本发明涉及一种在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统及方法。
背景技术：
对地下矿山超层越界的开采行为监管一直是困扰矿山监管部门的难题，传统的监管均采用人工或接触式技术手段(如视频监控、人员定位)，人为干扰因素大，不能从根本上解决这种违法开采行为。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种实现方便、精度度高的在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统及方法。
本发明在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统，包括：
采集矿山开采爆破时产生的爆破信号的震波拾取装置，所述震波拾取装置包括布设于地表浅层的若干三轴加速度传感器；
与所述震波拾取装置连接，对爆破信号进行非平衡二次滤波、波形沿分析及波至时刻完整提取，并将爆破信号中的爆破能量、方向、波至时刻心系输出至定位主机的检测分站，所述检测分站包括与各三轴加速度传感器一一对应的震波检测板；
还包括对爆破信号中的能量、方向、波至时刻信息进行计算分析，采用方向定位排除特异性振动信号，通过时差定位对真实爆破点进行定位，通过波速自动寻优算法进行波速计算，通过底层硬件算法求解，得出爆破点的三维空间坐标的定位主机；
与定位主机通过无线数据传输模式连接，获取爆破点位置的远程GIS服务器。
进一步地，还包括与所述远程服务器通过有线或无线方式连接的超层越界实时预警终端，所述超层越界实时预警终端包括后台二维显示、三维仿真定位预警发布平台及相应服务、监测大屏，服务器接收GPRS传送的三维地理信息数据，收立体地理坐标数据，通过三维仿真系统在监测大屏显示爆破仿真信息或爆破点，并实时计算离边界距离，并对越层越界信息进行实时预警，并通过移动终端及时进行通知、处理。
进一步地，所述震波拾取装置包括5至6个高精度三轴加速度传感器，所述高精度三轴加速度传感器与过滤了近距离干扰波，放大远距离爆破地震波的前端滤波器相连，所述前端滤波器中集成了使信号可以通过电缆传送1000m以上的驱动电缆回路。
进一步地，在20至100米的浅层地表布设震波拾取装置；定位主机与远程GIS服务器之间通过GPRS通信。
进一步地，观测井管壁上设有方式口，将三轴加速度传感器通过螺钉及外敷铁丝的方式固定潜层观测井的方式口内，通过反注将的方式向并内灌注水泥，对三轴加速度传感器进行固定。
本发明在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的方法，包括：
将若干若干三轴加速度传感器布设在20至100米的浅层地表，三轴加速度传感传感器拾取采矿过程中的所有爆破信号，进行一次滤波及信号放大，然后将信号输出；
进行爆破信号波形特征分析，提取完整的采矿爆破地震波形，采集及计算爆破能量、波形信息、爆破方位信息；
对爆破能量、爆破震波、爆破信号方位进行综合分析，通过波形自动寻优程序自动计算最优波速，精确提取波至时刻，按照非平衡滤波算法、时差与方向结合的定位的算法，确定爆破点空间坐标；
爆破点空间坐标通过GPRS通信传送给监测预警服务器，在监测预警平台上进行爆破三维仿真，对超层越界信息进行预警。
进一步地，所述的时差与方向结合的定位的算法包括：根据1个三轴传感器x、y、z三个方向共3个加速度元件形成的多个方向接收的波形信息的差异，对一组5-6个传感器接收到的多个震动信号进行分析，其中有多个传感器元件均能采集到的满足一定波形特性判别且指向同一个震源方向的震动信号为同一次爆破的震动信号，根据这5-6个震动信号计算出来的波至时刻，使用时差法确定的震源位置是最精确的位置。
进一步地，在时差定位中，对于定位坐标和时间的求取本质上是一个非线性方程组的求解，非线性方程组简化为一个线性方程组的求解问题，简化的线性方程组是病态的，用了共轭向量基算法，实现传感器病态组合情况下的精确定位。
进一步地，不同的地质条件，不同的爆破深度，爆破震波的波速是不同的，建立一个最优目标函数，在波至时刻已知的条件下，根据先设定的波速，采用时差定位算法，自动寻找真实速度值，减小定位误差，提高定位精度；
