CC BY
30
© И.Ю. Рассказов, Г.Д. Калинов, Д.С. Мигунов, К.О. Харитонов, Д.Д. Куликов, 2007
УДК 622.831.325
И.Ю. Рассказов, Г.А. Калинов, Д.С. Мигунов,
К.О. Харитонов, Д.А. Куликов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УДАРООПАСНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар № 3
Геоакустический метод оценки геомеханического состояния массива горных пород является одним из перспективных методов контроля динамических проявлений горного давления, сопровождающих процесс подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах [1-3]. В то же время его эффективное применение требует наличия современных технических и программно-методических средств, обеспечивающих не только высокоточную локацию источников акустической эмиссии на фоне неизбежных технологических помех, но и определение ряда важных ее параметров (механической энергии, длительности и спектральных характеристик акустических волн и т.п.), необходимых для надежного прогноза опасных динамических явлений.
Качественное решение локационной задачи для участка породного массива с поперечником 200 м и более требует применения многоканального регистрирующего устройства с широкими диапазонами измерений ключевых параметров импульсных сигналов (ИС), снабженного средствами селекции сигналов естественной АЭ. Работы в этом направле-
нии ведутся в России уже более 20 лет и очевидные преимущества переноса электронных решений в технических средствах систем контроля в цифровые технологии не снимают остроты проблемы обилия импульсных помех, оказывающих негативное влияние на качество АЭ-контроля. Последнее обстоятельство, наряду со значительной структурной и техногенной нарушенностью реального контролируемого массива горных пород, сдерживает широкое применение геоакустического мониторинга на удароопасных рудниках.
При ведении подземных горных работ естественные процессы микро-и макроразрушений массива пород, сопровождающиеся излучением АЭ-импульсов, происходят на фоне таких техногенных шумовых событий, как: бурение, взрывные работы, погрузка и транспортирование горной массы и другие технологические операции. В подобных условиях необходима уверенная идентификация полезных сигналов и отбраковка помех в широком динамическом диапазоне.
Созданная в ИГД ДВО РАН с привлечением ряда специалистов других фирм цифровая автоматическая система контроля горного давления (АСКГД) “Ргодпо2-АОБ” состо-
ит из подземной и поверхностной частей и включает в себя цифровые приемные преобразователи, объединенные в одном блоке ретранслятор, источник питания и синхронизатор, многопортовый расширитель НБ-485 и центр приёма и обработки потока АЭ-импульсов, управления датчиками и контроля всех узлов и трактов системы на базе персонального компьютера [4].
Для разработанных цифровых приемных преобразователей (ЦПП) сложность любой функции обработки ограничена только временем ее выполнения встроенным процессором в 10-15 мс, что позволяет проводить постоянное совершенствование сигнальной селекции. Скоростной цифровой канал на поверхность позволяет управлять режимами работы всех ЦПП индивидуально и получать с акустических антенн данные по АЭ-импульсам со скоростью до 1000 Кбит/с. Эти возможности обеспечивают реализацию на программном уровне в ЦПП помехозащиты АЭ-системы от наиболее близких по характеру и длительных шумов (в первую очередь от бурового оборудования), используя встроенные в ЦПП регулируемые полосовые фильтры предусилители, с оперативной автоматической адаптацией конкретного датчика под шумовую обстановку в точке приема аддитивных сигналов. Предусмотрен исследовательский режим ЦПП, обеспечивающий передачу в центр сбора и обработки данных полных сигналограмм (до 1,5 с) со всех геофонов антенны для детального изучения спектров сигналов, особенностей акустических трасс и т.п.
В цифровой АСКГД реализован ряд технических решений и оригинальных алгоритмов, обеспечивающих идентификацию импульсов естественной акустической эмиссии и
техногенного шума с выделением в потоке АЭ-событий полезного сигнала.
