[發明專利]一種復合式智能震動傳感器及震源測試定位方法

有效

• 申請號: 201210353274.X
• 申請日: 2012-09-20
• 公開（公告）號: CN102841371A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 韓焱;李劍;邢磊;姚金杰;張丕狀;郭興龍;陶浪舟;蘇新彥
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01V1/18
• 分類號: G01V1/18;G01S5/20;G01S5/22
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 李印貴

技術領域

本發明屬于分布式爆破震動測試技術、無源定位技術和傳感器技術領域，具體來說是涉及一種復合式智能震動傳感器及震源測試定位方法。

背景技術

基于無線傳感器網絡的地下震源定位技術是在地下震源近場監測區域內，由大量不同埋設深度的傳感器節點，通過自組織和多跳方式構成得無線網絡，協作地感知、監測、采集、處理以及傳輸震源產生的震動信號（如在爆破近區傳播的是沖擊波信號、在中區沖擊波逐漸轉換為應力波信號，其傳播速度近似聲波速度，在遠區近似彈性震動的地震波信號），并通過分析各個節點收集到的震動信息的特征，以實現震源的定位。

本發明所涉及的地下震源定位技術屬于近場震源定位技術，即在震源的近區進行定位。該技術可以有效地解決地下石油勘探、煤層采空區監測、隧道空洞檢測、兵器試驗場炮彈炸點定位等各種震源定位問題，并在工程爆破、國防軍事、環境監測、煤礦安全生產等領域有著非常廣泛的應用前景。

地下震源定位主要采用基于波到達方向定位法（DOA，Direct?of?Angle）和基于時間差定位法(TDOA，Time?Difference?of?Arrival)。其中基于波到達方向定位法主要是通過傳感器節點接受信號時到達方向角的不同來實現對目標源的定位；時差定位法主要是通過各傳感器節點接收信號的時間延遲實現對目標源定位。隨著無源定位技術的發展，同時為了滿足高精度的定位要求，采用DOA和TDOA相結合的混合定位方法成為了目前地下震源定位技術研究的熱點。

在地下震源定位的過程中，不同的定位方法需要選擇不同特點的傳感器。當采用DOA進行定位時，要求震動傳感器能夠有效獲取三維震動信號的幅值、方向等矢量信息，同時具有很好的線性度、橫向靈敏度和軸間抑制比。當采用TDOA進行定位時，并不要求震動傳感器能夠獲取震動信號的矢量信息，但要求震動傳感器具有較高的頻率響應，能夠獲取極為精確的峰值-時間信息。可見，在地下震源定位過程中，震動傳感器特點和性能是實現DOA和TDOA融合定位法的前提和保障。

目前，在地下震動定位過程中，主要將地震檢波器安裝于地表面，實現遠距離的震源定位，如一種三分量光電混合集成加速度地震檢波器（專利號：CN201417314Y），智能三分量地震檢波器（專利號：CN1387050A），動圈式地震檢波器（專利號：CN201514488U）等,但在地下近場震源定位過程中，還沒有一種現有的震動傳感器適合于安裝在地下，進行高精度的DOA和TDOA融合定位。當把現有的震動傳感器應用于地下進行基于DOA和TDOA的定位時，存在如下問題：

1、震動傳感器（包括檢波器），通常將敏感單元安裝在具有一定外形結構的防護殼內（一般為長方形、圓柱形或錐形），在近場環境中,由于應力波徑向衰減快，而通常的傳感器外形結構（如方形，圓柱形等）很難保證其以波線為軸線對稱，傳感器在受力過程中會產生不平衡力矩，傳感器及外殼的受力方向與應力波傳播方向會不一致，使得震動傳感器三個軸向檢測到的震動信息矢量和與實際應力波傳播方向之間出現偏差，造成在地下震源的定位過程中，無法真實的獲取波到達的角度信息，造成DOA定位出現不可避免的誤差。

2、傳感器在地下安裝過程中，為了最大程度不破壞被測場地性質，需要通過深孔將傳感器安裝到預定位置，由于距地有一定深度，人為無法將震動傳感器的三軸固定到預設方向上，造成在測試場內，各個震動傳感器節點都存在一個自身的三軸震動坐標系，而很難修正到一個人為設定的統一坐標系下，從而不能將波到達的震動信息轉換為有效地波到達的角度信息，無法實現DOA定位算法，同時也不能有效地研究應力波（包括橫波、縱波等多種波形成分）在測試場中的傳播特性。

3、在地下震源定位過程中，為了提高震動信號的采集精度，需要在震動測試場不同范圍的測試區內安裝不同量程的傳感器，但由于實際震動強度和理論計算存在偏差，造成在實際震動傳感器選型后測試時，出現某個節點的震動傳感器沒有信號，或出現信號滿幅的現象。

4、采用TDOA進行定位時，要求傳感器具有極高的頻率響應、高過載，并不要求傳感器能夠獲取震動的矢量信息，只需獲取震動強度峰值對應的峰值-時間信息即可（即標量信息），因此,這種高頻響的傳感器主要為單軸，將敏感軸指向探測方向即可，但在地下安裝過程中，無法可靠地將敏感軸指向震動方向，因此無法獲得最為精準的時間信息。

發明內容

本發明的目的是針對以上現有技術所存在的問題，提供一種在地下震源近場監測區域內使用的復合式智能震動傳感器與震源測試定位方法，以實現在地下震源定位。