对于干扰较多的复杂环境，由于采样周期远小于一次定位算法所用的时间，采用了大容量存储技术，将采样值临时存储起来，完成一次定位运算后，再用新采集数据替换当前的存储数据。
进一步地，三轴传感器的布设方式为：针对于不同矿区独特地质环境的构造条件进行分析，采用MATLAB软件对震波传播特性进行仿真，针对信号特性进行传感器的布局。
有益效果
本发明在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统及方法与现有技术具备如下有益效果：
本发明对于采用爆破手段的地下采掘行为，在矿区开采发生爆破时，会产生微弱的爆破地震波向周围传播，利用在空间不同位置放置的震波拾取装置，在20-100米的浅层地表布设5-6颗三轴加速度传感器，实现对地下开采的矿山爆破点实现精确定位的方法及对超层越界开采进行实时预警，实现对采矿爆破点的精确定位，是一种非接触、感应式的定位方法，可连续记录采掘数据，完整掌握了采矿权人地下采掘活动，明确责任认定，实现了采掘活动的无人值守式监测预警，是预防超层越界等非法采矿行为的最有效手段。
附图说明
图1是本发明在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
对于采用爆破手段的地下采掘行为，在矿区开采发生爆破时，会产生微弱的爆破地震波向周围传播，利用在空间不同位置放置的震波拾取装置，可以记录这些爆破产生的微地震波的到达时间、传播方向、能量等信息，根据各个传感器采集点爆破信号沿的时间差、波速及传感器间距、震源方向等参数，按照非平衡滤波算法、时差与方向结合的定位的算法，确定矿山开采爆破点的位置。此方法在对特定矿区爆破源介质，传播特性、波形综合分析的基础上，得出科学合理的参数与计算模型，通过傅里叶变换和小波分析法对波形进行频谱分析，建立针对性的爆破监测定位模型，采用最小二乘和牛顿迭代相结合的时差定位方法确定爆破位置，进而得出爆破点与特定采集点的距离(即标注立体坐标的点)，然后通过空间几何计算方法(坐标变换)计算出爆破点的空间坐标，并进行三维动态仿真，根据地理信息系统的空间数据，对是否超层越界进行判断。
参见图1，本实施例在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的系统，包括：
采集矿山开采爆破时产生的爆破信号的震波拾取装置，所述震波拾取装置包括布设于地表浅层的若干三轴加速度传感器；
与所述震波拾取装置连接，对爆破信号进行非平衡二次滤波、波形沿分析及波至时刻完整提取，并将爆破信号中的爆破能量、方向、波至时刻心系输出至定位主机的检测分站，所述检测分站包括与各三轴加速度传感器一一对应的震波检测板；
还包括对爆破信号中的能量、方向、波至时刻信息进行计算分析，采用方向定位排除特异性振动信号，通过时差定位对真实爆破点进行定位，通过波速自动寻优算法进行波速计算，通过底层硬件算法求解，得出爆破点的三维空间坐标的定位主机；
与定位主机通过无线数据传输模式连接，获取爆破点位置的远程GIS服务器。
与所述远程服务器通过有线或无线方式连接的超层越界实时预警终端，所述超层越界实时预警终端包括后台二维显示、三维仿真定位预警发布平台及相应服务、监测大屏，服务器接收GPRS传送的三维地理信息数据，收立体地理坐标数据，通过三维仿真系统在监测大屏显示爆破仿真信息或爆破点，并实时计算离边界距离，并对越层越界信息进行实时预警，并通过移动终端及时进行通知、处理。
本实施例中，所述震波拾取装置包括5至6个高精度三轴加速度传感器，所述高精度三轴加速度传感器与过滤了近距离干扰波，放大远距离爆破地震波的前端滤波器相连，所述前端滤波器中集成了使信号可以通过电缆传送1000m以上的驱动电缆回路。在20至100米的浅层地表布设震波拾取装置；定位主机与远程GIS服务器之间通过GPRS通信。
如图中的震波拾取装置1、2、3、4、5、6，爆破震波检测分站7、8、9、10、11、12，检测分站将经过前置滤波的信号进行二次非平衡滤波，得到的纯净波，震动能力、方向信号传送给时差与方向算法相结合的定位主机。连接爆破震波采集分站的矿山开采爆破定位主机13，将检测分站二次非平衡滤波处理后的信号、爆破震动能量信息、方向信号进行综合计算分析，通过嵌入式波速自动寻优程序，方向信号排除性定位，波形沿精确分析提取的波时刻的精确定位，进一步排除非爆破信号，并提高定位精度。