Алгоритм обнаружения импульсов естественной АЭ заключается в следующем. Поступающий с пьезокерамического преобразователя чувствительного элемента непрерывный акустический сигнал и(£) (напряжение выступает как функция времени §, передается в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации 40 кГц. Для регистрации и предобработки АЭ-импульсов используется процессорная память-накопитель оцифрованного сигнала с емкостью, ограниченной 128 значениями, разделёнными интервалами времени т = 25 мкс (для указанной частоты дискретизации). Числовой код на выходе АЦП в некоторый квантованный момент времени представляет собой результат целочисленного деления входного напряжения на малую константу и определяется из выражения:
A =
U (t.
(1)
где 1 — индекс дискретного момента времени в пределах суток; u0 — используемый в АЦП квант напряжения [мВ]; tl =т- i— дискретное время в ЦПП.
Естественный импульс АЭ, как правило, обладает повышенной энергией по сравнению с фоновыми флуктуациями сигнала. Для обнаружения импульсов АЭ в зашумлённом сигнале в АСКГД в качестве идентификационного критерия используется параметр MARSE (Measured Area of the Rectified Signal Envelope — измеренная площадь под эпюрой сигнала), представляющий собой отдалённый аналог энергии АЭ-импульса. Параметр MARSE одновременно чувстви-
u
0
Т[іп]
Рис. 1. Интегральный критерий дискриминации АЭ-импульсов: а - сигналограмма короткого АЭ-импульса; б - используемый интегральный параметр обнаружения импульсов
телен как к амплитуде, так и к длительности сигнала, что повышает надежность идентификации акустических импульсов.
Расчет параметра МАЯБЕ на момент времени и (значение на кванте І) производится в предшествующем временном окне фиксированной длины У=128 по формуле:
(2)
где Б/ — рассчитанная площадь сигнала в пределах текущего временного окна (МАНБЕ); А, — дискретное значение амплитуды сигнала в пределах текущего временного окна.
Совокупность подсчитанных значений Б/ можно представить дискрет-
ной функцией времени, вариант которой для одиночного АЭ-импульса приведён на рис. 1.
Таким образом, регистрация очередного импульса происходит по превышению параметром Б/ порогового уровня Бпор. При этом на всех этапах функционирования алгоритма идентификации происходит адаптивная настройка Бпор в соответствии с изменением пик-фактора обобщенной сигналограммы “сигнал+шум”.
В традиционных методах регистрации импульсов АЭ, оценка и принятие решения по выделению полезного сигнала производятся относительно некоторого заданного амплитудного порога. При выборе его оптимального значения эксперименталь-
ным методом (с учетом основных видов помех) рассматриваются только очевидные импульсы от роста трещины. Прочие АЭ импульсы, оказавшиеся ниже установленного порога (например, из-за затухания при распространении АЭ-волн), не будут зарегистрированы аппаратурой. Во избежание этого зачастую используют заведомо заниженные значения порогов. В этом случае, при условии сильной зашумленности, может возникнуть ситуация, когда ипор< и0
■'шума тахч
что
Б
пор і
і = А + В • X Бґ
(3)
процесса обнаружения АЭ-импульсов таким образом, что регистрация очередного импульса происходит по превышению параметром Б/ порогового уровня Бпор.
Выражение (3) представляет собой операцию сглаживания функции Б^), причем результат осреднения сдвинут по времени на полшага, а осреднен-ная функция отстает от текущей. Это же выражение можно представить в виде функционала:
приводит к перегрузке линий связи системы и неадекватной оценке состояния контролируемого массива горных пород.
В связи с этим представляется весьма перспективным использование адаптивного порога дискриминации, автоматически подстраиваемого под текущий уровень шума на контролируемом объекте.
При выборе алгоритма изменения порогового значения Бпор было проанализировано несколько различных подходов к решению данной проблемы. Экспериментально была выбрана функция ступенчатого интегрирования параметра МЛЯБЕ:
£ К(і,і') |х(І')|ді' = хм,
(4)
где
К(і, і’) =
1 / Ді, если і' є (і - Ді, і)
[0, если ^ ' г (^ - At, ^) ядро интегрального оператора.
