基于LabVIEW的地下震源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宋　璐，姚金杰，韓　焱

（中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原　030051）

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基于LabVIEW的地下震源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宋璐，姚金杰，韓焱

（中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：針對(duì)小區(qū)域淺層地下震源定位中，由于震動(dòng)信號(hào)受傳輸介質(zhì)復(fù)雜、傳感器不穩(wěn)定等因素影響，出現(xiàn)初至波提取困難、震源定位低精度等問題，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的地下震源定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三軸信號(hào)合成、基于小波變換的閾值去噪、基于改進(jìn)的長(zhǎng)短時(shí)窗（STA/LTA）的初至提取、基于時(shí)差技術(shù)（TDOA）的聯(lián)合定位算法等功能模塊。結(jié)果表明，該軟件在10 m×10 m×3 m的區(qū)域內(nèi)，初至特征提取精確到10-4s，定位精度精確到0.1 m，可以廣泛應(yīng)用于爆破定位、信息偵查等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：震動(dòng)信號(hào)，小波去噪，初至提取，震源定位，虛擬儀器

0　引言

震源定位是指利用設(shè)備和相關(guān)資料確定震源位置。它在礦山安全監(jiān)測(cè)、水庫大壩等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［1］。在小區(qū)域地下震動(dòng)波傳播過程中，由于傳輸介質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、不均勻性，震動(dòng)波的反射和折射等影響，使得震動(dòng)信號(hào)中有用信號(hào)的能量較弱；在傳輸采集過程中，傳感器不穩(wěn)定等因素使得信號(hào)的信噪比較低，震動(dòng)信號(hào)初至波提取困難，并且降低了震源定位精度。因此，為了準(zhǔn)確定位，需要軟件對(duì)信號(hào)完成降噪處理及時(shí)頻分析等。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，LabVIEW已目前廣泛應(yīng)用于儀器測(cè)量控制、數(shù)據(jù)采集和分析、自動(dòng)化等領(lǐng)域。因此，本文針對(duì)震源定位精度的需求，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW［2］的地下震源定位軟件，完成對(duì)震動(dòng)信號(hào)的提取，消噪，精確定位等功能。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)按照可擴(kuò)展性、易維護(hù)性、完整性的設(shè)計(jì)原則，由數(shù)據(jù)顯示模塊、預(yù)處理模塊、特征提取模塊、定位功能模塊、傳感器位置顯示模塊、誤差分析模塊組成，完成了單軸分量顯示功能、合成信號(hào)顯示功能、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、牛頓算法（Newton）功能、RMSE誤差功能。軟件總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1軟件總體框圖

整個(gè)軟件工作過程如下：將傳感器采集的信號(hào)通過多通道轉(zhuǎn)接盒連接數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行存儲(chǔ)，利用軟件分析處理信號(hào)。首先顯示信號(hào)單軸和合成波形，降噪處理后觀察信號(hào)特征，最終初至提取和定位。

2　系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1傳感器坐標(biāo)顯示模塊

由于震動(dòng)信號(hào)含有不同的頻響，因此，選用MEMS三軸加速度傳感器［3］，其頻率范圍較廣。軟件通過三維散點(diǎn)圖顯示傳感器位置信息。

2.2數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)

本文信號(hào)屬于小區(qū)域淺層信號(hào)，其震動(dòng)的深度較淺，一般不超過100 m［4］。設(shè)計(jì)旋鈕可以方便切換顯示單軸信號(hào)X、Y、Z。設(shè)定“采樣頻率”的大小、“起始位置”以及“截取長(zhǎng)度”可以解決讀取海量數(shù)據(jù)造成時(shí)耗過長(zhǎng)問題，還可以選擇所需的區(qū)域來顯示分析。合成信號(hào)顯示是將三軸信號(hào)按照計(jì)算公式S=進(jìn)行合成。

2.3消噪處理模塊設(shè)計(jì)

震動(dòng)信號(hào)中混有大量尖峰類的信號(hào)，采用小波閾值去噪［5-6］后更有利于波形的分析，其特別合適處理震動(dòng)信號(hào)這種非平穩(wěn)信號(hào)。設(shè)信號(hào)為有效信號(hào)和噪聲信號(hào)組成，經(jīng)過小波變換后得到小波系數(shù)，然后設(shè)定合適閾值，將小于閾值的系數(shù)設(shè)置為零，得到新系數(shù)經(jīng)過重構(gòu)恢復(fù)原始信號(hào)。設(shè)計(jì)選擇WA Denoise VI。根據(jù)Donoho理論設(shè)置閾值 ，去噪準(zhǔn)則選擇Hybrid準(zhǔn)則較優(yōu)。選擇db7小波為小波基函數(shù)，分解層數(shù)設(shè)定為4層。

