微地震事件定位精度优化关键技术研究

论文摘要

微地震监测技术是用于岩体稳定性分析的重要技术手段之一,已在矿山、大坝、深埋地下隧洞、岩质边坡等的安全监测领域取得了广泛的应用。微地震监测技术相比于其他监测技术的优势在于其能通过对微地震事件的时空定位,勾勒出岩爆孕育的过程,为现场的支护和施工提供参考,同时便于学者分析岩爆发生的机理。因此对微地震事件的准确定位至关重要,也是目前微地震监测技术研究的重点和难点。本文围绕着如何进一步提高微地震事件定位精度这一问题,在前人的研究为基础上,借鉴主动震源技术的思想,重点针对到时、定位算法和速度模型三个影响微地震事件定位精度主要因素从算法和硬件上进行了优化。主要完成以下研究工作:（1）针对到时的拾取优化,在算法上,利用偏振分析方法约束AIC（Akaike Information Criterion,赤池信息准则）算法,提出了一种与时窗长度无关的单时窗到时拾取算法,克服了数据信噪比和数据拖尾对AIC算法的影响。其次,针对目前自动到时拾取算法的最高拾取精度受限于硬件的采样率,设计了基于FPGA（Field Programable Gate Array,现场可编程门阵列）的高速微地震数据采集单元,提高了采样数据的时间分辨率;接着,为降低高采样率下数据存储压力,在FPGA内部嵌入了FIR（Finite Impulse Response,有限长度冲击响应）滤波器和STA/LTA（Short-Term Average/Long-Term Average,长短时能量比法）算法用以甄别噪声数据和震动数据,通过选择保存的方式,仅对震动数据进行保存,降低高采样率下的存储空间占用。（2）针对速度模型和定位算法的优化,基于主动震源技术,提出了“震源-台站”速度模型,通过速度模型的优化提高现有算法的定位精度;同时借鉴主事件定位算法和双差定位算法,利用主动震源事件位置和起震时间已知的特点,减少双差算法中待求解参数的数量,提出了一种双差单震源定位算法,采用最优化算法对震源参数求解,进一步提高现有算法的定位精度和计算效率。而后,针对多主动震源情况下的震源和速度模型选择问题,对于双差单震源定位算法,提出了一种基于震源-台站绝对旅行时差之和方法的最佳震源选择方法;对于直接定位算法,提出了一种基于到时排序结合震源-台站绝对旅行时排序确定最佳混合“震源-台站”速度模型的方法。（3）针对实际应用中“震源-台站”速度模型的建立问题,设计了震源信息记录仪,用以记录震源的起震时间,震源信息记录仪通过PTP（Precision Time Synchronization Protocol,精确时间同步协议）协议与采集设备进行同步,保证震源记录时间和数据记录时间的统一。为了验证小型化震源在速度模型建立中的可行性,设计了基于压电陶瓷的小型震源,实验室验证结果表明,设计震源可重复性好,但是由于所选激振体功率太小,暂无法在实际监测中应用。（4）通过大量的正演试验,完成了对文中算法的正演验证;同时在西南科技大学隧道实验室和白鹤滩水电站进行了基于主动震源的微地震定位试验,正演结果和实验室定位结果表明采用改进后速度模型和定位方法的定位精度明显提高,大多数事件的定位误差降低一倍以上;白鹤滩水电站的定位结果显示改进后算法在隧道中对几次掘进爆破震源的平均定位误差小于7米,优于目前隧道工程中常用的速度模型和定位算法的结果,对掘进过程事件的定位结果与现场施工进度相符。研究工作中的主要创新点如下:（1）将主动震源技术引入到微地震事件的定位中,从算法和硬件层面对微地震定位精度进行了综合优化。（2）提出了一种与时窗长度无关的单时窗微地震数据到时拾取算法,在保证拾取精度的同时保证了计算效率,在单分量数据情况下,计算速度甚至优于能量比法。（3）设计了一种内嵌STA/LTA算法的高速微地震数据采集硬件,通过提高微地震数据的时间分辨率提高到时的拾取精度,同时由于STA/LTA算法的加入,滤除噪声数据,在提高采样率的同时,降低数据存储空间的占用。（4）提出了一种“震源-台站”速度模型和双差单震源定位算法,以及多主动震源下速度模型和最佳震源的选择方案,通过对速度模型以及定位算法的优化,降低微地震事件的定位误差。（5）设计了震源信息记录仪和一种基于压电陶瓷的小型主动震源,从硬件层面解决了主动震源技术在微地震监测领域的应用问题,为速度模型和算法的实现提供硬件支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 选题依据
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 微地震监测技术研究现状
•     1.2.2 微地震震源定位技术研究现状
•     1.2.3 微地震监测设备研究现状