Представляется удобным ядро представить в виде:
К (і, і') = ехрі —- І/т ,
где Бпор / — функция изменения адаптивного порога обнаружения АЭ-сигнала; Б, — значение параметра МАЯБЕ на ]-ом отсчете.
Выбор данной функции объясняется ее хорошей реакцией на изменение общего соотношения сигнал/шум, с достаточным запаздыванием по времени, что в свою очередь обеспечивает плавное изменение параметра Бпор . Коэффициенты А и В являются настроечными параметрами и определяются эмпирически. Они позволяют отрегулировать чувствительность
(5)
где т — постоянная времени интервала осреднения.
Если в первом случае функция ядра ступенчатая, то во втором она непрерывно убывает при ^^ -ж .
В обоих случаях | К(^, Г) &' = 1,
и имеется запаздывание результата осреднения, но во втором случае реализуется простой, учитывая свойство экспоненты, алгоритм численной реализации. При этом интервал осреднения не ограничен размером накопителя данных, как в первом случае, а осреднение производится с помощью рекуррентного соотношения:
х (і) = х (і -Зі) і 1 - ехр
-Зі
/ т І +
+ |х(і)|ехр І-Зі І /т
или в дискретном виде
х] = х-1(1 -а) + |ху|а .
В этом алгоритме используется только текущее значение |х;|.
Если операцию осреднения применить дважды, то есть зависимость х($ сгладить еще раз, но с гораздо большим значением постоянной времени интервала осреднения, то сигнал х (/) разделится на участки, превышающие и принижающие значения осредненного х(/) второй раз. Таким образом, выделенные пики сигнала можно интерпретировать как более мощные эмиссионные импульсы. Результат второго осреднения можно использовать в качестве адаптивного порогового значения.
Вторая операция осреднения проводится по формуле:
пор = хПОР (1 -р) + х. р, (7)
х
где р = ехр
т
\ пор у
/тп,
Постоянная времени порогового интервала осреднения должна быть много больше, чем длительность сигнала. По существу сравнение двух результатов осреднения позволяет выявить интервал, на котором функция х} > хгЛо,р, то есть область, где сигнал превышает фоновое или адаптированное пороговое значение. На левой границе этой области должно выполняться условие х(Тоб) = хпор (Тоб), где Тоб — параметр времени обнаружения.
В связи с интегральным характером функций используемых параметров МЛЯБЕ (Б)) и Бпор, регистрация импульса происходит со значительной задержкой от истинного момента появления импульса. Для уменьшения погрешности определения момента времени обнаружения АЭ-импульса
(Тоб) необходимо производить его коррекцию, что позволяет существенно повысить точность локации источников АЭ.
В основе алгоритма корректировки Тоб используются свойства функции МЛЯБЕ, которая зависит как от амплитуды, так и от временной характеристики сигнала и благодаря своему интегральному характеру определяет более плавное (по сравнению с амплитудной характеристикой) изменение уровня.
Сигналограмма акустического импульса от единичного акта деструкции массива горных пород характеризуется крутым передним фронтом и более пологой ниспадающей ветвью. Поэтому, в подавляющем большинстве случаев, можно говорить о возрастании графика функции МЛЯБЕ на отрезке от момента времени, соответствующего истинному началу импульса АЭ, до первого максимума функции МЛЯБЕ. Эта особенность АЭ-им-пульса используется для корректировки времени обнаружения акустического сигнала. За теоретическое начало его возникновения принята левая граница функции составляющей волнового пакета, отсчитанная по пересечению нулевого уровня. Алгоритм корректировки Тое работает таким образом, что каждый из моментов изменения фазы сигнала Ту рассматривается как возможный момент начала импульса. При этом в момент Ту! происходит сохранение в памяти текущего численного значения функции Б/, а также сравнение его со значением Б)-/, измеренном в предшествующий момент изменения фазы сигнала Тш.
Б - /
Если
Б.
