[发明专利]基于相位测量的分布式群波浅层微震定位方法

说明书

技术领域

本发明属于爆破震动测试技术、无源定位技术领域，具体涉及一种小区域浅层地下微震震源的定位方法。

背景技术

分布式地下震源定位技术是在监测浅层地下震动的小区域内，利用各节点的全球定位系统（GPS）秒脉冲实现节点之间的同步，并在起震后通过各探测节点拾取微震源产生的震动信号，利用地上控制系统的存储采集模块实现数据的存储。当地下微震过程结束后，地面数据转发系统将各节点的数据发送到中心处理平台，通过微震定位算法，实现震源定位。

与地震、煤矿深层开采、石油勘探等大区域、大当量、大深度震动监测相比较，小区域浅层分布式地下震源定位具有以下特点：（1）分布的范围相对较小，属于小区域监测；（2）地下震动的深度较浅，一般不超过地下100m，属于地下浅层震动；（3）传输介质的密度更加不均匀，往往包括浮土、岩石、沙石、密实土壤等多种类型；（4）对震动位置的定位精度要求更高，往往在1m以内。该技术可以有效地实现地下石油勘探、煤层采空区监测、隧道空洞检测、兵器试验场炮弹炸点定位等，并在工程爆破、国防军事、环境监测、煤矿安全生产等领域有着非常广扩的应用前景。

目前，在上述小区域浅层地下震源定位中，通常借鉴地震震源定位方法，利用拾震器获取震动信息，通过P波初至波的相关识别检测算法（如时间域的长短时平均比法、三分向识别算法、小波变换模极大值识别算法等），获取每个节点P波初至波的到达时间，采用到达时间差法进行震源定位。该方法虽然在地震、石油勘探等大区域深层地下震源定位中较为成熟，但将这种方法应用小区域浅层地下震源定位却存在以下问题：

1、在震动场远场，震动波优势频率稳定、群波速恒定、横纵波叠加现象不明显，因此采用P波初至波到达时间进行到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位时精度较高，相比之下，震动场近场土壤本构特性呈弹塑性，震动波受地面反射、折射影响较大，频散现象严重，即不同频率成分的波形传播速度不同，群波速不是恒定值，因此无法采用现有的TDOA定位算法。

2、震动传感器布设在震源近场时，由于P波、S波、表面波速度不同，造成多种震动波形的混叠现象严重；同时传感器信号线上耦合有爆炸产生的复杂的电磁干扰信号，震动信号信噪比低，造成无法有效地提取精准的初至波到达时间，时差信息误差大。

因此，在小区域浅层地下震源定位中，无法采用现有的地震震源定位方法实现震源定位。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有分布式地下震源定位技术所存在的问题，提出一种适应小区域浅层地下微震震源的基于相位测量的分布式群波浅层微震定位方法，该方法具有适用范围广、定位精度高和可靠性高的特点。

为了实现上述本发明的目的，本发明的技术方案是：

基于相位测量的分布式群波浅层微震定位方法，采用分布式震源测试系统，分布式震源测试系统包括控制主站和探测节点群两部分，其中，控制主站包括计算机、授时控制电路及无线传输模块；探测节点群包括至少两个独立的传感器节点簇，传感器节点簇包括五个传感器节点，传感器节点包括震动传感器、信号调理模块、大容量数据采集存储模块、时统模块、探测节点无线传输模块及电源模块，其特征在于：传感器节点簇的五个传感器节点中，四个传感器节点作为测量传感器节点，另一个传感器节点作为参考传感器节点，该方法经过布设震动传感器、提取震动信号的相位信息、校正相位信息、节点簇定位及节点群定位五个步骤，最终实现分布式群波浅层微震震源的定位：

1.布设震动传感器

震动传感器全部埋设于地下，测量传感器节点布设在水平面投影呈任意四边形的四个顶点，参考传感器节点位于四边形内部，在水平投影面上，测量传感器节点距参考传感器节点的最大距离小于震动波最大优势频率对应的波长；震动传感器在空间深度上任意布设，但任意两个传感器节点不能布设在同一深度；

2.提取震动信号的相位信息

对每个震动传感器所获得的微震时域信号，进行小波去噪，对去噪后的信号进行傅立叶变换，得到每个震动传感器所获得微震信号的频域功率谱信息，并计算其对应的优势频带；在优势频带中以频率步进或按照功率谱中所占能量的大小选择优势频率；将所得优势频率进行傅里叶反变换，得到其对应的时域信号；采用互相关算法，求取测量传感器节点与参考传感器节点在优势频率处的相位差；

3.校正相位信息

求出在上述优势频率点处每一个震动传感器的固有相频特性中相位偏移量，并求出各测量传感器节点与所属的节点簇中参考传感器节点的固有相位差；

4.节点簇定位