基于网格搜索-牛顿迭代法的微震震源定位算法
发布时间：2021-07-28 10:06
利用最优化算法对微震定位进行求解时,为了保证全局且快速收敛,结合网格搜索法的全局收敛性和牛顿迭代法的快速准确性,提出一种基于网格搜索-牛顿迭代法的微震震源定位反演算法。新算法首先通过对监测区域进行稀疏的网格划分,利用网格搜索法得到初步的定位结果,再以此结果作为牛顿迭代法的初始迭代值进行准确的定位计算。通过模拟实验,研究了地下介质速度各向异性和实际工程中测速误差对定位结果的影响,并与牛顿法、网格搜索法和模拟退火法对比新算法在定位准确度、稳定性以及计算效率方面的表现。结果表明:该算法在理论上可以相对高效、准确、稳定地定位微震事件。最后利用实例验证新算法定位效果,定位误差约为4 m。该算法在微震定位中具有一定的实用价值。
【文章来源】：矿业科学学报. 2019,4(06)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
网格搜索－牛顿迭代法流程Fig.1Theflowchartofthegrid－searchNewtonmethod
－H(m)－1珔g(r(m))(11)最终新的迭代值为r(m+1)=r(m)+Δr(m)=r(m)－H(m)－1珋g(r(m))(12)依据式(12)，定位结果由r(m)更新为r(m+1)。如果r(m+1)满足定位要求，则迭代算法停止输出定位结果;否则返回步骤(4)，直到满足条件时停止迭代。本文中停止迭代条件为目标函数式(9)的梯度小于10－5。2仿真模型实验及结果2.1仿真模型设置设定一个范围在1000m×1000m×500m的监测区域(图2)对定位方法的精确度和稳定性进行检验。假设微震波在地下介质的平均速度为5m/ms，微震的发震时刻为5ms，随机产生6个微震事件，在监测区域内外都有分布。事件1至事件6的空间坐标分别为:A(409，595，132)、B(263，603，401)、C(712，222，15)、D(118，297，465)、E(1096，1128，610)、F(1153，1026，574)。检波器空间坐标见表1。图2检波器与微震事件分布Fig.2Distributionofreceiversandmicroseismicevents表1检波器空间分布坐标Tab.1Coordinatesofreceivers检波器坐标/mxyz1000200500310000041000050051000100006100010005007010000801000500在实际工程环境中，地下介质存在各向异性，本文将各向异性体现在介质的速度参数上。具体做法参考李健［4］关于速度各向异性模型的处理，对一个微震事件与每个检波器之间的速度参数，在平均速度的基础上随机分配一个0(没有速度各向异性影响)、1%、3%的速度浮动范围。表2为不
8176.94257.18264.818141.89102.99236.88146.70225.02235.553%1154.63161.29152.22116.21343.37324.952164.91134.75184.5768.11325.56322.283176.12215.1377.09214.54257.58236.024184.49197.94127.09189.96226.04219.195148.68195.35169.69247.90134.79122.626165.40172.19202.87230.2843.7538.817125.44131.94210.87177.55263.57262.128137.99105.01233.05149.92222.84230.912.2定位结果分析2.2.1网格离散点数对定位结果的影响对于网格搜索－牛顿迭代算法，首先要进行对监测空间的离散网格点划分，图3显示的是针对图2的监测区域在不同网格划分条件下，6个微震事件的平均定位误差。对于图2中x、y轴坐标，划分区域在(0m，1500m)，z轴的划分区域在(0m，700m)。为了显示不同网格划分对定位算法准确程度和算法计算时间的影响，针对图2的监测区域，将每一个维度分别离散成5、10、15、20、30、40、50和60个离散点进行网格搜索法定位。从计算时间分析，随着每一个维度网格离散点增多，算法计算时间以指数的形式增长，这使得单纯使用网格搜索法进行准确定位需要消耗大量的计算时间，这与微震监测需要实时性定位相矛盾;从定位准确度分析，图3不同网格划分对定位结果的影响Fig.3Thelocationresultsofdifferentdiscretizedstrategies定位误差在x、y、z轴坐标则因位置关系受到了网格划分的影响，所以三个坐标轴上的定位准确度遵循划分点越多定位越准确的原则。观察图3中的484矿业科学学报第4卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤矿井下微震震源高精度定位研究[J]. 程久龙,宋广东,刘统玉,胡宾鑫,王纪强,王金玉. 地球物理学报. 2016(12)
[2]基于L1范数统计的单纯形微震震源定位方法[J]. 李楠,王恩元,孙珍玉,李保林. 煤炭学报. 2014(12)
[3]基于无需测速的单纯形法微地震定位改进研究[J]. 李健,高永涛,谢玉玲,周喻,杨凯. 岩石力学与工程学报. 2014(07)
[4]矿山尺度下微震定位精度及稳定性控制初探[J]. 谢兴楠,叶根喜,柳建新. 岩土工程学报. 2014(05)
[5]基于稳健模拟退火-单纯形混合算法的微震定位研究[J]. 吕进国,姜耀东,赵毅鑫,祝捷,王欣,陶磊. 岩土力学. 2013(08)
[6]微震波自动拾取与多通道联合定位优化[J]. 朱权洁,姜福兴,王存文,刘懿,王进强,于正兴. 煤炭学报. 2013(03)
[7]煤矿矿震定位中异向波速模型的构建与求解[J]. 巩思园,窦林名,马小平,牟宗龙,贺虎,何江. 地球物理学报. 2012(05)
[8]提高煤矿微震定位精度的台网优化布置算法[J]. 巩思园,窦林名,马小平,牟宗龙,陆菜平. 岩石力学与工程学报. 2012(01)
