本发明涉及微震/声发射源定位，尤其涉及一种基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法。
背景技术：
1、微震/声发射源定位在采矿工程、地质灾害预警、水力裂缝监测、结构健康监测等多个领域具有重要的应用价值，可以帮助科学家和工程师评估地质稳定性和潜在风险。然而，在对微震/声发射源进行定位的过程中，会面临许多障碍，影响了定位的精度。其中，最重要的在于到时数据的准确性。由于深部采矿环境复杂，具有初始信号到达不可预测、信噪比差、异常信号干扰、传播路径不明确等特点，不可避免地导致记录的到时数据中存在误差较大的异常数据。在此基础上，再通过控制方程(传感器几何系统)的累积传输和二次放大，到时数据的误差最终将导致严重的定位偏差。
2、为了拾取准确的到时数据，研究人员提出了多种自动到时拾取方法，虽然能够避免人工到时拾取的主观性并提高到时拾取效率，但仍难以避免异常到时的产生。尤其是在处理具有低信噪比的信号时，即便使用先进的到时检测算法，也很难完全排除所有的异常数据。并且，除了高环境噪声的影响以外，传播延迟、多路径干扰、传感器故障等多种因素也将导致显著的到时误差，而现有的到时拾取算法无法去除因这些因素造成的异常值。因此，从源定位的角度来识别和消除异常值是至关重要的。
3、现有技术中，公开号为cn110376290a的专利提供了一种基于多维核密度估计的声发射源定位方法，该方法没有利用初步定位结果数据分布的先验知识，获得了更加准确的密度估计，避免了假设分布不合理造成的误差，从而在一定程度上提高了定位精度。然而，该专利中只是通过四分位法来排除初步定位结果中的异常定位结果，但这种方式并未对异常传感器进行识别和排除，也没有利用干净的到时数据进行重定位，因此最终的定位结果没有优化能力，使得该方法的定位精度和鲁棒性仍有待进一步提高。此外，该方法中初步定位需要使用5个传感器进行定位，整体运行效率不高，定位精度较低。
4、有鉴于此，有必要设计一种改进的微震/声发射源定位方法，以解决上述问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，以便有效消除到时数据中的异常值，提高定位的精度和鲁棒性。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，包括如下步骤：
3、s1、数据准备：收集监测系统采集的数据，并对监测系统的多个传感器进行四四组合，得到多个传感器及到时数据的组合形式；
4、s2、初步定位：根据步骤s1中准备的数据，采用改进的解析法进行初步定位，得到多组初步定位结果；
5、s3、非参量估计：根据步骤s2得到的多组初步定位结果，构造非参量估计函数，计算源坐标的概率密度，并确定密度极值对应的坐标；
6、s4、过滤异常数据：根据步骤s3得到的结果消除到时数据中的异常值，得到正常到时数据；
7、s5、重定位：基于步骤s4得到的正常到时数据，结合阻尼线性校正法，进行重新定位。
8、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，收集的数据包括到时数据、传感器位置和波速。
9、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述四四组合的方式为：从n个传感器中随机选择四个传感器作为一组，共有种传感器组合方式，并得到组到时数据。
10、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，每一个传感器组合求得的初步定位结果为：
11、
12、其中：mj和nj(j＝1,2,3)的行列式是在d的基础上将d的第j列分别替换为(e2,e3,e4)和(f2,f3,f4)；ai＝xi-x1，bi＝yi-y1，ci＝zi-z1，fi＝v2(ti-t1)，(xi,yi,zi)(i＝1,2,3,4)为四个传感器组合中的传感器空间坐标，v为平均波速，t0为微震/声发射源的触发时间，ti为到达传感器pi的时间。
13、作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述非参量估计函数的表达式为：
14、
15、其中：θ为微震/声发射源的源坐标，θ＝[x,y,z]t，上标t表示矩阵或向量转置；为第k个初步定位结果，k＝1,2,...,m，m为初步定位结果的数量；h为带宽矩阵。
16、作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，过滤异常数据的方法具体包括如下步骤：
17、s41、计算密度极值对应的坐标θtri与初步定位结果θ(k)之间的欧氏距离dk，然后将这些距离按照升序排列，得到dsort；
