CN102645267A - 检测岩石类构件弹性波速度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测岩石类构件弹性波速度的方法和系统。该方法包括：发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合，用线性调频编码信号激励该发射换能器，所述接收换能器接收到检测信号S_rock；对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号s_compress(n)；其中，匹配滤波信号S_match是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；根据所述脉冲压缩信号S_compress(n)的峰值时间Δt计算得到弹性波的首波到达时间。本发明解决了现有技术在背景噪声大的情况下难以判别弹性波首波的问题；本发明能够精确地检测出岩石弹性波速度，而且在针对较长距离构件时也能够检测出弹性波的首波。

Description

检测岩石类构件弹性波速度的方法和系统

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种检测岩石类构件弹性波速度的方法以及检测岩石类构件的系统。

背景技术

岩石弹性波速度是研究岩体中弹性波传播规律、以及研究岩体各种物理力学参数动测方法的重要参数之一，也是评价岩土工程建设质量的重要参数。

现有弹性波速度的检测方法是在岩块两端布置换能器，通过声波发射仪的触发电路产生脉冲信号（正弦脉冲或矩形脉冲），脉冲信号经发射换能器向岩块内发射弹性波，弹性波在岩体内传播并为接收换能器所接收，经放大电路放大，实现模数转换，再由仪器记录接收波形信号，通过读出首波到达时间Δt，由下式计算出波速v，v＝ΔL/Δt，ΔL为被测岩块长度。

然而，现有技术在现场检测过程中，有时会因为背景噪声干扰大，使首波与噪声信号混叠，甚至首波被完全淹没在噪声信号中，因此，这种情况下，就会难以判断弹性波的首波到达时间。而且，现有技术在检测较长岩石类构件时，由于弹性波传播长距离后的幅度衰减较大，所以造成在接收信号中不易判别弹性波首波的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测岩石类构件弹性波速度的方法，其在现场噪音干扰大的情况下能够精确地检测出岩石弹性波速度，而且在针对较长距离构件时也能够检测出弹性波的到达时间。

为实现上述目的，本发明提供了一种检测岩石弹性波速度的方法。该方法包括：发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合，用线性调频编码信号激励该发射换能器，所述接收换能器接收到检测信号S_rock；对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)；其中，匹配滤波信号S_match是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；根据所述脉冲压缩信号S_compress(n)的峰值时间Δt计算得到弹性波的首波到达时间。

此外，本发明还提供一种检测岩石类构件的系统。该系统包括：发射换能器，其在线性调频编码信号的激励，将该线性调频编码信号转换成振动信号，并向岩石类构件发射该振动信号；接收换能器，其接收来自岩石类构件的弹性波，将该弹性波转换成检测信号S_rock；运算设备，其用于对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)，其中，匹配滤波信号S_match是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明利用线性调频信号的宽时、宽带特性及良好的压缩特性，在接收端通过脉冲压缩（压缩后的信号的信噪比较高），判断压缩信号的单一主瓣峰值时间，从而精确地检测出岩石弹性波速度；