[9]利用网格搜索进行地球椭球面闪电定位[J]. 文银平,胡志祥,赵文光,朱宏平. 武汉大学学报(信息科学版). 2010(09)
[10]基于不同初值的微震源定位方法[J]. 林峰,李庶林,薛云亮,徐宏斌. 岩石力学与工程学报. 2010(05)
本文编号：3307711
【文章来源】：矿业科学学报. 2019,4(06)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
网格搜索－牛顿迭代法流程Fig.1Theflowchartofthegrid－searchNewtonmethod
－H(m)－1珔g(r(m))(11)最终新的迭代值为r(m+1)=r(m)+Δr(m)=r(m)－H(m)－1珋g(r(m))(12)依据式(12)，定位结果由r(m)更新为r(m+1)。如果r(m+1)满足定位要求，则迭代算法停止输出定位结果;否则返回步骤(4)，直到满足条件时停止迭代。本文中停止迭代条件为目标函数式(9)的梯度小于10－5。2仿真模型实验及结果2.1仿真模型设置设定一个范围在1000m×1000m×500m的监测区域(图2)对定位方法的精确度和稳定性进行检验。假设微震波在地下介质的平均速度为5m/ms，微震的发震时刻为5ms，随机产生6个微震事件，在监测区域内外都有分布。事件1至事件6的空间坐标分别为:A(409，595，132)、B(263，603，401)、C(712，222，15)、D(118，297，465)、E(1096，1128，610)、F(1153，1026，574)。检波器空间坐标见表1。图2检波器与微震事件分布Fig.2Distributionofreceiversandmicroseismicevents表1检波器空间分布坐标Tab.1Coordinatesofreceivers检波器坐标/mxyz1000200500310000041000050051000100006100010005007010000801000500在实际工程环境中，地下介质存在各向异性，本文将各向异性体现在介质的速度参数上。具体做法参考李健［4］关于速度各向异性模型的处理，对一个微震事件与每个检波器之间的速度参数，在平均速度的基础上随机分配一个0(没有速度各向异性影响)、1%、3%的速度浮动范围。表2为不
8176.94257.18264.818141.89102.99236.88146.70225.02235.553%1154.63161.29152.22116.21343.37324.952164.91134.75184.5768.11325.56322.283176.12215.1377.09214.54257.58236.024184.49197.94127.09189.96226.04219.195148.68195.35169.69247.90134.79122.626165.40172.19202.87230.2843.7538.817125.44131.94210.87177.55263.57262.128137.99105.01233.05149.92222.84230.912.2定位结果分析2.2.1网格离散点数对定位结果的影响对于网格搜索－牛顿迭代算法，首先要进行对监测空间的离散网格点划分，图3显示的是针对图2的监测区域在不同网格划分条件下，6个微震事件的平均定位误差。对于图2中x、y轴坐标，划分区域在(0m，1500m)，z轴的划分区域在(0m，700m)。为了显示不同网格划分对定位算法准确程度和算法计算时间的影响，针对图2的监测区域，将每一个维度分别离散成5、10、15、20、30、40、50和60个离散点进行网格搜索法定位。从计算时间分析，随着每一个维度网格离散点增多，算法计算时间以指数的形式增长，这使得单纯使用网格搜索法进行准确定位需要消耗大量的计算时间，这与微震监测需要实时性定位相矛盾;从定位准确度分析，图3不同网格划分对定位结果的影响Fig.3Thelocationresultsofdifferentdiscretizedstrategies定位误差在x、y、z轴坐标则因位置关系受到了网格划分的影响，所以三个坐标轴上的定位准确度遵循划分点越多定位越准确的原则。观察图3中的484矿业科学学报第4卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤矿井下微震震源高精度定位研究[J]. 程久龙,宋广东,刘统玉,胡宾鑫,王纪强,王金玉. 地球物理学报. 2016(12)
[2]基于L1范数统计的单纯形微震震源定位方法[J]. 李楠,王恩元,孙珍玉,李保林. 煤炭学报. 2014(12)
[3]基于无需测速的单纯形法微地震定位改进研究[J]. 李健,高永涛,谢玉玲,周喻,杨凯. 岩石力学与工程学报. 2014(07)
[4]矿山尺度下微震定位精度及稳定性控制初探[J]. 谢兴楠,叶根喜,柳建新. 岩土工程学报. 2014(05)
[5]基于稳健模拟退火-单纯形混合算法的微震定位研究[J]. 吕进国,姜耀东,赵毅鑫,祝捷,王欣,陶磊. 岩土力学. 2013(08)
[6]微震波自动拾取与多通道联合定位优化[J]. 朱权洁,姜福兴,王存文,刘懿,王进强,于正兴. 煤炭学报. 2013(03)
[7]煤矿矿震定位中异向波速模型的构建与求解[J]. 巩思园,窦林名,马小平,牟宗龙,贺虎,何江. 地球物理学报. 2012(05)
[8]提高煤矿微震定位精度的台网优化布置算法[J]. 巩思园,窦林名,马小平,牟宗龙,陆菜平. 岩石力学与工程学报. 2012(01)
[9]利用网格搜索进行地球椭球面闪电定位[J]. 文银平,胡志祥,赵文光,朱宏平. 武汉大学学报(信息科学版). 2010(09)
[10]基于不同初值的微震源定位方法[J]. 林峰,李庶林,薛云亮,徐宏斌. 岩石力学与工程学报. 2010(05)
本文编号：3307711
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