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?、富水溶洞等含水?gòu)造時，可 能引發(fā)突水災(zāi)害，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，有時還會引起地表水干涸、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，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，此時會產(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)行實時監(jiān)測，有助于及時發(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為實現(xiàn)聲發(fā)射震源點的實時定位需要在隧道邊墻上布置由多個聲發(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)備需要實時測量三維傳感器陣列的大量數(shù)據(jù)，在保證采集實時性的前提 下，同時進(jìn)行實時聲發(fā)射震源點定位是一個亟待解決的難題，因此需要設(shè)計聲發(fā)射三維定 位算法；
[0008] ④該設(shè)備需要具備多通道聲發(fā)射信息實時采集和定位功能，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、方便實用且能批量生產(chǎn)，能夠?qū)崟r采集地下工程中 聲發(fā)射震源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并實時定位聲發(fā)射震源位置、計算聲發(fā)射信號強(qiáng)度，根據(jù)預(yù) 先設(shè)置的聲發(fā)射信號報警閾值，發(fā)出報警信號。
[0010]為實現(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)場實時三維聲發(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)將接收到的實時三維聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī);上位機(jī) 實時顯示當(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 時定位。
[0014] 進(jìn)一步地，所述上位機(jī)與顯示器、打印機(jī)和報警裝置分別連接。
[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)射實時信號；
[0023]聲發(fā)射數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫模塊:用于存儲聲發(fā)射實時信號數(shù)據(jù)；
[0024] 聲發(fā)射定位算法模塊:用于調(diào)取聲發(fā)射實時信號數(shù)據(jù)并計算聲發(fā)射源的位置；
[0025] 聲發(fā)射定位信息數(shù)據(jù)庫模塊:用于存儲聲發(fā)射源的位置信息；
[0026]顯示輸出模塊:用于實現(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)的實時顯示。
[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，首先使用變換時窗統(tǒng)計瞬時強(qiáng)度比法識別聲發(fā)射事件并大致確定到達(dá)時間，然 后使用AIC自動拾取法局部精確拾取波至?xí)r間；
[0029] (2)識別同一聲發(fā)射事件的到達(dá)時間，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個三維聲發(fā)射傳感裝置的 時間以及聲發(fā)射事件產(chǎn)生的時刻，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，求得一個聲發(fā)射震源點位置；
[0032] (5)將上述聲發(fā)射震源點位置作為初始解，設(shè)置允許誤差值與迭代步長;判斷實際 測量得到的到達(dá)時間與由聲發(fā)射震源點位置計算得到的到達(dá)時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)建一個四面體，分別以四面體各頂點坐標(biāo)為震源計算4 種震源情況下的目標(biāo)函數(shù)值，剔除殘差最大的頂點，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)補充一個新的頂點構(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，在迭代得到的四面體中選取殘差最小的點即最佳逼近解，從而找到要 求取的震源位置坐標(biāo)；
[0034] (7)聲發(fā)射震源點動態(tài)成像:把搜索迭代的計算結(jié)果實時的顯示出來，震源