基于声信号的微震定位技术研究--开题报告.doc

毕业设计开题报告2010年3月27日开题报告填写要求1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如0201140102），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 研究背景，目的与意义微震监测技术是近年来出现的新技术，该技术大部分应用在各种材质质质量测量中，包括矿山微地震监测，岩石层结构监测，金属内部的质量问题等等1。矿业是我国国民经济的基础产业，而随着社会经济的飞速提高，对矿产资源的需求量日益增加，复杂难采和深部开采诱发的安全问题日益突出。顶板冒落、岩移岩爆和滑坡等重大工程地质灾害和事故隐患严重，严重制约着矿产资源合理的开发与利用，矿山安全已成为我国安全生产领域急需解决的重点和难点。微震探测技术为矿山地压灾害预报提供了重要的手段2。70年代初，国内开始了以耳机接收或录音机记录岩石声探测频率的便携式地音仪的研究及现场应用。最近十年，由于电子技术及计算机技术的发展，国外研究出了三分量探头及高性能的声探测数据处理系统，国内相关研究院也相继研发了DYF-1，DYF-2型便携式只能地音分析仪及SDL-1，SDL-12型多通道声探测监测系统。近两年来，数据处理技术的迅速发展，尤其是波形识别理论的形成，标志着声探测技术的水平进入了一个全新的时代，越来越收到人们的重视。国际间有关声探测研究的学术交流活动也愈加频繁。微震监测系统被认为是岩体工程最有效的监测方法之一3。 1.2研究基本原理与仪器1.2.1 研究基本原理 基于声信号的微震定位技术的就是事先在地表或者地下布置传感器，一旦在传感器的有效监控范围内出现微震事件，则根据事先记录的传感器的具体位置参数，以及时候微震检波器记录的由声源探测出的P（纵波）波到达的时间差或者P波和S（横波）波到达的时间差，利用标准距离公式来推导计算出声源的具体位置，而这种定位方法就叫做时差定位4。时差定位又叫做双曲线定位，它通过处理三个或者更多的传感器采集到的信号到达时间测量数据对震动源进行定位。在二维平面中，辐射源信号到达两个传感器的时间差规定了一对以两个传感器为交点的双曲线，利用三个传感器可形成两条单边双曲线来产生交点，以确定震动源位置。而若要确定三维空间的任意震动源，震动源信号到达两侧两站的时间差确定了一对以两站为焦点的双曲面，则至少需要四个传感器形成三个单边双曲面来产生交点，以确定震动源位置5。虽然时差定位系统具有精度高、定位块和抗干扰能力强等优点，但是因为时差定位在计算过程中的数据主要是靠传感器和数据采集仪来取得，因此在定位过程中也会出现多值现象，即定位模糊。这主要是因为在进行数据采集的时候有噪声和有采集系统的数据采集误差，所以在某些点上甚至会出现无解现象6。1.2.2声探测传感器的类型声探测传感器是定位系统采集数据的关键，也是影响系统整体性能重要因素。声探测传感器设计不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声探测信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果7。声探测传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。它利用了诸多的效应（包括物理效应、化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量8。声探测传感器的主要类型有：高灵敏度声探测传感器，它是应用最多的一种谐振式声探测传感器；宽频带声探测传感器；差动声探测传感器；此外，还有微型声探测传感器、磁吸附声探测传感器、低频抑制声探测传感器和电容式声探测传感器等。在声探测检测过程中，大多时候使用的是谐振式声探测传感器9。谐振式声探测传感器参数技术的基础归结于两个基本假设：(1) 声探测是阻尼正弦波；(2) 声波是以某一固定的速度传播的。根据这一假设，对声探测信号参数，如上升时间、峰值幅度、持续时间等测量、记录所得到得声探测特征是合理的10。传播特性上，谐振声探测传感器参数技术的假设意味着传播信号除了单纯衰减以外，它的声波形状是不变的11。它是以不变的波形和不变的声速获取声探测信号的参数。需要指出的是所谓谐振式窄带声探测传感器并不是只对某频率信号敏感，而是对某频率带信号敏感，其它频率带信号灵敏度较低。声探测传感器的选择应根据被测声探测信号来确定12。首先是了解被测声探测信号的频率范围和幅度范围，包括有可能存在的噪音信号。然后选择相对感兴趣的声探测信号灵敏、对噪音信号不灵敏的声探测传感器进行检测13。就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，因此选用谐振式声探测传感器比较适合。声探测源定位技术通常利用的是压电效应来进行检测信号。所谓的压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象，而利用压电效应的原理制作的传感器就叫做压电传感器14。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中，因此又叫做压力传感器。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。压电式传感器也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。由此可见压力传感器的应用范围非常广泛，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力15。 