本發(fā)明涉及震源定位
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是指一種基于反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的微地震/地震震源快速定位方法。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度不斷加快，相應(yīng)的巖土工程安全問題也不斷出現(xiàn)。尤其在采礦、隧道掘進(jìn)及深部硐室開挖等巖體工程領(lǐng)域，沖擊地壓、巖爆等突發(fā)性動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。雖然這些突發(fā)性災(zāi)害一般在發(fā)生前有一定征兆，但是由于缺乏準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)，往往給人員財(cái)產(chǎn)造成重大損失。在礦山、隧道掘進(jìn)、深部硐室開挖等巖體工程中，采掘活動(dòng)會(huì)引起巖體內(nèi)局部區(qū)域的變形或破裂，導(dǎo)致應(yīng)變能迅速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，這種現(xiàn)象被稱為微地震。由于微地震是巖體變形、裂紋開裂及擴(kuò)展過程的伴生現(xiàn)象，它與圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為有著密切的相關(guān)性，因此，微地震震源信號(hào)中包含了大量的關(guān)于圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過程的有用信息，可據(jù)此推斷巖石材料的力學(xué)行為，預(yù)測圍巖結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞。近年來對圍巖遠(yuǎn)場致災(zāi)動(dòng)載源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警的微震監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖體工程領(lǐng)域，其是對巖爆、沖擊地壓以及采空區(qū)垮塌等災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)的最有效的監(jiān)測方法之一。微震震源定位是微震監(jiān)測技術(shù)的核心，能否進(jìn)行快速、精確的定位是微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的微震定位方法大多涉及迭代求解時(shí)間函數(shù)的最優(yōu)值問題，但在數(shù)據(jù)量龐大的情況下，迭代過程會(huì)浪費(fèi)大量寶貴的動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測預(yù)警時(shí)間，因此對震源的快速、精確求解是微震定位算法的努力方向。同時(shí)，傳統(tǒng)的定位理論一般假設(shè)波速為常量或者分段函數(shù)，但是現(xiàn)實(shí)地質(zhì)條件下的速度場往往十分復(fù)雜，而速度模型的精確與否直接決定了微地震事件定位的精度?；诖耍景l(fā)明提出一種基于反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的微地震震源快速定位方法，適用于復(fù)雜速度模型的快速定位。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的微地震/地震震源快速定位方法，通過預(yù)先對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行數(shù)值建模及網(wǎng)格劃分，并布設(shè)傳感器，利用傳感器反時(shí)矩陣建立特征震源點(diǎn)反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫的快速匹配特點(diǎn)對實(shí)際震源進(jìn)行定位，同時(shí)通過提高網(wǎng)格劃分密度，可達(dá)到快速、精確定位的目的，并適用于復(fù)雜速度模型。本發(fā)明方法的具體步驟為：a.在被監(jiān)測區(qū)域布設(shè)1個(gè)以上的傳感器，ti(i＝1,2,...,n)表示第i個(gè)傳感器，傳感器ti的位置坐標(biāo)為(xi,yi,zi)；b.對被監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行數(shù)值建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為代表該位置的特征震源點(diǎn)si(i＝1,2,...,n)，特征震源點(diǎn)si位置坐標(biāo)為(xoi,yoi,zoi)；c.離散化速度模型，取步驟b中每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)波速的倒數(shù)建立慢度模型矩陣r(x,y,z)；d.以每個(gè)傳感器為反時(shí)震源點(diǎn)，運(yùn)用快速搜索法進(jìn)行反時(shí)定位計(jì)算特征震源點(diǎn)si反時(shí)到時(shí)矩陣ni；e.針對每個(gè)特征震源點(diǎn)si建立反時(shí)到時(shí)差矩陣fni，進(jìn)而建立特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫；f.