CN106199594A - 搭载于tbm刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统及方法。将三个自发自收的探地雷达天线布置到TBM刀盘上，组成阵列雷达，在TBM掘进的同时分别沿圆周进行旋转循环探测。在雷达天线侧方及后方设置金属保护盒，保护天线并屏蔽后方机械和电缆对雷达信号的影响；在雷达天线前方设置非金属材质保护板，保护雷达天线，保持刀盘完整性，且不影响雷达探测信号。雷达主机与雷达天线间使用光纤连接，消除TBM机械和电缆对传输数据的影响；使用光电转换器转换光电信号。本发明采用三种不同主频的雷达天线，兼顾探测距离和探测分辨率；雷达主机集成对所得信号的处理和成像功能，运算速度较快，基本可做到实时探测，实时成像。

Description

搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法

技术领域

本发明涉及TBM施工隧道不良地质超前地质预报领域，尤其涉及一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法。

背景技术

现在我国隧道建设如火如荼，其中采用全断面隧道掘进机(Tunnel BoringMachine，简称TBM)施工的比例越来越高。TBM是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩掘进，形成整个隧道断面的新型、先进的隧道施工机械。与传统的钻爆法施工相比，TBM施工法具有“施工速度快、开挖扰动小、安全环保”等诸多优点。但TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当施工中遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往会造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的方法是采用超前地质预报技术提前探明掌子面前方的地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工方案。

但是TBM施工环境具有特殊性，很多在钻爆法施工隧道中较为成熟的超前地质预报技术无法直接使用。对于超前地质预报来说，TBM施工隧道的复杂性和特殊性主要表现为三个方面：其一是TBM机械系统过于庞大，占据了隧道掘进面后方的大部分空间,可用探测空间狭小；其二是TBM机械系统存在大量金属构件和供电电缆，它们会干扰电磁场，影响某些基于电磁波的超前地质预报技术的探测效果；其三是TBM施工时机械大部分时间都在向前掘进之中，每天仅有约两个小时的检修时间可供超前探测使用，较为短暂。

目前TBM施工隧道中的超前地质预报技术主要有以下两种方法。一种是利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探。这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，无法探明不与钻孔相交的地质体，不能反映TBM工作面前方整个范围的地质情况，极易遗漏不良地质体，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔的经济成本和时间成本较高。另一种是利用德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统。BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，其缺点一是测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；二是利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，未采用层析成像探测，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息，也无法预报水量。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待提高和完善。

综上可见，目前尚没有十分有效实用的TBM施工隧道超前地质预报技术与装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统及方法。将三个自发自收的探地雷达天线布置到TBM刀盘上，组成阵列雷达，在TBM掘进的同时分别沿圆周进行旋转循环探测。在雷达天线侧方及后方设置金属保护盒，保护天线并屏蔽后方机械和电缆对雷达信号的影响；在雷达天线前方设置非金属材质保护板，保护雷达天线，保持刀盘完整性，且不影响雷达探测信号。在控制室内放置雷达主机，处理并显示雷达探测结果。雷达主机与雷达天线间使用光纤连接，消除TBM机械和电缆对传输数据的影响；使用光电转换器转换光电信号。在TBM刀盘与TBM本体之间的中心回转接头中添加光纤旋转连接器，避免光纤发生缠绕断裂。本系统在TBM掘进的同时进行探测，不受检修时间限制；雷达天线沿圆周探测，相当于三个圆周合成孔径雷达，利用反向传播算法(BackPropagation，简称BP算法)可形成掌子面前方地质情况的三维图像；采用三种不同主频的雷达天线，兼顾探测距离和探测分辨率；雷达主机集成对所得信号的处理和成像功能，运算速度较快，基本可做到实时探测，实时成像。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统，包括探测模块、处理模块和数据传输模块，其中：

探测模块包括：预留于TBM刀盘上的一个靠外侧的圆周上的多个槽位；置于刀盘预留槽位中的前方开口的金属保护盒；置于金属保护盒内的自发自收的雷达天线，且雷达天线的中心频率不同；置于雷达天线前方，保持刀盘完整性的非金属材质保护板；

处理模块包括：置于TBM后方控制室内的雷达主机；

数据传输模块包括连接雷达主机和雷达天线的光纤；转换光电信号的光电转换器；避免光纤缠绕断裂的光纤旋转连接器。

所述槽位为三个，均匀分布在TBM刀盘的一个外侧圆周上；其形状为圆形，大小与金属保护盒和非金属材质保护板一致；槽位内表面设有内螺纹，与金属保护盒和非金属材质保护板的外螺纹匹配。