（2）本发明的发射换能器发射出的发射信号具有宽时、宽带特性，从而决定了信号的能量较大，因此能够穿透长距离的被检构件；

（3）本发明采用的方法可使发射信号的特征与噪音信号的特征存在明显的差异，从而容易判别出弹性波的首波；

（4）由于本方法可使压缩后的信号主瓣较窄，并且幅度较高，所以能够精确判读出弹性波的到达时间；

（5）相对于常规声波仪器的高电压激励（大于100V），本发明采用的脉冲压缩方法用较低电压激励换能器就可得到信噪比和主瓣幅值较高的检测信号，从而增加了检测距离。

附图说明

图1为现有技术采用脉宽为10μs的矩形脉冲检测20cm岩样的接收信号；

图2为本发明实施例的线性调频编码信号波形图；

图3为线性调频编码信号频谱图；

图4为发射换能器与接收换能器直接对接时线性调频编码信号激励中心频率为500KHz的接收换能器后得到的匹配滤波信号波形图；

图5为线性调频编码信号检测长度为20cm岩样时得到的接收信号S_rock波形图；

图6为S_match与S_rock进行相关压缩运算后得到的脉冲压缩信号波形图；

图7为本发明检测岩石类构件弹性波速度的系统。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图7显示的是本发明实施例检测岩石类构件弹性波速度的系统，其包括：控制设备，其包括信号发生器、信号发射通道、信号接收通道，用于产生信号以及信号的存储和显示；发射换能器，其受到来自所述控制设备的信号发射通道的线性调频编码信号的激励，将该线性调频编码信号转换成振动信号，并向岩石类构件发射该振动信号；接收换能器，其接收来自岩石类构件的弹性波，将该弹性波转换成检测信号S_rock；运算设备，其用于对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)，其中，匹配滤波信号S_match是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；显示器，其用于显示脉冲压缩信号S_compress(n)的波形。

其中，尽量选取适合现场检测条件且谐振频带较宽的发射换能器和接收换能器，此处的谐振频带为±（发射换能器或接收换能器主频×20%）。

本发明的实施例将编码技术与脉冲压缩方法相结合，在发射端通过调制编码信号激励，使具有一定宽带特征的发射换能器发射经过调制的大时宽T、大带宽B的线性调频信号，本发明实施例采用的线性调频信号的基本波形是调频余弦波，随着时间的增加，线性调频信号的频率呈线性增加，然后，在接收端对接收信号进行匹配滤波（即压缩，也即实数域内的相关函数计算），得到主瓣宽度为(1/B)的单一峰值的压缩信号（也可称为窄脉冲信号）。其中，脉冲压缩方法利用全波信息判别弹性波首波的到达时间，脉冲压缩技术能将时域上比较长的调频信号压缩到很短的时间段之内。

本发明实施例的具体实现过程如下：

采用公式 $s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}A\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\mathrm{\&mu;}{t}^2/2)& \left(\right|t|\&le;\mathrm{\&tau;}/2)\\ 0& \left(\right|t|>\mathrm{\&tau;}/2)\end{array}\right.,$ 其中， $\mathrm{\&mu;}=2\mathrm{\&pi;}\frac{B}{\mathrm{\&tau;}},$ B表示信号带宽，τ表示信号时宽，f₀表示信号中心频率，t为时间间隔（也即采样间隔），B和τ满足关系式：10<B·τ<100，在满足奈奎斯特定理的前提下，对S(t)信号进行离散化，得到线性调频编码信号S_code，这一过程可以在计算机上用相关软件（例如Matlab软件）实现，图2显示的是线性调频编码信号的波形图，图3显示的是线性调频编码信号的频谱，其中的频带范围为475KHz□525KHz，

其中，0≤t≤0.5ms,f₀＝475MHz,

B=50kHz,T＝0.5ms，时带积D＝B·T=25，线性调频编码信号长度(即采样点数)为M₀，时间长度为t₀，线性调频编码信号的中心频率f0宜与发射换能器的中心频率一致，线性调频信号的带宽宜选在换能器的－6dB带宽范围内。为保证信号具备良好的脉冲压缩特性，且不影响计算效率，线性调频信号的脉冲宽度T与带宽B的乘积宜大于10，且小于100；

将线性调频编码信号导入控制设备的信号发生器中，用于激励发射换能器，发射换能器与接收换能器直接对接，用线性调频信号激励发射换能器，接收换能器接收到匹配滤波信号S_match，S_match作为参考函数信号，图4显示的是匹配滤波信号S_match的波形图，考虑到换能器的延迟，S_match的长度M₁必须满足关系式：M₁＞M₀（注：线性调频编码信号与接收换能器接收到的检测信号的采样频不要求一定要一致），其中，M₀表示线性调频编码信号的长度（也即采样点数）。

