基于LabVIEW的地下震源定位系统设计*

宋　璐，姚金杰，韩　焱

（中北大学信息探测与处理山西省重点实验室，太原　030051）



基于LabVIEW的地下震源定位系统设计*

宋璐，姚金杰，韩焱

（中北大学信息探测与处理山西省重点实验室，太原030051）

摘要：针对小区域浅层地下震源定位中，由于震动信号受传输介质复杂、传感器不稳定等因素影响，出现初至波提取困难、震源定位低精度等问题，设计了基于LabVIEW的地下震源定位系统，实现三轴信号合成、基于小波变换的阈值去噪、基于改进的长短时窗（STA/LTA）的初至提取、基于时差技术（TDOA）的联合定位算法等功能模块。结果表明，该软件在10 m×10 m×3 m的区域内，初至特征提取精确到10-4s，定位精度精确到0.1 m，可以广泛应用于爆破定位、信息侦查等领域。

关键词：震动信号，小波去噪，初至提取，震源定位，虚拟仪器

0　引言

震源定位是指利用设备和相关资料确定震源位置。它在矿山安全监测、水库大坝等领域有广泛应用［1］。在小区域地下震动波传播过程中，由于传输介质自身结构的复杂性、不均匀性，震动波的反射和折射等影响，使得震动信号中有用信号的能量较弱；在传输采集过程中，传感器不稳定等因素使得信号的信噪比较低，震动信号初至波提取困难，并且降低了震源定位精度。因此，为了准确定位，需要软件对信号完成降噪处理及时频分析等。随着虚拟仪器技术的发展，LabVIEW已目前广泛应用于仪器测量控制、数据采集和分析、自动化等领域。因此，本文针对震源定位精度的需求，设计了一种基于LabVIEW［2］的地下震源定位软件，完成对震动信号的提取，消噪，精确定位等功能。

1　系统总体设计

软件设计按照可扩展性、易维护性、完整性的设计原则，由数据显示模块、预处理模块、特征提取模块、定位功能模块、传感器位置显示模块、误差分析模块组成，完成了单轴分量显示功能、合成信号显示功能、小波去噪功能、初至波提取功能、最小二乘法（the least square method，LS）功能、Chan算法功能、泰勒算法（Taylor）功能、牛顿算法（Newton）功能、RMSE误差功能。软件总体设计图如图1所示。

图1软件总体框图

整个软件工作过程如下：将传感器采集的信号通过多通道转接盒连接数据采集仪进行存储，利用软件分析处理信号。首先显示信号单轴和合成波形，降噪处理后观察信号特征，最终初至提取和定位。

2　系统模块设计

2.1传感器坐标显示模块

由于震动信号含有不同的频响，因此，选用MEMS三轴加速度传感器［3］，其频率范围较广。软件通过三维散点图显示传感器位置信息。

2.2数据显示模块设计

本文信号属于小区域浅层信号，其震动的深度较浅，一般不超过100 m［4］。设计旋钮可以方便切换显示单轴信号X、Y、Z。设定“采样频率”的大小、“起始位置”以及“截取长度”可以解决读取海量数据造成时耗过长问题，还可以选择所需的区域来显示分析。合成信号显示是将三轴信号按照计算公式S=进行合成。

2.3消噪处理模块设计

震动信号中混有大量尖峰类的信号，采用小波阈值去噪［5-6］后更有利于波形的分析，其特别合适处理震动信号这种非平稳信号。设信号为有效信号和噪声信号组成，经过小波变换后得到小波系数，然后设定合适阈值，将小于阈值的系数设置为零，得到新系数经过重构恢复原始信号。设计选择WA Denoise VI。根据Donoho理论设置阈值 ，去噪准则选择Hybrid准则较优。选择db7小波为小波基函数，分解层数设定为4层。

2.4特征提取模块设计

图2算法流程图

2.5定位模块设计

采用时差定位（time difference of arrival，TDOA）技术［8 - 9］，包括最小二乘法、Chan算法和泰勒算法（Taylor），牛顿算法（Newton）。定位原理：建立三维坐标系，设任意两个传感器i，j，坐标分别为（xi，yi，zi）与（xj，yj，zj），震源坐标为（x，y，z），建立方程

上式中，Ri，j为两传感器之间距离的差值，v为地震动信号的传播速度，△tij为时间差。Chan算法是选取4个传感器按式（1）列出方程组，将其线性化后，利用伪逆法求出估计值。其特点是计算量小。Taylor算法［10］递归求解方程，因此，需要初始值，将式（1）按照泰勒级数展开得到递归公式，每递归一次后，函数的变化越来越小，当其小于设定的门限值则为估计位置。其初始值选取不好，会偏离目标位置。因此，可以利用Chan算法求得初始值带入到泰勒算法中，充分发挥了Chan算法初值估计性好和泰勒级数展开法收敛速度快的特点且提高了定位精度。此外，软件也实现了最小二乘法、牛顿算法（Newton）。联合算法思路如图3所示。

