[发明专利]一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法

说明书

技术领域

本发明属于分布式爆破震动测试技术、无源定位技术和传感器技术领域，具体来说是涉及一种复合式智能震动传感器及震源测试定位方法。

背景技术

基于无线传感器网络的地下震源定位技术是在地下震源近场监测区域内，由大量不同埋设深度的传感器节点，通过自组织和多跳方式构成得无线网络，协作地感知、监测、采集、处理以及传输震源产生的震动信号（如在爆破近区传播的是冲击波信号、在中区冲击波逐渐转换为应力波信号，其传播速度近似声波速度，在远区近似弹性震动的地震波信号），并通过分析各个节点收集到的震动信息的特征，以实现震源的定位。

本发明所涉及的地下震源定位技术属于近场震源定位技术，即在震源的近区进行定位。该技术可以有效地解决地下石油勘探、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各种震源定位问题，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泛的应用前景。

地下震源定位主要采用基于波到达方向定位法（DOA，Direct of Angle）和基于时间差定位法(TDOA，Time Difference of Arrival)。其中基于波到达方向定位法主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位；时差定位法主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位。随着无源定位技术的发展，同时为了满足高精度的定位要求，采用DOA和TDOA相结合的混合定位方法成为了目前地下震源定位技术研究的热点。

在地下震源定位的过程中，不同的定位方法需要选择不同特点的传感器。当采用DOA进行定位时，要求震动传感器能够有效获取三维震动信号的幅值、方向等矢量信息，同时具有很好的线性度、横向灵敏度和轴间抑制比。当采用TDOA进行定位时，并不要求震动传感器能够获取震动信号的矢量信息，但要求震动传感器具有较高的频率响应，能够获取极为精确的峰值-时间信息。可见，在地下震源定位过程中，震动传感器特点和性能是实现DOA和TDOA融合定位法的前提和保障。

目前，在地下震动定位过程中，主要将地震检波器安装于地表面，实现远距离的震源定位，如一种三分量光电混合集成加速度地震检波器（专利号：CN201417314Y），智能三分量地震检波器（专利号：CN1387050A），动圈式地震检波器（专利号：CN201514488U）等,但在地下近场震源定位过程中，还没有一种现有的震动传感器适合于安装在地下，进行高精度的DOA和TDOA融合定位。当把现有的震动传感器应用于地下进行基于DOA和TDOA的定位时，存在如下问题：

1、震动传感器（包括检波器），通常将敏感单元安装在具有一定外形结构的防护壳内（一般为长方形、圆柱形或锥形），在近场环境中,由于应力波径向衰减快，而通常的传感器外形结构（如方形，圆柱形等）很难保证其以波线为轴线对称，传感器在受力过程中会产生不平衡力矩，传感器及外壳的受力方向与应力波传播方向会不一致，使得震动传感器三个轴向检测到的震动信息矢量和与实际应力波传播方向之间出现偏差，造成在地下震源的定位过程中，无法真实的获取波到达的角度信息，造成DOA定位出现不可避免的误差。

2、传感器在地下安装过程中，为了最大程度不破坏被测场地性质，需要通过深孔将传感器安装到预定位置，由于距地有一定深度，人为无法将震动传感器的三轴固定到预设方向上，造成在测试场内，各个震动传感器节点都存在一个自身的三轴震动坐标系，而很难修正到一个人为设定的统一坐标系下，从而不能将波到达的震动信息转换为有效地波到达的角度信息，无法实现DOA定位算法，同时也不能有效地研究应力波（包括横波、纵波等多种波形成分）在测试场中的传播特性。

3、在地下震源定位过程中，为了提高震动信号的采集精度，需要在震动测试场不同范围的测试区内安装不同量程的传感器，但由于实际震动强度和理论计算存在偏差，造成在实际震动传感器选型后测试时，出现某个节点的震动传感器没有信号，或出现信号满幅的现象。

4、采用TDOA进行定位时，要求传感器具有极高的频率响应、高过载，并不要求传感器能够获取震动的矢量信息，只需获取震动强度峰值对应的峰值-时间信息即可（即标量信息），因此,这种高频响的传感器主要为单轴，将敏感轴指向探测方向即可，但在地下安装过程中，无法可靠地将敏感轴指向震动方向，因此无法获得最为精准的时间信息。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术所存在的问题，提供一种在地下震源近场监测区域内使用的复合式智能震动传感器与震源测试定位方法，以实现在地下震源定位。