超层越界实时预警终端，包括后台二维显示、三维仿真定位预警发布平台及相应服务器、监测大屏15，服务器14接收GPRS传送的三维地理信息数据，收立体地理坐标数据，通过三维仿真系统在监测大屏显示爆破仿真信息或爆破点，并实时计算离边界距离，并对越层越界信息进行实时预警，并通过移动终端16及时进行通知、处理。
所述的高精度三轴加速度传感器为采用经过MATLAB仿真计算的传感器群布设方式，布设在20-100米的浅地表层，每组数量在5-6颗。具有内置滤波功能的高精度震波拾取装置采用双重滤波的设计思路，在采用高精度传感器核心部件提高灵敏度的同时，对远距离微弱爆破地震波与近距离干扰波进行了针对性分析，开发了前端滤波器，结合三轴传感器对方向信号探知的强弱处理机制，成功过滤了近距离干扰波，放大远距离爆破地震波；前端滤波装置中集成驱动电缆程序。
检测分站集后端滤波、波至时刻精确提取、自身干扰滤除于一体的检测分站。每个检测分站连接1路震波拾取装置，每路震波拾取装置输出3个轴向上的爆破震波信号。检测分站对这3个分量信号进行调理与转换，分别存储，通过波形分析与滤波算法综合处理。
定位主机更好地适应不同矿山环境，每个主机可同时接收来自10个震波拾取装置的数据，并与远程GIS服务器通过无线数据传输模式进行通信，摆脱了对安装地点的限制。定位主机中嵌入速度自动寻优、时间方向相结合的定位程序，实现了波速根据实际地质条件而进行自动调整，减小了由于固定的速度参数带来的定位误差。并根据来自不同方向上的震动能量值、波形等要素，对定位精度进行二次修正，极大提高了定位精度。
采用矿区矿体、采掘面、巷道、爆破活动的三维建模与仿真技术，对地下开采爆破点进行实时定位仿真，对超层越界开采活动进行预警。
具有内置滤波功能的高精度震波拾取装置。传统的加速传感器无法接收到远距离信号或者会将爆破信息淹没于干扰信号中，均无法实现对远距离微弱爆破信号的采集。针对于这种情况，本发明采用双重滤波的设计思路，在采用高精度传感器核心部件提高灵敏度的同时，对远距离微弱爆破地震波与近距离干扰波进行了针对性分析，开发了前端滤波器，结合三轴传感器对方向信号探知的强弱处理机制，成功过滤了近距离干扰波，放大远距离爆破地震波。同时，在前端滤波装置中集成了驱动电缆回路，使本来十几米就完全衰减的信号可以通过普通电缆传送1000m以上，保证信号被检测分站有效采集。
集后端滤波、波至时刻提取、设备自干扰滤除机制于一体的检测分站。国内、外绝大部分震波采集处理装置采用的只是中继站式的数模转换与放大电路，不但占用了巨大的带宽，使数据传输只能依赖光缆传输，同时，大量无用的信号被直接提交给后台计算程序，严重影响数据采集与定位精度。针对这种情况，本发明开发了集后端滤波、波至时刻精确提取、自身干扰滤除于一体的检测分站。每个检测分站连接1路震波拾取装置，每路震波拾取装置输出3个轴向上的爆破震波信号。检测分站对这3个分量信号进行调理与转换，分别存储，通过波形分析与滤波算法综合处理。
具备波速自动寻优、时间与方向定位相结合的定位主机。与传统的数据由服务器端软件处理机制相比，本发明的系统的定位主机的针对性与环境适应性更强，每个主机可同时接收来自10个震波拾取装置的数据，并与远程GIS服务器通过无线数据传输模式进行通信，摆脱了对安装地点的限制。考虑到在不同的地质构造条件下，地震波的传播速度会有所不同，定位主机中嵌入速度自动寻优、时间方向相结合的定位程序，实现了波速根据实际地质条件而进行自动调整，减小了由于固定的速度参数带来的定位误差。并根据来自不同方向上的震动能量值、波形等要素，对定位精度进行二次修正，极大提高了定位精度。
实施例2
本实施例在浅层地表实现采矿爆破点实时定位的方法，包括：
将若干若干三轴加速度传感器布设在20至100米的浅层地表，三轴加速度传感传感器拾取采矿过程中的所有爆破信号，进行一次滤波及信号放大，然后将信号输出；
进行爆破信号波形特征分析，提取完整的采矿爆破地震波形，采集及计算爆破能量、波形信息、爆破方位信息；