18、s42、确定距离阈值conf，并通过比较dsort,k与conf的大小对定位结果的好坏进行判定；其中，dsort,k表示dsort中的第k个欧氏距离；若dsort,k＜conf，则将该dsort,k对应的定位结果判定为“好”的定位结果；反之，则判定为“坏”的定位结果；
19、s43、对“好”的定位结果中传感器/到时数据的使用频次进行计算，并消除到时数据中的异常值。
20、作为本发明的进一步改进，在步骤s42中，所述距离阈值conf表示如下：
21、
22、其中，l、w、h表示监测区域或岩石样品的三维尺寸；α表示相对于监测区域或岩石样品的尺寸的百分比，是一个小于1的常数。
23、作为本发明的进一步改进，在步骤s43中，“好”的定位结果中各传感器/到时数据的使用频次由下式进行计算：
24、
25、其中，u表示“好”的定位结果中每个传感器/到时数据的使用频次的集合；g表示“好”的定位结果的数量，g表示所有g个“好”的定位结果中传感器坐标的集合；p1,p2,...,pn分别表示第1到n个传感器的坐标；i表示指示函数，如果括号中的条件为真，则返回1，否则返回0；piin g表示pi在集合g中，i＝1,2,...,n。
26、作为本发明的进一步改进，在步骤s43中，所述异常值根据下式进行判定：
27、
28、其中，ui表示u中的第i个数据；若括号中的条件为真，则第i个传感器对应的到时数据为异常值，记为outlieri。
29、作为本发明的进一步改进，在步骤s5中，所述阻尼线性校正的方式包括：在黑塞矩阵中加入阻尼项，表示为：
30、[ata+λdiag(ata)]δh＝atr
31、其中，a为g×4偏微分矩阵，上标t表示矩阵的转置；λdiag(ata)为阻尼项，λ是在每次迭代中应用的非负阻尼因子；h为未知参数的向量，h＝[t0,θt]t；r＝t′-t0i-t(θ)，t′表示正常到时数据，t′＝{t1,t2,…,tg}t；i为一个g维列向量，t(θ)为计算出的从微震/声发射源到相应的传感器的走时。
32、本发明的有益效果是：
33、本发明提供的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，通过将传感器进行四四组合，并采用改进的解析法对组合后的传感器进行初步定位，相比于现有的使用五个传感器进行初步定位的方式，减少了每次定位所需的传感器的数量，提高了整体的运行效率和定位精度。在此基础上，本发明通过对初步定位结果进行非参量估计，并根据非参量估计的结果消除到时数据中的异常值，然后再基于消除异常值后的正常数据进行重新定位，有效避免了异常值的存在对于定位的影响，提高了定位的精度和鲁棒性。并且，本发明通过将重新定位过程与阻尼线性校正相结合，能够加速收敛并获得最优定位结果。与现有技术中，本发明提供的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法具有更高的精度和更小的误差，具有较高的实际应用价值。
1.一种基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s1中，收集的数据包括到时数据、传感器位置和波速。
3.根据权利要求1所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s1中，所述四四组合的方式为：从n个传感器中随机选择四个传感器作为一组，共有cn4种传感器组合方式，并得到cn4组到时数据。
4.根据权利要求3所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s2中，每一个传感器组合求得的初步定位结果为：
5.根据权利要求4所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s3中，所述非参量估计函数的表达式为：
6.根据权利要求1所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s4中，过滤异常数据的方法具体包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s42中，所述距离阈值conf表示如下：
8.根据权利要求6所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s43中，“好”的定位结果中各传感器/到时数据的使用频次由下式进行计算：
9.根据权利要求8所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s43中，所述异常值根据下式进行判定：
10.根据权利要求5所述的基于非参量估计消除异常值的微震/声发射源定位方法，其特征在于：在步骤s5中，所述阻尼线性校正法包括：在黑塞矩阵中加入阻尼项，表示为：