利用波形信息采集系統(tǒng)，對傳感器接收到的波形信號(hào)提取震源波到達(dá)各個(gè)傳感器的到時(shí)時(shí)間；g.計(jì)算任意兩傳感器的到時(shí)差，建立震源到時(shí)差矩陣，并與特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配搜索，對震源進(jìn)行實(shí)時(shí)快速定位。其中，本發(fā)明方法中所布設(shè)傳感器為檢波器。上述步驟d中，運(yùn)用快速搜索法(fsm)計(jì)算反時(shí)到時(shí)矩陣具體如下：該方法對于解決彈性波傳播問題，運(yùn)用程函方程(eikonalequation)將傳播路徑幾何化。程函方程基本形式如下：|▽u(x)|＝r(x)，x∈rnu(x0)＝0，x0∈rn其中，r(x)為介質(zhì)模型慢度；u(x0)＝0為初始條件；u(x)＝φ(x)為邊界條件。對于任一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)即特征震源點(diǎn)到時(shí)值u(x,y,z)，取相鄰節(jié)點(diǎn)到時(shí)值進(jìn)行逆風(fēng)差分，即滿足如下公式：(a)+＝max(a,0)其中：對于上式進(jìn)行高斯迭代求解，迭代次數(shù)較多，計(jì)算效率低下，故提出如下算法：⑴在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處對到時(shí)u(x,y,z)賦極大值；⑵設(shè)定初始條件、邊界條件、速度模型等；⑶運(yùn)用逆風(fēng)差分法進(jìn)行一次迭代，通過r3次搜索計(jì)算得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處最優(yōu)解(最小值)；具體差分算法：①令ux,min，uy,min，uz,min按照從大到小排列為w≤v≤u，迭代后節(jié)點(diǎn)到時(shí)更新值為u*，現(xiàn)只考慮等網(wǎng)格劃分模型，網(wǎng)格長度h＝dx＝dy＝dz。②令u*＝w+r(x,y,z)*h，若u*≤v，u*即為迭代更新值，否則③若u*≤u，u*即為迭代更新值，否則④進(jìn)行下一次迭代直到符合收斂條件。步驟e中，反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的建立原理如下：對傳感器ti，運(yùn)用反時(shí)定位法，計(jì)算出模型中各個(gè)特征震源點(diǎn)的反時(shí)到時(shí)矩陣ni，然后將n個(gè)反時(shí)到時(shí)矩陣按照順序相互做差得到個(gè)反時(shí)到時(shí)差矩陣fni，將每個(gè)特征震源點(diǎn)信息及其對應(yīng)的反時(shí)到時(shí)差從個(gè)反時(shí)到時(shí)差矩陣提取出形成一個(gè)數(shù)列錄入數(shù)據(jù)庫，建立特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫。步驟g中震源到時(shí)差矩陣與特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的匹配采用相似度匹配搜索法，相似度高的特征震源點(diǎn)確認(rèn)為該震源的實(shí)際位置。本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：本發(fā)明基于數(shù)據(jù)庫快速匹配搜索的特點(diǎn)，在實(shí)際微震監(jiān)測工程中，根據(jù)傳感器位置，事先建立特征震源點(diǎn)反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫，無需對震源進(jìn)行函數(shù)優(yōu)化迭代求解，因此極大縮減了震源定位所需時(shí)間，同時(shí)，可利用根據(jù)鉆孔，勘察等信息建立的復(fù)雜速度模型計(jì)算到時(shí)，極大地提高定位精度。故可快速、有效地進(jìn)行巖體工程動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警，給工作人員及設(shè)備提供一定有效安全保障。附圖說明圖1為本發(fā)明的基于反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的微地震/地震震源快速定位方法實(shí)施例模型示意圖；圖2為監(jiān)測區(qū)域模型網(wǎng)格劃分示例，網(wǎng)格數(shù)為10*10*10，網(wǎng)格邊長為1m；圖3為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)速度模型(以10*10*10網(wǎng)格數(shù)模型為例)；圖4為不同網(wǎng)格密度下定位誤差對比圖；圖5為不同網(wǎng)格密度下本發(fā)明方法計(jì)算耗時(shí)對比圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明提供一種基于反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫的微地震/地震震源快速定位方法。本方法主要包括如下步驟：a.在被監(jiān)測區(qū)域布設(shè)1個(gè)以上的傳感器，ti(i＝1,2,...,n)表示第i個(gè)傳感器，傳感器ti的位置坐標(biāo)為(xi,yi,zi)；b.對被監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行數(shù)值建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為代表該位置的特征震源點(diǎn)si(i＝1,2,...,n)，特征震源點(diǎn)si位置坐標(biāo)為(xoi,yoi,zoi)；c.