对爆破能量、爆破震波、爆破信号方位进行综合分析，通过波形自动寻优程序自动计算最优波速，精确提取波至时刻，按照非平衡滤波算法、时差与方向结合的定位的算法，确定爆破点空间坐标；
爆破点空间坐标通过GPRS通信传送给监测预警服务器，在监测预警平台上进行爆破三维仿真，对超层越界信息进行预警。
震波拾取装置采集矿山开采爆破信号，经过前置滤波，微弱信号发大、类驱动电缆程序发送给远端爆破震波检测分站；
爆破震波监测分站通过进行非平衡二次滤波、波形沿分析及波至时刻完整提取，并事爆破能量、方向信息地超提交给定位主机；
主机对矿山开采爆破信号中的能量、方向、波至时刻信息进行计算分析，采用方向定位排除特异性振动信号，通过时差定位对真实爆破点进行定位，通过波速自动寻优算法进行波速计算，通过底层硬件算法求解，得出三维空间坐标；
远程监测服务器接收到主机发送的采矿爆破点三维空间信息，在监测大屏上进行二维定位及三维动态仿真，对超层越界信息进行预警。
布设于浅地表的多个传感器协同工作的传感器群的整体布局施工方法。针对于不同矿区独特地质环境的构造条件进行分析，采用MATLAB软件对震波传播特性进行仿真，针对信号特性进行传感器的布局，实现多组传感器参数优化群组合，减小定位矩阵的条件数，避免检测震波到达沿存在的误差，提高定位精度。
实现时差定位过程中病态程组的在底层硬件上的快速求解的共轭向量基算法技术。在时差定位中，对于定位坐标和时间的求取本质上是一个非线性方程组的求解。在底层的硬件上进行非线性方程组的实时求解因受计算速度的影响非常困难，所以在很多情况下都是简化为一个线性方程组的求解问题，简化的线性方程组是病态的，到时检测的很小误差对定位精度将产生很大影响。本发明综合考虑运算速度与定位精度，采用了共轭向量基算法，快速地实现传感器病态组合情况下的精确定位。
方向定位与时差定位相结合的空间定位技术。时差定位方法受到波至时刻数据的影响较大，一些靠近某个传感器的干扰震动和爆破震动迭加时，有时会被误认为是爆破震动，在选取波形信号沿时就会存在误判，对定位精度就会造成较大影响，出现定位错误。本发明在时差定位的同时，加入了方向定位手段。该方法基本原理是：根据1个三轴传感器x、y、z三个方向共3个加速度元件形成的多个方向接收的波形信息的差异，对一组5-6个传感器接收到的多个震动信号进行分析，其中有多个传感器元件均能采集到的满足一定波形特性判别且大约指向同一个震源方向的震动信号为同一次爆破的震动信号(因为一组传感器布设范围非常集中，接收远距离爆破信号时，可看成一个点)，根据这5-6个震动信号计算出来的波至时刻，使用时差法确定的震源位置是最精确的位置。同时，由于定位计算采用的是先存储后计算，每次爆破根据波的传播特性计算后会产生一个大致的方向坐标，这个定位坐标可能误差比较大，但根据这组数据可以直接滤除其他方向上的大能量干扰数据。用这一个方向定位的震源坐标与用时差法确定的震源坐标，进行合并优化，大大减少了对波至时刻的误判，进一步提高了定位精度。
与地质构造条件参数无关性的波速自动寻优技术。不同的地质条件，不同的爆破深度，爆破震波的波速是不同的，这使得采用固定波速的定位系统在计算爆破位置时出现较大的误差。为了减少由于速度的不同而带来定位误差，本发明建立了一个最优目标函数，在波至时刻已知的条件下，根据先设定的波速，采用时差定位算法，自动寻找真实速度值，减小定位误差，提高定位精度。
信号采集、分析、输出同步机制的大容量存储技术。对于干扰较多的复杂环境，由于采样周期远小于一次定位算法所用的时间，为了不遗漏爆破震动信号，并使计算快速稳定，本发明中采用了大容量存储技术，将采样值临时存储起来，完成一次定位运算后，再用新采集数据替换当前的存储数据，这种设计思路不但保证了系统的平稳运行，而且也很好的完成了方向定位的数据逻辑分析，保证了监测的连续性和实时性。提高定位精度与运行稳定性。
上述各实施例中，首先将观测并管壁开方式口，将三轴加速度传感器通过震波拾取装置的螺钉及外敷铁丝的方式固定潜层观测井的井壁管上；其次通过反注将的方式向井内灌注水泥，对震波拾取装置进行固定，传感器安装的位置与布设图纸位置的误差小于5cm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。