基于加速度传感器的震源定位算法研究

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震源定位是一种利用震动波信息确定目标位置的技术,是保障国家经济建设和人民生命财产安全的重要手段。然而,由于震动波传播过程中介质结构特征的复杂性、不均一性及其它因素影响,使得传统方法定位精度较低,不能满足工程实践的要求。针对这一问题,本文提出了基于震动信号时频分析与处理和优化Newton算法的震源相对定位方法,该方法可应用于爆炸炸点定位、爆破震动、石油勘探、煤矿及管道安全监测等工程领域,具有重要的研究意义和实用价值。本文在震动信号分析处理技术及震源定位方法研究发展现状的基础上,提出震源定位系统方案设计,并介绍了数据获取模块及震源定位模块的指标及功能,利用MEMS三轴加速度传感器采集震动信号;针对震动波的瞬时非平稳特性,利用HHT时频方法分析信号特征,并利用小波阈值法对震动信号进行消噪处理;将经过预处理的震动信号采用时窗能量比方法判断震动波初至时刻以获取传感器基站间接收到的信号时延;震源定位分为初定和修订震源参数两步进行,分别利用迭代法和优化的Newton算法对震源进行定位,在对震源准确定位的同时实现了算法的优化;最后对影响震源定位的误差来源及定位精度评价指标进行了研究。仿真和实验结果表明,利用相对定位方法可以实现震源定位;经过震动信号预处理及优化的Newton定位算法可有效提高震源定位的精度,定位结果基本满足工程实践的要求。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第10-17页
    1.1 课题的背景﹑目的和意义第10-11页
    1.2 国内外相关技术研究现状第11-16页
        1.2.1 震动信号分析技术研究现状及进展第11-13页
        1.2.2 震源定位方法国内外发展现状第13-16页
    1.3 本文的主要内容和论文结构第16-17页
2 震动波理论与定位系统方案设计第17-26页
    2.1 震动波理论第17-20页
        2.1.1 震动波的产生及传播规律第17-18页
        2.1.2 震动波的类型第18-20页
    2.2 震源定位系统设计第20-25页
        2.2.1 数据获取模块第20-23页
        2.2.2 震源定位模块第23-25页
    2.3 本章小结第25-26页
3 震动信号预处理第26-42页
    3.1 基于 HHT 的震动信号分析方法第26-29页
        3.1.1 经验模态分解(EMD)原理与算法第26-28页
        3.1.2 Hilbert 变换与 Hilbert 谱第28-29页
    3.2 消除趋势项第29-30页
    3.3 小波阈值去噪第30-34页
        3.3.1 小波阈值消噪算法第30-32页
        3.3.2 消噪算法的评价指标第32页
        3.3.3 阈值函数的选择第32-34页
    3.4 基于 HHT 的震动信号分析第34-38页
        3.4.1 基于 HHT 的模拟震动信号分析第34-37页
        3.4.2 基于 HHT 的实测震动信号分析第37-38页
    3.5 震动信号小波阈值去噪研究第38-41页
        3.5.1 模拟震动信号去噪分析第38-40页
        3.5.2 震动信号去噪分析第40-41页
    3.6 本章小结第41-42页
4 震源定位算法研究第42-61页
    4.1 初至波拾取第42-45页
        4.1.1 能量比法拾取初至波第42-43页
        4.1.2 能量比法实现第43-45页
    4.2 震动波初至方向第45页
    4.3 震源定位研究第45-46页
    4.4 定位算法研究第46-53页
        4.4.1 基于迭代法的震源定位算法第47-49页
        4.4.2 基于优化 Newton 算法的震源定位算法第49-53页
    4.5 震源定位仿真分析第53-56页
        4.5.1 能量比法识别初至波仿真第54页
        4.5.2 震源定位仿真结果分析第54-56页
    4.6 震源定位实验及结果分析第56-60页
        4.6.1 震动信号传播速度测算第56-57页
        4.6.2 震源定位实验分析第57-60页
    4.7 本章小结第60-61页
5 震源定位误差来源与精度分析第61-71页
    5.1 震源定位误差来源第61-63页
        5.1.1 震动波传播误差第61-62页
        5.1.2 传感器基站测量误差第62页
        5.1.3 初至波到时估计误差第62-63页
        5.1.4 定位算法误差第63页
    5.2 定位精度分析第63-67页
        5.2.1 定位精度评价指标第63-65页
        5.2.2 定位精度分析第65-67页
    5.3 仿真分析第67-70页
    5.4 本章小结第70-71页
6 总结与展望第71-73页
    6.1 全文工作第71-72页
    6.2 研究展望第72-73页
参考文献第73-77页
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果第77-78页
致谢第78页
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