一种声发射源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种声发射源定位方法及系统，在监测系统中布置n+1个不共面的声发射传感器，其中n≥5；将其中一个声发射传感器作为参考传感器S

An acoustic emission source location method and system

【技术实现步骤摘要】
一种声发射源定位方法及系统
本专利技术涉一种声发射源定位方法及系统。
技术介绍
声发射定位技术在岩石力学领域有着广泛的应用，精确确定声发射源位置对岩体损伤与裂纹扩展机理的研究以及岩爆发生位置的确定是至关重要的。为了提高声发射源定位精度，学者们提出了许多定位方法，但这些方法大多需要预先给定介质波速，大量实验和工程实践表明测量得到的介质波速往往与真实波速之间存在较大的偏差。比如在岩石力学测试过程中，随着加载过程中裂纹、空隙的不断扩展与贯通，介质平均波速也将不断地发生明显变化，特别是在测试后期，介质波速与预先测定的波速之间将存在巨大的误差。此外，在动态采矿开采过程中，由于巷道掘进、爆破振动等的影响，介质平均波速也将实时发生变化，并且预先爆破的地点不一定恰巧在真实岩爆发生的位置，因此预先测量的波速将存在较大的误差并最终影响定位结果的精度。介于波速测量误差对定位精度的严重影响，近年来学者们提出了未知波速体系下声发射源定位方法，可以分为迭代和解析定位方法两种。由于无需预先测定波速，这些方法一定程度上提高了声发射源定位的精度。然而，他们仍然受到诸多因素的影响，其中迭代定位方法由于需要预先给定较为精确的迭代初值，从而大大限制了其应用，如果初值给定偏差较大，该方法很容易造成迭代不收敛或者收敛速度慢的现象。解析定位方法虽然可以避免上述问题，但仅适用于固定几何形状的声发射源定位问题，传感器需放置在特定位置，且定位精确并不高。为解决上述问题，有必要提供一种能进一步提高定位精度的声发射源定位方法。
技术实现思路
<br>本专利技术所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种声发射源定位方法及系统，易于实现，定位精度和计算效率高。本专利技术所提供的技术方案为：一种声发射源定位方法，包括以下步骤：在监测系统中布置n+1个不共面的声发射传感器(n+1个声发射传感器只需不全部共面，布置位置任意)，其中n≥5；将其中一个声发射传感器作为参考传感器S0，其坐标记为(x0,y0,z0)；另外n个声发射传感器Si的坐标记为(xi,yi,zi)，i＝1,2,…,n；记录n+1个声发射传感器接收到声发射信号的时间；将第i个声发射传感器Si接收到声发射信号的时间与声发射信号的触发时间之差(声发射源到声发射传感器Si的走时)记为ti，i＝0,1,2,…,n；构建以下线性方程组：其中，Li＝xi2+yi2+zi2-x02-y02-z02，(x,y,z)为声发射源的坐标，V和K为附加变量，V＝v2，K＝t0V，v为介质平均波速；Δti＝ti-t0；以线性方程组中各方程残差的平方和最小为目标，构建目标函数；求解目标函数，得到声发射源的坐标(x,y,z)，将其作为定位结果。进一步地，所述目标函数包括第一目标函数，第一目标函数为：其中，ε为误差向量，待求解的变量求解第一目标函数，得到关于θ的普通最小二乘解θ(0)：θ(0)＝(ATA)-1ATL其中，矩阵右上角符号T和-1分别表示对矩阵转置以及对矩阵求逆；根据θ(0)中的前三个元素确定声发射源的坐标(x,y,z)，将其作为初步定位结果。进一步地，所述目标函数包括第二目标函数，第二目标函数为：其中，W为权重矩阵，W≈(V2BQB)-1，矩阵Q＝diag(0.5)+0.5，矩阵diag(·)函数表示生成一个以括号内元素为主对角线元素，不在主对角线上元素全为0的n阶方阵；{·}o表示变量{·}的不含有噪音干扰的值，并且表示θ(0)的第j个元素，j＝1,2,3,4；求解第二目标函数，得到关于θ的无约束加权最小二乘解，记为θ(1)：θ(1)＝(ATWA)-1ATWL；根据θ(1)的前三个元素确定声发射源的坐标(x,y,z)，将其作为定位结果。进一步地，所述目标函数包括第三目标函数，第三目标函数为：其中，ε′是一个表示θ(1)不准确度的变量，θ′为与声发射参数相关的一个待求参数，表示θ(1)的第j个元素，j＝1,2,3,4,5；W′为权重矩阵，W′＝(4B′CΔθB′)-1，并且其中xo、yo、zo、Ko和Vo分别用和近似；CΔθ为声发射参数的协方差矩阵，CΔθ＝(ATWA)-1；求解第三目标函数，得到关于θ′的加权最小二乘解：θ′＝(A′TW′A′)-1A′TW′L′根据θ′求得修正后的声发射参数θ(2)：其中，表示θ(2)的第j个元素，θj′表示θ′的第j个元素，j＝1,2,3,4,5；根据θ(2)的前三个元素确定声发射源的坐标(x,y,z)的最优解，将其作为最终的定位结果。本专利技术还公开了一种声发射源定位系统，包括数据处理模块；数据处理模块采用上述的定位方法，基于各个声发射传感器的坐标和它们接收到声发射信号的时间计算声发射源坐标(x,y,z)，实现声发射源的定位。进一步地，还包括在监测系统中布置的n+1个不共面的声发射传感器，其中n≥5。---------------------------------------------------------------------以下对上述方法原理进行进一步说明。1.将非线性方程化为线性设声发射源位置为(x,y,z)，该声发射源被n+1个传感器所包围，他们的坐标为Si(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n。声发射源的控制方程为：公式(1)为非线性方程组，其中v为介质平均波速，t0为声发射源到参考传感器S0的走时；Δti为传感器Si(i＝1,2,…,n)与参考传感器S0之间接收到声发射信号的时间差，即到时差，Δti＝ti-t0，ti为声发射源到传感器Si的走时，i＝1,2,…,n，当i＝0时，Δti＝0。方程两边同时乘以v，然后平方，得到：(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2＝v2(Δti+t0)2,i＝0,1,…,n(2)将i>1的方程减去i＝1的方程，可得：其中，Li＝xi2+yi2+zi2-x02-y02-z02，V＝v2，K＝t0V，n≥6。附加变量V，K使得(3)式成为一个线性方程组。但是x,y,z,V,K五个声发射参数仍然受到公式(2)中i＝0的方程约束，即：接下来将对声发射源坐标进行求解，由于TDOA定位测量值误差的影响(假设误差服从高斯分布)，公式(3)左右两侧不可能完全相等，它们之间的差值用ε来表示，并写作矩阵形式：ε＝Aθ-L(5)其中,虽然可以通过上式直接求得关于θ的普通最小二乘解：θ(0)＝argminεTε＝(ATA)-1ATL(6)但是方程组中声发射参数(x,y,z,V,K)中五个未知参数仍然受到公式(4)的约束。接下来，我们将讨论如何求解线性方程组(5)的加权最小二乘解，以及如何嵌入公式(4)的约束关系，从而得到更加精确的未知本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声发射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n在监测系统中布置n+1个不共面的声发射传感器，其中n≥5；/n将其中一个声发射传感器作为参考传感器S