图3联合算法思路图

3　软件运行结果

3.1总体界面

软件设计总体界面如图4所示。各部分功能在前面板以按钮显示，设计旋钮可使信号在X、Y、Z轴之间切换显示。整个程序用事件结构连接并响应各个功能。功能之间数据传递以控件属性节点来完成。图中显示的为单轴信号X轴的波形。设定采样频率为20 kHz，数据长度为8 000个点，起始位置从60 000个点开始。

图4软件总体界面

3.2信号合成与滤波后信号

图5显示的是三轴合成信号和其去噪后信号。经过去噪后的信号，波形明显平滑，突出波形起跳的时刻。

图5原始合成信号和去噪信号对比

3.3初至结果

通过特征提取模块提取初至值，运行后显示初至波在3.0465s时刻到来，提取时间精确到了10-4s。波形如图6所示。

图6初至结果

3.4定位结果

选择10 m×10 m×3 m的试验场地，采用10个传感器分散式布设，获得相应的信号的初至波时刻，选取1号为参照传感器，震源位置为（3，2，-1），求得其他传感器相对参照传感器时差信息，如下页表1所示。利用时差信息，运行软件中的算法，得到的震动信号位置坐标和误差如表2所示。

表2时差信息

表2定位结果对比

由表2可以看出，在10 m×10 m×3 m试验场地内，使用上述算法的定位精度都在0.1 m以内。Chan算法比Taylor算法定位误差大，而使用联合定位算法能大大提高定位精度，使得定位精度提高了一个数量级。

4　结论

本文设计的地下震源定位软件完成了信号的三轴分量显示、合成、去噪处理、初至波提取以及震源定位等功能，其初至特征提取精确到10-4s，定位精度精确到0.1 m，且具有运行稳定可靠，操作简便等特点。可以应用于信息侦查、目标点定位、爆炸炸点定位、煤矿及管道安全监测系统等。

参考文献：

［1］刘恒.微地震定位方法研究及应用［D］.合肥：中国科学技术大学，2009.

［2］陈国顺，张桐，郭阳宽，等.精通LabVIEW程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［3］王建东，刘云辉，樊玮虹.MEMS传感器的惯性测量模块的设计与初始校准［J］.传感器与维系统，2006，25（10）：82-85.

［4］LU W B，YANG J H，CHEN M，et al.An equivalent method for blasting vibration simulation［J］.Simulation Modeling Practice and Theory，2011（19）：2050-2062.

［5］吴治涛，骆循，李仕雄.联合小波变换与偏振分析自动拾取微地震P波到时［J］.地球物理学进展，2012，27（1）：131-136.

［6］MALLAT S G.A theory for multidimension signal decomposition：The wavelet model［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1989（11）：674-693.

［7］周彦文.初至震相自动识别方法研究与发展趋势［J］.华北地震科学，2007，25（4）：19-21.

［8］BISHOPA A N，FIDAN B.Exploiting geometry for improved hybrid AOA/TDOA-based localization［J］.Signal Processing，2008（88）：1775-1791.

［9］刘希强，孙亚强，赵冰.地震震中实时动态定位方法研究［J］.西北地震学报，2012，34（4）：342-349.

［10］周康磊，毛永毅.基于残差加权的Taylor计算展开TDOA无线定位算法［J］.西安邮电学院学报，2010，15（3）：11-12.

Underground Source Localization System Based on LabVIEW

SONG Lu，YAO Jin-jie，HAN Yan
（Key laboratory of Signal Capturing and Processing Technology in Shanxi，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Aiming at the problem of primary wave extraction difficulty and low accuracy of positioning in small area of shallow underground source localization，a kind of underground source localization system based on LabVIEW is designed due to the complexity of transmission media and the instability of sensors，which completes some functions，such as the synthesis of three -axis signals、threshold denoising function based on wavelet transform、the extraction of characteristic based on STA/ LTA algorithm and the joint source localization based on TDOA technology. Results show that the software system can extract the first arrival time to 10- 4s accuracy and the positioning accuracy with 0.1 m in 10 m×10 m×3 m area. It can be effectively applied in blasting positioning、information investigation and so on.

Key words：vibration signal，wavelet denoising，feature extraction，source localization，virtual instruments

作者简介：宋璐（1990-），女，山西太原人，硕士研究生。研究方向：电子与通信工程。

*基金项目：国家自然科学基金（61227003，61171179）；山西省自然科学基金资助项目（2012021011-2）

收稿日期：2014-12-27

文章编号：1002-0640（2016）02-0132-04

中图分类号：TP274

文献标识码：A

修回日期：2015-03-08