一种基于GCLM-网格搜索算法的声发射源定位方法

摘要

本发明公开了一种基于GCLM‑网格搜索算法的声发射源定位方法。首先对处于三维空间内的声发射源周围布置多个传感器，然后利用主传感器和各次传感器间的时间差来构造目标函数，通过GCLM算法对其进行迭代求解，得到初步的定位结果，以此结果作为中心点坐标，在该点的邻近区域采用网格搜索法计算最优定位结果，能够解决迭代算法对初值的依赖，避免目标函数陷入局部极值，从而实现迭代初值和时间测量误差等因素影响下声发射源的精确定位。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于GCLM-网格搜索算法的声发射源定位方法。

背景技术

近年来，由岩体开挖导致的煤岩变形破坏而诱致的重大煤矿灾害问题也愈发突出，这些矿井灾害对于工人的生命安全以及矿井的安全生产有着重大的威胁，并且灾害发生前往往会产生一些特殊的现象。

目前，声发射是研究准脆性材料变形破坏演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时地监测准脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，已被广泛应用在煤岩、混凝土等准脆性材料的研究中。因此，准确监测岩石变形破坏演化过程，对认识矿井煤岩灾害的发生机制有着重要作用。在声发射定位领域提出了许多定位算法，比如经典的最小二乘法、单纯形法、Geiger算法和牛顿迭代法等，但这些定位算法对迭代初值的选取都比较敏感，其处理效率及定位结果的好坏都依赖于初值。

发明内容

本发明提供了一种基于GCLM-网格搜索算法的声发射源定位方法，实时监测材料内部结构的微观变化，来为煤岩动力灾害监测预警和煤矿安全生产提供有力的数据支持，以克服现有定位算法存在的不足。

为实现以上的技术目的，本发明将提供以下的技术方案：

一种基于GCLM-网格搜索算法的声发射源定位方法，包括以下步骤：

步骤1，对于三维空间结构上的声发射源，布置M个用于接收声发射源发出的声发射信号的传感器；所述传感器中将其中一个定为主传感器，其余的定为次传感器；在前述的三维空间内建立直角坐标系，使得声发射源的坐标为(x，y，z)，主传感器的坐标为(x

步骤2，通过信号处理方法获得主传感器与各个次传感器接收到信号的时间差t

步骤3，以状态向量X来表征声发射源的位置和声发射信号从声发射源到达主传感器的时间；定义状态向量X＝(x，y，z，T)

步骤4，将声发射定位问题转化为最优化求解问题，构造目标函数进行迭代求解状态向量X，其中：

时间差定位方程组表达式为：

f(x,y,z,T)＝(x-x

目标函数表达式为：

式中：F＝[f

步骤5，采用GCLM-网格搜索算法来进行迭代求解，计算状态向量X的最优解，并以满足迭代次数或迭代终止条件的最后一次迭代出的状态向量X最优解作为声发射源位置。

根据以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

本发明在对声发射源进行定位时，考虑了迭代初值选择和时间测量误差的影响，本方法将声发射源定位转化成最优化求解问题，建立时间差方程组，进而构造目标函数，以波速和主传感器与各个次传感器接收到信号的时间差为已知测量量，以声发射源位置和声发射信号从声发射源到达主传感器的时间为状态变量。由于缺乏精确解，采用GCLM-网格搜索算法对未知状态变量进行迭代求解，最终实现全局最优定位。

附图说明

图1是三维空间声发射源定位示意图；

图2是三维空间声发射传感器位置图；

图3是传感器S

图4是模拟声发射源的定位绝对误差图。

具体实施方式

下面结合附图及实施案例对本发明做进一步说明：

如图1为三维空间声发射源定位示意图。

本发明所述的一种基于GCLM-网格搜索算法的声发射源定位方法，用于迭代初值选择和时间测量误差的影响下的声发射源的定位，包括如下步骤：

步骤1，对于三维空间结构上的声发射源，布置M个用于接收声发射源发出的声发射信号的传感器；所述传感器中将其中一个定为主传感器，其余的定为次传感器；在前述的三维空间内建立直角坐标系，使得声发射源的坐标为(x，y，z)，主传感器的坐标为(x

步骤2，通过信号处理方法获得主传感器与各个次传感器接收到信号的时间差t

步骤3，以状态向量X来表征声发射源的位置和声发射信号从声发射源到达主传感器的时间；定义状态向量X＝(x，y，z，T)

步骤4，将声发射定位问题转化为最优化求解问题，构造目标函数进行迭代求解状态向量X，其中：

时间差定位方程组表达式为：

f(x,y,z,T)＝(x-x

目标函数表达式为：

式中：F＝[f

步骤5，采用GCLM-网格搜索算法来进行迭代求解，计算状态向量X的最优解，并以满足迭代次数或迭代终止条件的最后一次迭代出的状态向量X最优解作为声发射源位置；

步骤5中提及的采用GCLM-网格搜索算法求解状态向量X，包括以下步骤：

步骤一，为了求解目标函数，利用迭代公式(5)的迭代解d

式中：k为迭代次数；J

步骤二，利用信赖域半径α

步骤三，第k步迭代的实际下降量Ared

Ared

Pred

步骤四，取上式，代入迭代公式(5)求解d

r

其中：r

步骤五，求解出r

步骤六，判断迭代终止条件或预先设定的迭代次数是否成立，若成立，则得到迭代解；否则，返回步骤一继续循环，直到满足迭代终止条件；

步骤七，以GCLM算法的迭代结果为中心点，确定初始搜索区域，并将搜索区域划分为若干个网格，形成N个网格顶点；针对每个网格顶点构造一个代价函数，其代价函数最小值所对应的网格点位置就是最优定位点。

实例描述

如图2所示，所监测结构为煤样，其尺寸为30mm×220mm×50mm，在该试件表面区域布置10个传感器，分别命名为S

采用在煤样上断铅的方式模拟声发射的产生，共7个声发射源，分别命名为P

以S

以P

表1传感器位置坐标

表2断铅点位置坐标

表3主传感器与各次传感器间的时间差

表4各声发射模拟源定位结果

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。