中 包含严重的误差的情况下仍能得到稳定的定位结果。本专利技术的方法与传统的四种方法相 比，稳定性非常显著，证明本专利技术特别适合于实时自动的监测系统，较好的解决了在微震定 位、声发射定位等领域中拾取误差过大导致定位结果不稳定、定位失败的技术问题。【附图说明】 图1是以本专利技术的原理说明图，其中，（a)为在空间内搜索双曲线(面)共同焦点的 原理图，（b)为基函数的截面形状图； 图2是为本专利技术所述的定位方法的算法实现流程图； 图3是本专利技术所提出的目标函数与传统的四种定位目标函数对一系列含有严重拾 取误差的事件的定位结果比较。【具体实施方式】下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。均匀场中的源定位问题在数学上从本质上来讲是求解一个方程组问题，见式（1)。 当接收到的传感器（台站）的数量多于未知数的数量时，该方程组为超静定的。求解这类超 静定方程组的最常用思路是将每个方程的右边与左边作差，再求平方和或绝对值和的最小 值。这样，就可以将求解方程组转换成一个最优化问题。用这种思路的本质是在空间上找到 一个点，这个点使台站的测量到时与模型的计算到时的差距最小。然而，这样做的一个致命 缺点是，当台站的测量到时存在部分输入错误时（主要为错误的到时拾取引起），这种方法 的解将可能彻底失去意义。式中，Xi, yi, Zi代表传感器坐标，XQ, yo, ZQ代表待求的信号源的坐标，ti代表第i个 传感器的到时，to代表事件发生时刻，V代表信号的传播速度。本专利技术不再以寻求台站计算到时和测量到时的差距最小为目的，而是以寻找空间 上最多双曲面经过的位置为目的，见图1(a)。两个传感器（台站)提供的信息可以将震源确 定在一个双曲面(二维定位问题为当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于均匀速度场的信号源定位方法，其特征在于，首先，利用一组速度传感器对采集的信号源相同震相的理论到时与观测到时的残差数据，构建信号源位置的双曲面方程；利用双曲面方程构建一个局部坐标系内的虚拟场；再采用坐标转换将虚拟场变换到整体坐标系中，获得整体虚拟场；最后，利用无约束最优算法搜索空间内整体虚拟场中的最大值，将该最大值作为信号源的定位结果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李夕兵，王泽伟，董陇军，尚雪义，张楚旋，周勇勇，刘栋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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