具体实施方式

下面将结合附图1～5，对本发明做进一步地说明。

本发明所述的方法思想如下：针对含圆孔复杂结构震源定位时，直线路径假设可能带来的定位误差，以及A*搜索算法和FMM算法中网格离散化使得获得的最短路径有偏差、定位精度降低、算法较复杂等问题，提出含圆孔结构中两点的精确最短距离计算方法。该方法利用三角函数、立体几何等知识，推导出平面、三维含圆孔结构震源到传感器的最短路径计算方法。从而，本发明基于优化的最短路径计算方法搜索声发射源/震源位置，提高了定位精度。其中，更是采用双差法反演P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据，最后建立校正P波初至系统差后的定位目标函数，并优选利用全局性更好的网格搜索算法来搜索声发射源/震源位置，进一步提高了定位精度、稳定性好。

下述将首先陈述本发明提出的含圆孔结构声发射源/震源到传感器的最短路径计算方法的推理过程，以震源为例进行陈述。

如图2所示，首先利用三角函数推导出含圆孔平面内的不同震源和传感器空间位置关系下的P波传播最短距离L_min精确计算方法：

Ⅰ、计算平面内声发射/微震震源到传感器的直线方程：设平面内声发射/微震震源的坐标为A(x₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，z_i)，i为传感器编号。如图3中(1)、(2)、(3)所示，五角星代表某震源位置，三角形代表某传感器位置，则震源到传感器i的直线方程为：

z＝k(x-x₀)+z₀ (1)

式中，k＝(z_i-z₀)/(x_i-x₀)。进而将公式(1)展开可得到ax+bz+c＝0。其中，a＝k，b＝-1，c＝-kx₀+z₀。

Ⅱ、判断震源到传感器的直线段与平面内圆孔是否相交：

计算圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线ax+bz+c＝0的距离：

a、若d≥r，r为圆孔半径，则圆孔与直线相离或相切，如图3中(1)所示的示意图，P波信号的最短传播距离L_min即为震源与传感器的直线段距离：

b、若d＜r，使用余弦定理判断∠OAB和∠OBA是否都为锐角，方法如下：

式中，∠OAB∈[0,π]，∠OBA∈[0,π]。AB表示震源到传感器的直线段距离，OA表示震源到圆孔圆心的直线段距离，OB表示圆孔圆心到传感器的直线段距离，可根据震源坐标A(x₀，z₀)、传感器坐标B(x_i，z_i)和圆心坐标O(x_c，z_c)计算得到。

(1)若∠OAB和∠OBA不都为锐角，则震源到传感器直线段未穿过圆孔，如图3中的(2)所示的示意图，此时最短传播路径L_min为震源与传感器的直线段距离，即用式(3)计算；

(2)若∠OAB和∠OBA都为锐角，则震源到传感器直线段穿过圆孔，图3中的(3)所示的示意图，此时需要计算P波信号传播路径与圆孔的切点，P波信号从震源出发与圆孔的切点满足下式：

利用式(6)可得到P波信号由震源到圆孔的两个潜在切点坐标M(xe_i1，ze_i1)和M'(xe_i2，ze_i2)；同理，传感器反传得到两个潜在切点N和N'，其坐标分别记为N(xs_i1，zs_i1)和N'(zs_i2，zs_i2)，切点M、M'、N、N'与传感器B和震源A之间存在4种组合，即：AM+MN+NB、AM+MN'+N'B、AM′+M'N'+N'B和AM'+M'N+NB。对应组合在圆上的短弧长记为 和

震源与切点的P波信号传播直线段距离为和P波信号从潜在切点传播到传感器的直线段距离为其中j(j＝1,2,3,4)对应上述四种组合。切点之间的弧长计算式如下：

其中，θ为选中的两切点与圆孔圆心之间小于180°的夹角，d_q表示选中的两切点之间的直线段距离，切点F(xs_i，zs_i)对应为N(xs_i1，zs_i1)和N'(zs_i2，zs_i2)中的一个切点，切点G(xe_i，ze_i)对应为M(xe_i1，ze_i1)和M′(xe_i2，ze_i2)中的一个切点；