100 < N (У — настро-
ечный параметр, определяемый эмпирически), то происходит обнуление
А*
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
1000 2000 3000 4000
5000 6000
7000
8000 9000
Т
Рис. 2. Характерный вид АЭ-помех от бурового оборудования (сплошная линия — логический признак наличия импульса)
счетчика отсчета поправки времени начала импульса. В противном случае отсчет продолжается. Как уже отмечалось, на интервале времени от момента теоретического возникновения сигнала до момента его программного обнаружения, наблюдается устойчивый рост функции Б,. Поэтому на момент регистрации АЭ-сигнала счетчик временной поправки будет содержать ненулевое значение, которое позволяет определить скорректированное значение времени обнаружения акустического импульса:
Тобкор = Тоб - Ткор , (8)
где Тоб кор — скорректированное время обнаружения импульса АЭ, То^ — программное время обнаружения, Ткор — временная поправка.
Для селекции полезных сигналов в условиях интенсивных техногенных шумов от работающего бурового оборудования в цифровой АСКГД реализован алгоритм, использующий вторичные признаки АЭ-импульса, одним из которых выступает времен-
ная характеристика разности скорректированных времен обнаружения двух соседних сигналов АТ, = Тоб кор ,
— Тоб кор І-1.
Акустические сигналы в процессе бурения генерируются с определенной одинаковой частотой (рис. 2), что позволяет использовать эту особенность для идентификации и последующей отбраковки этого типа помех.
Для каждых двух соседних АЭ-сигналов, регистрируемых датчиком системы контроля, рассчитывается параметр интервала между импульсами АТі. При этом все численные значения АТ,- сохраняются в кольцевом участке памяти размером п. Таким образом, для каждого нового, регистрируемого сигнала мы имеем предысторию из п параметров АТ. Принятие решения об отнесении регистрируемого текущего сигнала к техногенному шуму происходит путем сравнительного анализа распределения величины Тот. = А Т • п/^А Т , для
0
чего рассчитывается значение дисперсии распределения по формуле:
э = п • (ХТР -&Тоші)2
п • (п - 1) • 1 ’
Для численного анализа расчетного значения дисперсии вводится ее пороговая характеристика Опор, которая определяется экспериментально. При выполнении условия 0<0пор текущий исследуемый акустический импульс относится к техногенному шуму. После этого автоматически корректируется пороговая характеристика, последовательно устанавливая более высокий порог Бпор2= к-Бпор, где к > 1 — коэффициент, определяемый эмпирически. Величина этого коэффициента устанавливается таким обра-
1. Петухов И.М., Смирнов В.А., Винокур Б.Ш., Дальнов А. С. Геофизические исследования горных ударов. - М.: Недра, 1975. - 134 с.
2. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. - М.: Недра, 1982.
3. Вознесенский А.С. Системы контроля
геомеханических процессов. - М.: Изд.
МГГУ, 2002.
зом, чтобы Бпор2 превышала максимальное значение функции МАЯБЕ акустического импульса помехи, но позволяла обнаруживать более мощные импульсы АЭ на фоне техногенного шума. После прекращения действия помеховых сигналов, автоматически происходит снижение пороговых значений, тем самым повышая чувствительность канала аппаратуры.
В процессе опытной эксплуатации разработанной АСКГД выполнена апробация предложенных и программно реализованных алгоритмов, показавшая их эффективность при геоакустическом контроле массива горных пород в условиях действующего горнодобывающего предприятия.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Акустический измерительновычислительный комплекс для геомеханиче-ского мониторинга массива пород при ведении горных работ / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика. Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС. 2005.-С. 351-354. ЕГЗЗ
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - кандидат технических наук, заместитель директора по инновационной работе Института горного дела ДВО РАН;
Калинов Г.А. - старший научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН; Мигунов Д.С. - младший научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН; Харитонов К.О. - аспирант Тихоокеанского государственного университета;
Куликов Д.А. - аспирант Тихоокеанского государственного университета.
