地下工程施工過程中多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地下工程施工安全領(lǐng)域，特別涉及一種隧道等地下工程施工過程中的 多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和相應(yīng)的聲發(fā)射震源點(diǎn)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在隧道等地下工程施工過程中，當(dāng)開挖揭穿導(dǎo)水?dāng)鄬印⒏凰芏吹群畼?gòu)造時(shí)，可 能引發(fā)突水災(zāi)害，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，有時(shí)還會(huì)引起地表水干涸、地面塌陷等次生災(zāi) 害。我國是地下工程突水災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，突水災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損 失在各類地下工程地質(zhì)災(zāi)害中居于前列，給地下工程施工安全帶來重大安全隱患。因此，在 地下工程施工期，如何提前預(yù)測突水災(zāi)害的發(fā)生、并采取相應(yīng)的預(yù)防措施是十分重要的研 究課題。
[0003] 地下工程突水事故發(fā)生時(shí)，隔水層首先遭到破壞，導(dǎo)致突水通道產(chǎn)生，進(jìn)而引起突 水災(zāi)害。而突水通道的產(chǎn)生往往是由于巖體受到外力作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中、發(fā)生突發(fā)性破 裂，在這一過程中，能量以應(yīng)力波的形式釋放，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射信號中包含 大量關(guān)于巖體受力變形破壞以及巖體裂紋活動(dòng)的有用信息，能夠反映隔水層巖體的破壞情 況。因此，通過聲發(fā)射手段對隔水層巖體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)突水前兆信息，為 突水災(zāi)害的預(yù)防提供技術(shù)支持。
[0004] 在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)明中存在以下關(guān)鍵難題：
[0005] ①聲發(fā)射信號遠(yuǎn)距離傳輸和高速并行采集是關(guān)鍵難題；
[0006] ②為實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射震源點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位需要在隧道邊墻上布置由多個(gè)聲發(fā)射傳感器 構(gòu)成的三維監(jiān)測傳感器陣列，需要研制多通道聲發(fā)射數(shù)據(jù)自動(dòng)化并行采集裝置，即多通道 并行高速采集板；
[0007] ③該設(shè)備需要實(shí)時(shí)測量三維傳感器陣列的大量數(shù)據(jù)，在保證采集實(shí)時(shí)性的前提 下，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)聲發(fā)射震源點(diǎn)定位是一個(gè)亟待解決的難題，因此需要設(shè)計(jì)聲發(fā)射三維定 位算法；
[0008] ④該設(shè)備需要具備多通道聲發(fā)射信息實(shí)時(shí)采集和定位功能，包括聲發(fā)射信號強(qiáng) 度、聲發(fā)射信號頻率、聲發(fā)射信號源具體位置、聲發(fā)射信號源分布情況等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種地下工程施工過程中多通道聲發(fā)射監(jiān)測系 統(tǒng)及定位方法，它性能穩(wěn)定、靈敏度高、方便實(shí)用且能批量生產(chǎn)，能夠?qū)崟r(shí)采集地下工程中 聲發(fā)射震源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并實(shí)時(shí)定位聲發(fā)射震源位置、計(jì)算聲發(fā)射信號強(qiáng)度，根據(jù)預(yù) 先設(shè)置的聲發(fā)射信號報(bào)警閾值，發(fā)出報(bào)警信號。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0011] -種地下工程施工過程中多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，包括:若干三維聲發(fā)射傳感裝 置、多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集裝置、第一光電轉(zhuǎn)換器、光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、第二光電轉(zhuǎn)換器 和上位機(jī)；
[0012] 所述若干三維聲發(fā)射傳感裝置分別與多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集裝置連接，所述 多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集裝置通過第一光電轉(zhuǎn)換器與光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，所述光纖網(wǎng) 絡(luò)交換機(jī)通過第二光電轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)連接；
[0013] 所述三維聲發(fā)射傳感裝置分別布置在地下工程邊墻上，三維聲發(fā)射傳感裝置采集 現(xiàn)場實(shí)時(shí)三維聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)并傳送給多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集裝置，多通道聲發(fā)射同 步數(shù)據(jù)采集裝置通過光纖網(wǎng)絡(luò)將接收到的實(shí)時(shí)三維聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī);上位機(jī) 實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前聲發(fā)射波形，并根據(jù)接收到的三維聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)對現(xiàn)場聲發(fā)射震源進(jìn)行實(shí) 時(shí)定位。