那么，在这种情况下，P波信号在平面内从震源到传感器的最短传播距离L_min为：

本发明再借助立体几何和三角函数等知识，推导三维空间含圆孔结构的声发射/微震P波信号从震源到传感器最短距离L′_min的精确计算方法。其中，三维含圆孔结构分为了全通圆孔和未通圆孔，未通圆孔是指针对圆孔打了一部分的深度但不是通孔。如图2所示，含全通圆孔结构声发射/微震P波信号从震源到传感器最短距离L′_min的精确计算方法，具体如下：

本实施例中，三维含全通圆孔复杂结构设震源的坐标为A(x₀，y₀，z₀)，传感器坐标为B(x_i，y_i，z_i)，i为传感器编号，如图4中所示，三角形代表某传感器位置，五角星代表某震源位置，O为圆心位置。将震源位置点与传感器位置投影至三维含圆孔结构试样正面(本实施例中，将其规定为含圆孔面)，根据投影平面内震源和传感器空间位置关系判断震源到传感器确定的直线段是否与圆孔相交(投影平面内情况可见图3)。

在投影平面内：震源的投影坐标为A'(x₀，C，z₀)，传感器的投影坐标为B'(x_i，C，z_i)，C为常数(不参与计算)，则投影平面的震源投影点到传感器投影点的直线方程为：

z＝k′(x-x₀)+z₀ (9)

式中，k′＝(z_i-z₀)/(x_i-x₀)。进而将公式(9)展开可得到a′x+b′z+c′＝0。其中，a′＝k′，b′＝-1，c′＝-k′x₀+z₀。

计算投影平面内圆孔的圆心O(x_c，z_c)到直线a′x+b′z+c′＝0的距离：

a、若投影平面内：d′≥r，r为圆孔半径，则三维空间内的P波信号从震源到传感器确定的直线段与圆孔不相交，如图4中的(1)所示的示意图。此时，P波在三维空间内沿直线传播，最短距离计算方法如下：

b、若投影平面内：d′<r，使用余弦定理判断∠OA′B′和∠OB′A′是否都为锐角，∠OA′B′和∠OB′A′计算方法参见式(4)和式(5)。

(1)若∠OA′B′和∠OB′A′不都为锐角，则三维空间结构震源到传感器的直线段未穿过圆孔，如图4中的(2)所示的示意图，此时最短传播路径L′_min用式(11)计算；

(2)若＜OA′B′和∠OB′A′都为锐角，则三维空间结构震源到传感器的直线段穿过圆孔，如图4中的(3)所示的示意图。P波信号在三维结构传播时与圆孔有两个切点，见圆柱孔处的局部放大图，设为G(xe_i，ye_i，ze_i)、F(xs_i，ys_i，zs_i)。

震源到切点G之间的直线段距离le_i和P波信号从切点F传播到传感器的直线段距离ls_i计算式如下：

切点之间的弧长rad'_i计算：将切点G、F投影至三维含圆孔结构试样正面，记投影点为G'(xe_i，C，ze_i)、F'(xs_i，C，zs_i)，将圆柱孔展开，投影点G'、F'间的弧长l、切点纵坐标差值|ye_i-ys_i|确定的直线段GG'和三维空间内切点之间的弧长GF构成一个直角三角形，则根据勾股定理，计算rad'_i如下：

其中，l为投影点G'、F'间的弧长，与上述平面内含圆孔结构最短路径推导过程的弧长计算方法一样，见式(7)，l＝rθ，其中，θ为投影点G'、F'与圆孔圆心之间的夹角，d_G′F′表示投影点G'、F'之间的直线段距离，

在三维空间内，要使震源到传感器位置间路径最短，则震源、切点G'、F'和传感器位置应处于同一平面x+my+nz+d＝0上，m、n、e为平面方程系数，则有：

根据式(14)，可将未知数m、n、e、ye_i、ys_i表示为关于某一未知数的函数。进一步，P波信号在三维空间内从震源到传感器的最短传播距离L′_min可表示为：