【技术特征摘要】
1.一种声发射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
在监测系统中布置n+1个不共面的声发射传感器，其中n≥5；
将其中一个声发射传感器作为参考传感器S0，其坐标记为(x0,y0,z0)；另外n个声发射传感器Si的坐标记为(xi,yi,zi)，i＝1,2,…,n；
记录n+1个声发射传感器接收到声发射信号的时间；将第i个声发射传感器Si接收到声发射信号的时间与声发射信号的触发时间之差记为ti，i＝0,1,2,…,n；
构建以下线性方程组：



其中，Li＝xi2+yi2+zi2-x02-y02-z02，(x,y,z)为声发射源的坐标，V和K为附加变量，V＝v2，K＝t0V，v为介质平均波速；Δti＝ti-t0；
以线性方程组中各方程残差的平方和最小为目标，构建目标函数；
求解目标函数，得到声发射源的坐标(x,y,z)，将其作为初步定位结果。


2.根据权利要求1所述的声发射源定位方法，其特征在于，所述目标函数包括第一目标函数，第一目标函数为：



其中，ε为误差向量，待求解的变量
求解第一目标函数，得到关于θ的普通最小二乘解θ(0)：
θ(0)＝(ATA)-1ATL
其中，矩阵右上角符号T和-1分别表示对矩阵转置以及对矩阵求逆；
根据θ(0)中的前三个元素确定声发射源的坐标(x,y,z)，将其作为定位结果。


3.根据权利要求2所述的声发射源定位方法，其特征在于，所述目标函数包括第二目标函数，第二目标函数为：



其中，W为方程权重，W≈(V2BQB)-1，矩阵Q＝diag(0.5)+0.5，矩阵diag(·)函数表示生成一个以括号内元素为主对角线元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：周子龙，芮艺超，周静，蔡鑫，程瑞山，臧海志，陆建友，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43