[0014] 進(jìn)一步地，所述上位機(jī)與顯示器、打印機(jī)和報(bào)警裝置分別連接。
[0015] 進(jìn)一步地，所述多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集裝置包括:多通道同步數(shù)據(jù)采集單元、 多通道聲發(fā)射信號調(diào)理單元和嵌入式工控機(jī)；
[0016] 每一個(gè)所述多通道聲發(fā)射信號調(diào)理單元與對應(yīng)的三維聲發(fā)射傳感裝置連接，所述 多通道聲發(fā)射信號調(diào)理單元分別與多通道同步數(shù)據(jù)采集單元連接，所述多通道同步數(shù)據(jù)采 集單元與嵌入式工控機(jī)連接。
[0017] 進(jìn)一步地，所述多通道聲發(fā)射信號調(diào)理單元包括:依次連接的靜電抑制電路、第一 50HZ限波器、放大器、第二50HZ限波器、100HZ限波器和低通濾波器；
[0018] 進(jìn)一步地，所述多通道同步數(shù)據(jù)采集單元包括:若干同步數(shù)據(jù)采集模塊以及FPGA; 所述同步數(shù)據(jù)采集模塊分別采集預(yù)期相連的多通道聲發(fā)射信號調(diào)理單元的信號，并將信號 傳送至FPGA;所述FPGA控制同步數(shù)據(jù)采集模塊分別采集與其相連的多通道聲發(fā)射信號調(diào)理 單元的信號，并將采集到的信號通過USB 口傳輸給嵌入式工控機(jī)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述三維聲發(fā)射傳感裝置包括:三維傳感器工裝以及分別固定在三維 傳感器工裝上的聲發(fā)射傳感器;所述聲發(fā)射傳感器分別接收X軸、y軸、Z軸三個(gè)方向上聲發(fā) 射信號，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，所述電壓信號通過同軸電纜接入多通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù) 采集裝置。
[0020] 進(jìn)一步地，所述上位機(jī)內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元，包括：
[0021 ]聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集模塊：用于采集現(xiàn)場聲發(fā)射傳感器信號，并傳送至聲發(fā)射數(shù) 據(jù)傳輸模塊；
[0022]聲發(fā)射數(shù)據(jù)傳輸模塊:用于接收遠(yuǎn)程傳輸過來的聲發(fā)射實(shí)時(shí)信號；
[0023]聲發(fā)射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊:用于存儲(chǔ)聲發(fā)射實(shí)時(shí)信號數(shù)據(jù)；
[0024] 聲發(fā)射定位算法模塊:用于調(diào)取聲發(fā)射實(shí)時(shí)信號數(shù)據(jù)并計(jì)算聲發(fā)射源的位置；
[0025] 聲發(fā)射定位信息數(shù)據(jù)庫模塊:用于存儲(chǔ)聲發(fā)射源的位置信息；
[0026]顯示輸出模塊:用于實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)和聲發(fā)射信號源位置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。
[0027] -種地下工程施工過程中多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的聲發(fā)射震源在線定位方法，包 括：
[0028] (1)針對單一通道采集到的聲發(fā)射信號時(shí)間序列X={X1，…， XN}，采用帶通濾波器 進(jìn)行去噪，首先使用變換時(shí)窗統(tǒng)計(jì)瞬時(shí)強(qiáng)度比法識(shí)別聲發(fā)射事件并大致確定到達(dá)時(shí)間，然 后使用AIC自動(dòng)拾取法局部精確拾取波至?xí)r間；
[0029] (2)識(shí)別同一聲發(fā)射事件的到達(dá)時(shí)間，若設(shè)定數(shù)量的通道的三維聲發(fā)射傳感裝置 均對于同一聲發(fā)射事件有響應(yīng)，則確認(rèn)為一次聲發(fā)射事件;記錄聲發(fā)射事件產(chǎn)生的時(shí)刻；
[0030] (3)根據(jù)三維聲發(fā)射傳感裝置的位置、波速、波到達(dá)第i個(gè)三維聲發(fā)射傳感裝置的 時(shí)間以及聲發(fā)射事件產(chǎn)生的時(shí)刻，利用最小二乘法建立聲發(fā)射震源定位初始模型；
[0031 ] (4)根據(jù)聲發(fā)射震源定位初始模型，求得一個(gè)聲發(fā)射震源點(diǎn)位置；
[0032] (5)將上述聲發(fā)射震源點(diǎn)位置作為初始解，設(shè)置允許誤差值與迭代步長;判斷實(shí)際 測量得到的到達(dá)時(shí)間與由聲發(fā)射震源點(diǎn)位置計(jì)算得到的到達(dá)時(shí)間之間的誤差是不是在預(yù) 設(shè)的允許誤差之內(nèi)；如果是，則所述聲發(fā)射震源點(diǎn)位置即為要求取的震源位置坐標(biāo);否則， 轉(zhuǎn)入下一步；
[0033] (6)根據(jù)預(yù)設(shè)的迭代步長構(gòu)建一個(gè)四面體，分別以四面體各頂點(diǎn)坐標(biāo)為震源計(jì)算4 種震源情況下的目標(biāo)函數(shù)值，剔除殘差最大的頂點(diǎn)，并對初始四面體進(jìn)行映射、擴(kuò)展、壓縮 以及收縮操作，繼續(xù)補(bǔ)充一個(gè)新的頂點(diǎn)構(gòu)建新的四面體，不斷重復(fù)此過程，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值滿 足迭代終止條件時(shí)，在迭代得到的四面體中選取殘差最小的點(diǎn)即最佳逼近解，從而找到要 求取的震源位置坐標(biāo)；
[0034] (7)聲發(fā)射震源點(diǎn)動(dòng)態(tài)成像:把搜索迭代的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)的顯示出來，震源