L′_min＝min(le_i+rad'_i+ls_i) (15)

求最短传播距离L′_min，等价于求上述某未知数偏导为0对应的解：

diff(le_i+rad'_i+ls_i)＝0 (16)

其中，dif为偏导函数。

应当理解，针对平面结构，公式(8)与公式(15)是等价的，与le_i、ls_i是同一含义，均表示P波信号从声发射源/震源传播到切点G的直线段距离，ls_i为P波信号从出射切点F传播到第i个传感器的直线段距离，与rad'_i均表示切点G、切点F之间的弧长，切点G、切点F的选择确定了j。因此，针对平面结构，实际上也是利用公式(15)求解最短传播距离L′_min。

推导含未通圆孔的声发射/微震P波信号最短路径L″_min的精确计算方法，具体分析步骤与上述三维空间含圆孔的P波信号传播最短路径相似。

a、若震源与传感器间的最短路径与圆柱孔不相交，最短路径利用公式(11)可计算；

b、若震源与传感器间的最短路径与圆孔相交：(1)若震源位置与传感器位置位于圆孔侧，此情况与上述含全通圆孔结构的最短路径计算方法相同，见式(12)～(16)；(2)若震源位置与传感器位置位于实心侧，两点间的直线段距离即为P波由震源到传感器的距离；(3)若震源与传感器分别位于实心和圆孔侧，此时声发射/微震信号传播情况复杂，不参与定位计算。即在后续网格搜索过程中，若是震源与传感器分别位于实心和圆孔侧，该组数据不参与计算。

通过上述推理，构建了最短路径的确定方法，从而，利用上述最短路径以及应用本领域的现有方法进行定位，也是可以解决本发明提出的技术问题。下述实施例是以去除P波初至系统误差后的定位目标函数以及网格搜索为例，其他可行的实施例中，并不局限于下述实施例的实现过程。

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法，包括如下步骤：

步骤1：自动+人工方法拾取声发射/微震事件的P波初至数据。

其中，本实施例中选择采用AIC法拾取声发射/微震事件的P波初至数据，并用Matlab编写人机交互程序显示自动法拾取效果，最后用人工方式校正拾取误差较大的P波初至拾取数据。

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数。

其中，本发明提出基于位置已知的声发射断铅源/爆破事件的双差法反演声发射/微震信号P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据。

设声发射/微震震源发震时刻为t₀，P波速度为v_p，拾取的P波初至时刻为t_i，P波初至系统误差为T_i，则走时方程为：

L_min＝v_p(t_i-t₀-T_i) (17)

将第i个传感器对应的走时方程与第1个传感器对应的走时方程相减，得到第i个传感器相对于第1个传感器的P波初至系统误差ΔT_i1，即ΔT_i1＝T_i-T₁＝t_i-t₁-(L′_min(i)-L′_min(1))/v_p。

基于上述双差法，在声发射定位前将P波初至系统误差ΔT_i1添加至公式(17)，进而得到如下定位目标函数：

对于三维未通孔洞采用上述目标函数的均值作为目标函数，即n为参与定位的传感器数。

其中，声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离L_min按照前述方法的内容计算。

需要说明的是，本实施例中是以上述公式作为定位目标函数，其他可行的实施例中，还可以选择其他现有定位目标函数，如实际走时与理论走时的累计差值最小等现有函数，在应用了本发明改进的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离L_min的基础上，并不局限选择的定位目标函数。

步骤3：采用网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置；

其中，将含圆孔结构进行网格划分，网格越密集则定位效果通常越好，但计算效率降低，为此采用多尺度网格搜索确定声发射/微震事件位置：首先利用较稀疏的网格搜索得到声发射/微震事件的大致位置；然后以该位置为中心确定一个小区域，再次划分为更为密集的网格，继续搜索得到精度更高的声发射/微震事件位置。