1.2.3数据采集仪数据采集就是在所监测的数据发生变化时，例如温度的变化、震动的发生、压力的变化等等一些物理现象，通过传感器捕获这些信息然后转换成模拟信号，再通过将传感器采集道德模拟信号依次进行调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后转换成数字信号送到计算机终端系统中进行处理、分析、存储和显示的过程16。首先，借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，将其转换成电信号，然后进行信号的调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号17，其系统结构如下图1-1所示:传感器信号变换被测量声震信号模拟信号处理模拟信号记录A/D转换数字信号处理A/D转换数字信号记录 图1-1参考文献1 姜福兴，Xun Luo.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用J.岩石力学与工程学报，2005.242 唐礼忠，潘长良，杨承祥.大规模深井开采微震监测系统站网布置优化J.岩石力学与工程学报，2006.253 中国科学院地质研究所，岩体工程地质力学问题平M，北京科学出版社，19864 孙钧.面向21实际的岩石力学与工程.北京中国科学技术出版社。1996.65 潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布类型机制及防治研究J.岩石力学与工程学报，2003.226 姜福兴，杨淑华，成云海等.煤矿冲击地压的微震监测研究J.金属矿山，2006，（10）7 中国地震局监测预报司.数字地震观测技术M.北京地震出版社，20038 王焕义.岩体微震事件的精确定位研究J.工程爆破，2001，7（3）9 张银平.岩体声探测与微震监测定位技术及其应用J.工程爆破，2002，8（1）10 张诚.地震分析基础M.北京：地震出版社，199811 刘英利，徐建新.强震与微震观测系统的研究J.地震工程与工程振动，2006，26（3）12 成云海，姜福兴，张兴民，等.微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场J.岩石力学与工程学报，2007，26（1）13 姜福兴，王存文，杨淑华，等.冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术J.煤炭科学技术，2007，35（1）14 李凤琴，张兴民，姜福兴.煤矿井下微震监测系统及应用J煤田地质与勘探，2006，34（4）15 李庶林，尹贤刚，郑文达，等.凡口锌矿多通道微震监测系统及其应用研究J.岩石力学与工程学报，2005，24（12）16 Marano,s.Matta,V.Willett,P.Sequential detection of almost-harmonicsignalsJ.IEEE Transactions on Signal Processing,Vol.51,NO.2Feb.2003 Page(s):395-40617 Gardner W.A.,Signal Tnterception.A Unifying Theoretical Franmewo-rk for Feature DetectionJ.IEEE Trans.Vol.36,NO8,1998毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题研究的方向是基于声信号的微震定位技术研究，通过本次设计方案实现准确的声震动源定位。理论上时差定位的计算方法与步骤：设震源源点E的坐标为，各个传感器的坐标为，则可以得到如下方程组： （2.1）其中各个传感器的位置为，这些位置均为实验中测量得到，表示主传感器，表示辅传感器，表示震动源位置到第个传感器与震动源位置到主传感器之间的距离之差，为声震动在空气中的传播速度 340米/秒，为课题中的主要数据，该数据由数据采集仪获得。计算过程如下：对（2.1）式整理化简可得到 （2.2）设 （2.3）则有 （2.4）由式（2.4）表示的两个方程构成一个非线性的方程组。将看为已知可得到一个矩阵表达式 (2.5)式中当三个传感器不在一条直线上的时候，可以知道可逆，于是得到 (2.6)令因此由（2.6）式可得 （2.7）其中将式（2.7）代入的表达式，得到 （2.8）式中将式（2.8）看为一元二次方程，由一元二次方程求根公式解出，然后代入式（2.7）得到震动源位置。式（2.8）中，当时，方程组将有双解，由于必须是正数，所以当两根一正一负时，可以舍去负根，正根为非模糊的定位解，而若两根都为正则出现模糊解。若，则方程组无实数解。这是因为存在噪声干扰和测量误差使得原本可以相交的两条双曲线发生了平移且平移大至它们没有交点。本次课题实验中，为使得后期数据处理的方便，拟采用以主传感器为坐标原点的方法建立坐标系，将其他4个传感器分别放置在距离主传感器3米以内的任意位置，为防止无解现象使得主传感器与4个辅传感器中任意2个都不在同一条直线上。由式（2.1）可知，实际上实验要采集的数据为以传感器捕获第一次震动信号的前后时间的差值。因此在声震信号产生时，实验要求数据采集系统可以立刻以捕获震动信号的第一个传感器的时间为基准，其他传感器依次获得该次信号的时间与该基准时间的差值。因此对于数据采集是从5个传感器采集得来的数据，所以要求系统能够同时监测多组数据；声音在空气中传播的速度很快为340米/秒，所以声震动的一个传播周期大概在一毫秒内就已经传过了3米的路程，而获得的时间数据的准确性是课题成败的关键，所以为保证数据的准确性必须要求数据采集仪具有可以精确到微秒级的电子时钟。多通道数