離散化速度模型，取步驟b中每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)波速的倒數(shù)建立慢度模型矩陣r(x,y,z)；d.以每個(gè)傳感器為反時(shí)震源點(diǎn)，運(yùn)用快速搜索法進(jìn)行反時(shí)定位計(jì)算特征震源點(diǎn)si反時(shí)到時(shí)矩陣ni；e.針對每個(gè)特征震源點(diǎn)si建立反時(shí)到時(shí)差矩陣fni，進(jìn)而建立特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫；f.利用波形信息采集系統(tǒng)，對傳感器接收到的波形信號(hào)提取震源波到達(dá)各個(gè)傳感器的到時(shí)時(shí)間；g.計(jì)算任意兩傳感器的到時(shí)差，建立震源到時(shí)差矩陣，并與特征震源點(diǎn)si的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配搜索，對震源進(jìn)行實(shí)時(shí)快速定位。在實(shí)際操作過程中，具體步驟如下：(1)為驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型如圖1所示，監(jiān)測區(qū)域復(fù)雜速度模型如圖3所示，假定有8個(gè)傳感器t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8分別安裝于立方體八個(gè)頂點(diǎn)位置，模擬實(shí)測震源p1，p2，p3，p4，p5，p6，各點(diǎn)位置坐標(biāo)如表1和表2所示。表1傳感器x/my/mz/mt110010t2101010t31000t41000t50010t601010t7000t80100表2實(shí)測震源x/my/mz/mp18.31233.36357.2457p28.32564.36576.1251p31.16587.34799.1866p44.37462.12672.2543p55.37954.25871.1568p62.19648.12534.5894(2)對微震監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行數(shù)值建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本例子共采用四種網(wǎng)格密度模型，以其中一種為例，如圖2所示，模型劃分網(wǎng)格密度為10×10×10，網(wǎng)格邊長為1m，共1000個(gè)特征震源點(diǎn)，可以傳感器ti(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)為反時(shí)震源點(diǎn)運(yùn)用快速搜索方法(fsm)計(jì)算得到8個(gè)反時(shí)到時(shí)矩陣。(3)計(jì)算每個(gè)特征震源點(diǎn)的反時(shí)到時(shí)差矩陣，建立反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫。在有8個(gè)傳感器的情況下，每個(gè)特征震源點(diǎn)共可得到個(gè)反時(shí)到時(shí)差，并組成一個(gè)包含56個(gè)數(shù)據(jù)的反時(shí)到時(shí)差矩陣ni，將反時(shí)到時(shí)差矩陣數(shù)據(jù)按照特征震源點(diǎn)si重新排列，建立用于表征該特征震源點(diǎn)到時(shí)差信息的反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫。(4)利用波形信息采集系統(tǒng)，對傳感器接收到的波形信號(hào)提取震源波到達(dá)各個(gè)傳感器的到時(shí)時(shí)間。(5)按順序計(jì)算兩傳感器間到時(shí)差，建立實(shí)測震源的到時(shí)差矩陣，并利用相似度匹配算法將其與特征震源點(diǎn)反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配搜索，對實(shí)測震源進(jìn)行實(shí)時(shí)快速定位，可快速求其位置坐標(biāo)，其最大誤差不大于網(wǎng)格對角線長。不同網(wǎng)格密度下，本發(fā)明方法定位誤差對比如圖4所示，隨著網(wǎng)格密度增加，定位精度顯著提升。傳統(tǒng)定位方法多基于常速度模型進(jìn)行定位，對于復(fù)雜速度模型，定位精度很差甚至不能進(jìn)行震源定位，而本發(fā)明方法在復(fù)雜速度模型下仍保持了很高的精度。不同網(wǎng)格密度下，本發(fā)明方法計(jì)算耗時(shí)對比如圖5所示，由圖5可知，相比較其他傳統(tǒng)定位方法，本發(fā)明方法計(jì)算效率高，并且隨著網(wǎng)格密度增大，計(jì)算耗時(shí)增加幅度不大。綜上所述，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為保證定位精確性的要求，必然會(huì)增加網(wǎng)格搜索密度，由于省去了傳統(tǒng)定位方法的大量迭代過程，預(yù)先建立反時(shí)到時(shí)差數(shù)據(jù)庫，故本發(fā)明方法可大幅度提高微震震源定位效率，從而為巖體工程致災(zāi)動(dòng)載源的及時(shí)預(yù)測預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12