2.4特征提取模塊設(shè)計(jì)

圖2算法流程圖

2.5定位模塊設(shè)計(jì)

采用時(shí)差定位（time difference of arrival，TDOA）技術(shù)［8 - 9］，包括最小二乘法、Chan算法和泰勒算法（Taylor），牛頓算法（Newton）。定位原理：建立三維坐標(biāo)系，設(shè)任意兩個(gè)傳感器i，j，坐標(biāo)分別為（xi，yi，zi）與（xj，yj，zj），震源坐標(biāo)為（x，y，z），建立方程

上式中，Ri，j為兩傳感器之間距離的差值，v為地震動(dòng)信號(hào)的傳播速度，△tij為時(shí)間差。Chan算法是選取4個(gè)傳感器按式（1）列出方程組，將其線性化后，利用偽逆法求出估計(jì)值。其特點(diǎn)是計(jì)算量小。Taylor算法［10］遞歸求解方程，因此，需要初始值，將式（1）按照泰勒級(jí)數(shù)展開得到遞歸公式，每遞歸一次后，函數(shù)的變化越來越小，當(dāng)其小于設(shè)定的門限值則為估計(jì)位置。其初始值選取不好，會(huì)偏離目標(biāo)位置。因此，可以利用Chan算法求得初始值帶入到泰勒算法中，充分發(fā)揮了Chan算法初值估計(jì)性好和泰勒級(jí)數(shù)展開法收斂速度快的特點(diǎn)且提高了定位精度。此外，軟件也實(shí)現(xiàn)了最小二乘法、牛頓算法（Newton）。聯(lián)合算法思路如圖3所示。

圖3聯(lián)合算法思路圖

3　軟件運(yùn)行結(jié)果

3.1總體界面

軟件設(shè)計(jì)總體界面如圖4所示。各部分功能在前面板以按鈕顯示，設(shè)計(jì)旋鈕可使信號(hào)在X、Y、Z軸之間切換顯示。整個(gè)程序用事件結(jié)構(gòu)連接并響應(yīng)各個(gè)功能。功能之間數(shù)據(jù)傳遞以控件屬性節(jié)點(diǎn)來完成。圖中顯示的為單軸信號(hào)X軸的波形。設(shè)定采樣頻率為20 kHz，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 000個(gè)點(diǎn)，起始位置從60 000個(gè)點(diǎn)開始。

圖4軟件總體界面

3.2信號(hào)合成與濾波后信號(hào)

圖5顯示的是三軸合成信號(hào)和其去噪后信號(hào)。經(jīng)過去噪后的信號(hào)，波形明顯平滑，突出波形起跳的時(shí)刻。

圖5原始合成信號(hào)和去噪信號(hào)對(duì)比

3.3初至結(jié)果

通過特征提取模塊提取初至值，運(yùn)行后顯示初至波在3.0465s時(shí)刻到來，提取時(shí)間精確到了10-4s。波形如圖6所示。

圖6初至結(jié)果

3.4定位結(jié)果

選擇10 m×10 m×3 m的試驗(yàn)場(chǎng)地，采用10個(gè)傳感器分散式布設(shè)，獲得相應(yīng)的信號(hào)的初至波時(shí)刻，選取1號(hào)為參照傳感器，震源位置為（3，2，-1），求得其他傳感器相對(duì)參照傳感器時(shí)差信息，如下頁表1所示。利用時(shí)差信息，運(yùn)行軟件中的算法，得到的震動(dòng)信號(hào)位置坐標(biāo)和誤差如表2所示。

表2時(shí)差信息

表2定位結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出，在10 m×10 m×3 m試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，使用上述算法的定位精度都在0.1 m以內(nèi)。Chan算法比Taylor算法定位誤差大，而使用聯(lián)合定位算法能大大提高定位精度，使得定位精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的地下震源定位軟件完成了信號(hào)的三軸分量顯示、合成、去噪處理、初至波提取以及震源定位等功能，其初至特征提取精確到10-4s，定位精度精確到0.1 m，且具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)?？梢詰?yīng)用于信息偵查、目標(biāo)點(diǎn)定位、爆炸炸點(diǎn)定位、煤礦及管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

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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

作者簡(jiǎn)介：宋璐（1990-），女，山西太原人，碩士研究生。研究方向：電子與通信工程。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61227003，61171179）；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012021011-2）

收稿日期：2014-12-27

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0132-04

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-03-08