•     1.2.4 主动震源技术研究现状
•     1.2.5 目前研究存在的不足
•   1.3 主要研究内容与技术路线
•   1.4 主要成果与认识
• 第2章 微地震监测原理及定位影响因素分析
•   2.1 微地震监测技术原理
•     2.1.1 微地震数据获取
•     2.1.2 微地震数据特征
•   2.2 微地震事件定位原理
•     2.2.1 三分量检波器定位方法
•     2.2.2 到时差定位方法
•   2.3 常用到时差定位算法及效果
•     2.3.1 Geiger定位算法
•     2.3.2 干涉走时法
•     2.3.3 主事件定位法
•     2.3.4 双差定位算法
•     2.3.5 模拟退火法
•     2.3.6 粒子群算法
•     2.3.7 算法效果分析
•   2.4 影响因素分析
•     2.4.1 到时拾取
•     2.4.2 速度模型
•     2.4.3 定位算法
•   2.5 本章小结
• 第3章 到时拾取优化
•   3.1 常用到时拾取算法原理
•     3.1.1 STA/LTA算法
•     3.1.2 M-AIC算法
•     3.1.3 偏振分析算法
•     3.1.4 多重互相关算法
•     3.1.5 目前到时拾取算法的不足
•   3.2 一种与时窗长度无关的单时窗到时拾取算法
•     3.2.1 算法原理与流程
•     3.2.2 SWM-AIC算法与常用算法的对比
•   3.3 微地震数据采集硬件优化
•     3.3.1 硬件优化方案
•     3.3.2 高速A/D模块及其控制器设计
•     3.3.3 数据流缓存模块
•     3.3.4 SDRAM控制器设计
•     3.3.5 以太网传输设计
•     3.3.6 SD卡控制模块设计
•     3.3.7 基于FIR核的滤波器模块
•     3.3.8 基于STA/LTA算法信号拾取单元硬件设计
•     3.3.9 硬件事件滤波性能测试
•   3.4 实测数据及其到时拾取
•     3.4.1 实测数据
•     3.4.2 到时拾取
•   3.5 本章小结
• 第4章 定位算法和速度模型的优化
•   4.1 基于主动震源原理对定位算法的改进
•     4.1.1 主动震源微地震监测技术定位原理
•     4.1.2 对传统到时差定位算法的改进
•     4.1.3 双差单震源定位算法
•     4.1.4 与双差定位方法和主事件定位方法的差异
•   4.2 对改进算法的正演验证
•     4.2.1 验证目的及方法
•     4.2.2 均匀介质模型验证
•     4.2.3 非均匀介质模型验证
•     4.2.4 改进方法小结
•   4.3 多主动震源下速度模型的选取
•     4.3.1 选取原则
•     4.3.2 选取方法
•     4.3.3 方法验证
•   4.4 主动震源技术微地震监测硬件基础
•     4.4.1 震源信息记录仪
•     4.4.2 震源信息记录仪与采集系统的同步
•     4.4.3 小型主动震源设计
•   4.5 本章小结
• 第5章 实验室及野外测试
•   5.1 实验室测试
•     5.1.1 试验条件及目的
•     5.1.2 试验过程
•     5.1.3 实验室测试小结
•   5.2 改进定位方法在白鹤滩水电站的应用
•     5.2.1 白鹤滩水电站概况
•     5.2.2 现场监测系统简介
•     5.2.3 现场微地震监测情况
•   5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈统

导师: 庹先国

关键词: 微震监测,事件定位,主动震源技术,算法优化,硬件优化

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 成都理工大学

基金: 国家自然科学基金委重大科研仪器设备开发项目(项目编号:41227802),国家自然科学基金委面上项目(项目编号:41774118),青年基金项目(项目编号:416004153 和 41604088),中国水利水电七局横向委托项目《地下厂房地应力与岩爆监测》

分类号: P631.4

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000001

总页数: 126

文件大小: 5111K

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