根据超声波测试技术规范，发射换能器与接收换能器置于岩块两侧，压块长度为20cm，采用穿透法检测，用线性调频编码信号激励发射换能器，发射换能器将线性调频编码信号转换成振动信号，并向岩石类构件发射该振动信号，该振动信号是一种机械波（尤其是指声波信号），也可以称之为弹性波，接收换能器从岩石类构件接收到弹性波信号，并将该弹性波信号转换成检测信号S_rock，图5显示的是S_rock波形图，为保证发射的宽时带信号全部被接收，接收信号长度（采样点数）M₂应满足如下关系式：

M₂＞M₁+ΔL·sample_rate/v_estimate

其中，ΔL为被测岩块长度，sample_rate为采样频率，采样频率满足奈奎斯特定理（也称采样定理），v_estimate为波速估计值，波速估计值的范围为（1400-6000）米/秒；

在计算机上，使用Matlab、VC等软件，根据公式（1）对匹配滤波信号S_match与接收信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)：

$S_{\mathrm{compress}}\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{match}}\left(k\right)S_{\mathrm{rock}}(k+n),(0\&le;n\&le;M_1+M_2)---\left(1\right)$

在计算过程中，若k+n＞M₂,取S_rock(k+n)＝0；图6显示的是S_compress(n)的波形图，从中可以看出脉冲压缩信号S_compress(n)的主瓣较窄且峰值较高，信噪比

脉冲压缩信号S_compress(n)的峰值时间Δt为压缩信号的首波到达时间，图6中显示的峰值时间是44.4μs。

根据公式v＝ΔL/Δt计算弹性波速度v，其中ΔL为被测岩块长度，在本实施例中，可以得到岩石的弹性波速度v＝4504.5m/s。

需要说明的是本发明所说的岩石类构件也包括混凝土。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测岩石类构件弹性波速度的方法，其特征在于：

所述方法包括如下步骤：

发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合，

用线性调频编码信号激励该发射换能器，

所述接收换能器接收到检测信号S_rock；

对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)；其中，匹配滤波信号S_match是在所述发射换能器与所述接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；

根据所述脉冲压缩信号S_compress(n)的峰值时间Δt计算得到弹性波的首波到达时间。

2.一种检测岩石类构件弹性波速度的系统，其包括：

发射换能器，其在线性调频编码信号的激励下，将该线性调频编码信号转换成振动信号，并向岩石类构件发射该振动信号；

接收换能器，其接收来自所述岩石类构件的弹性波，将该弹性波转换成检测信号S_rock；

运算设备，其用于对匹配滤波信号S_match与所述检测信号S_rock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号S_compress(n)，其中，所述匹配滤波信号S_match是在所述发射换能器与所述接收换能器直接对接的情况下，所述接收换能器接收到的信号。

3.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述发射换能器和所述接收换能器的谐振带宽范围为±（发射换能器或接收换能器主频×20%）。

4.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述发射换能器的中心频率与线性调频编码信号的中心频率f0一致。

5.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述线性调频编码信号的脉冲宽度T与带宽B的乘积大于10且小于100。

6.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：线性调频编码信号的带宽选在换能器的－6dB带宽范围内。

7.根据权利要求2-6中任一所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述匹配滤波信号S_match的长度M₁满足关系式：M₁＞M₀，其中，M₀表示线性调频编码信号的长度。

8.根据权利要求2-6中任一所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述接收换能器接收到的所述检测信号S_rock的长度M₂满足关系式：M₂＞M₁|ΔL·sample_rate/v_estimate，其中，ΔL为被测岩块长度，sample_rate为采样频率，v_estimate为波速估计值。

9.根据权利要求7所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述接收换能器接收到的所述检测信号S_rock的长度M₂满足关系式：M₂＞M₁+ΔL·sample_rate/v_estimate，其中，ΔL为被测岩块长度，sample_rate为采样频率，v_estimate为波速估计值。

10.根据权利要求9所述的检测岩石类构件弹性波速度的系统，其特征在于：所述波速估计值的范围为（1400-6000）米/秒。

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