需要说明的是，本实施例中选择网格搜索法进行搜索时，可以选择网格中心点作为假设震源，从而利用定位目标函数搜索出声发射/微震事件位置，具体的搜索过程可以参照现有技术，本发明对此不进行具体的限定；其他可行的实施例中，本发明并不局限于此，即在设定了定位目标函数以及P波传播最短距离L_min的基础上，还可以选择其他现有搜索方法进行搜索，其也是属于本发明构思下的技术手段。其次，本实施例中步骤1先于步骤2执行，其他可行的实施例中，可以先进行理论性分析，即先构建定位目标函数，再获取数据并利用实际获取的数据进行搜索。

实施例2：

在本发明提供的一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位方法的基础上，本发明提供一种含圆孔结构的声发射/微震事件定位系统，其包括：最短路径计算单元、P波初至数据拾取单元、定位目标函数建立单元、声发射/微震事件定位单元。

其中，最短路径计算单元：用于计算含圆孔结构的声发射源/震源与传感器之间的P波传播最短距离，其中，P波传播最短距离公式是依据声发射源/震源、传感器与圆孔的不同空间位置关系、含圆孔结构为平面结构、三维未通圆孔结构或三维全通圆孔结构类型设置的。具体的理论性内容以及计算过程请参照前述方法的内容。

P波初至数据拾取单元：用于拾取声发射/微震事件的P波初至数据。本实施例中采用AIC法拾取声发射/微震事件的P波初至数据后，用Matlab编写人机交互程序显示自动法拾取效果，最后用人工方式校正拾取误差较大和无P波初至拾取的信号的单元；

定位目标函数建立单元：用于建立去除P波初至系统误差后的定位目标函数；

声发射/微震事件定位单元：用于基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

需要说明的是，若定位目标函数为实施例1所述的函数，则优选还包括系统误差校正单元：使用双差法反演声发射信号P波初至系统误差，得到校正后的P波初至数据。

其中，各个单元模块的具体实现过程请参照前述方法的对应过程。应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

实施例3：

本实施例提供一种终端，其包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现：

步骤1：拾取声发射/微震事件的P波初至数据；

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数；

步骤3：基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

该终端还包括：通信接口，用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。

其中，存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性除颤器，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器、处理器和通信接口独立实现，则存储器、处理器和通信接口可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构总线，外部设备互联总线或扩展工业标准体系结构总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

可选的，在具体实现上，如果存储器、处理器和通信接口集成在一块芯片上，则存储器、处理器即通信接口可以通过内部接口完成相互之间的通信。

各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

实施例4：

本实施例提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

步骤1：拾取声发射/微震事件的P波初至数据；

步骤2：构建去除P波初至系统误差的定位目标函数；

步骤3：基于拾取的P波初至数据、所述定位目标函数反演推导出含圆孔结构的声发射/微震事件位置。本实施例中，选择网格搜索法确定含圆孔结构声发射/微震事件位置。

各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

数据验证

以平面内含圆孔结构声发射/微震理论事件为例说明本方法的有效性。图5展示了平面内含圆孔结构测试事件定位结果云图，其中图5的(a)、(b)分别对应粗网格、细网格搜索时间拟合误差云图。设定平面含圆孔结构长为30cm，宽为20cm，结构中心圆孔半径r为2.5cm，声发射事件位置为(25，5)cm，传感器坐标见表1，P波传播速度为0.6cm/us。首先使用粗网格划分圆孔结构，搜索得到各网格点的时间拟合误差如图5的(a)所示，五角星为测试事件位置，菱形为定位结果。可见越靠近震源位置，时间拟合误差越小。进一步，以上述菱形位置为中心，搜索其周围1cm网格的时间拟合误差如图5的(b)所示，搜索得到的声发射/微震事件位置为(25，5)cm，与测试事件位置重合。综上，本发明提供的一种含圆孔结构声发射/微震事件精准定位方法定位精度高，采用网格搜索法全局性较好，可以得到稳定的定位结果。

表1传感器位置坐标

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。