所述置于刀盘预留槽位中的金属保护盒，保护雷达天线并屏蔽后方机械和电缆对雷达探测的影响。所述金属保护盒覆盖雷达天线侧面和后方，在前方留有开口，供天线探测使用。所述金属保护盒形状为圆柱形，外表面设有外螺纹，与预留槽位内螺纹匹配。所述金属保护盒大小以能够放下雷达天线为准，内部设有支架固定雷达天线。所述金属保护盒前半部分内部设内螺纹，与非金属材质保护板外螺纹匹配。所述金属保护盒后方预留小孔供传输探测数据的光纤通过。

所述置于金属保护盒内的雷达天线，共有三个，自发自收，其主频分别为50MHz、100MHz和200MHz。探地雷达的主频越高，分辨率越高，但探测距离越短。主频为50MHz的探地雷达，探测距离可达30-40m，分辨率约为1m；主频为100MHz的探地雷达，探测距离可达15-20m，分辨率约为0.5m；主频为200MHz的探地雷达，探测距离可达7.5-10m，分辨率约为0.25m。使用三种不同主频的雷达天线组成阵列雷达，可兼顾探测距离和探测分辨率，取得较为理想的探测效果。所述雷达天线采用喇叭天线。喇叭天线的体积小，带宽高，并且具有很好的定向发射能力，采用喇叭天线可以在有限体积下获得前向增益强并且带宽很高的发射信号，取得良好的探测效果。所述雷达天线在TBM掘进过程中沿圆周旋转探测，相当于三个圆周合成孔径雷达，利用BP算法可进行高分辨率三维成像。

所述置于雷达天线前方的非金属材质保护板，用于保护雷达天线并保持TBM刀盘的完整性。所述保护板采用高强度非金属材质，既保证具有足够的强度和耐磨性，又尽量减少对雷达天线探测信号的影响。所述非金属材质保护板形状为圆形，大小与预留槽位和金属保护盒一致。所述非金属材质保护板有前后两段，前大后小，均布设有外螺纹，分别与预留槽位和金属保护盒的内螺纹匹配。

所述置于TBM后方控制室的雷达主机，用于分析、处理、展示三个雷达天线探测所得的时间剖面图，并利用BP算法处理探测所得结果，进行高分辨率三维成像。所述雷达主机运算速度较快，基本可以做到实时探测，实时成像。

所述连接雷达天线和雷达主机的光纤，用于传输雷达信号。所述光纤传递光信号，可避免TBM内部机械和电缆对信号的影响。

所述转换光电信号的光电转换器，主要包括光发射器和光接收器，用于雷达主机和雷达天线使用的电信号和光纤传输使用的光信号的相互转换。

所述光纤旋转连接器，添加进原有的TBM刀盘与TBM本体之间的中心回转接头中，用于保证刀盘中不停旋转的光纤和刀盘后方保持不动的光纤的连接，避免光纤缠绕甚至断裂。

下面简要介绍一下本发明中利用BP算法进行三维成像的原理：

本发明中三个不同主频的雷达天线均匀分布在刀盘的一个外侧圆周上，随TBM掘进沿此圆周进行旋转探测，相当于三个圆周合成孔径雷达(CircularSynthetic ApertureRadar，简称CSAR)。雷达天线通过沿圆周轨道的运动实现对目标散射回波的多角度信息采集,多角度采集到的回波信号中的相位信息反映了目标中心的三维空间相对位置关系,通过对回波信号的相干处理可以实现对目标的三维分辨成像。回波信号的相干处理是实现三维成像的关键，主要分为时域算法和频域算法，这里采用时域算法中的BP算法。

BP算法是传统时域成像方法中理论上最直观的方法，其基本思想是将待成像区域中每一点的后向散射回波进行相干叠加从而获得该点的散射强度信息。BP算法的物理概念比较清晰，回波模型相对简单，在SAR成像领域得到了广泛的应用。

针对成像区域内的任意一个待成像点，首先计算该点距离每个合成孔径天线位置的时延，然后在各道接收回波上搜索对应于该点相应的幅值，通过将各道回波中相应位置处的幅值相干叠加从而完成成像。

以TBM刀盘旋转一圈为一个探测周期，此时实际上TBM已经前进了一段距离，记为Δh。以三个天线其中一个为例，设在此探测周期内天线共记录N道数据，则此周期内共有N个合成孔径天线位置。则对于成像区域内的任一成像点A，其距离每个合成孔径天线位置的时延如下：

${\mathrm{\τ}}_{A,k}=\frac{2l_{A,k}}{v}=\frac{2\×\sqrt{{(R-r_A)}^2+{(h_A-\mathrm{\Δ}h\×\frac{k}{N})}^2}}{\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_r}}}$

其中，τ_A,k为成像点A到第k个合成孔径天线位置的时延，l_A,k为成像点A到第k个合成孔径天线位置的距离，v为电磁波在岩石中传播的波速，R为天线到TBM轴线的距离，r_A为成像点A到TBM轴线的距离，h_A为成像点A到TBM刀盘初始平面的距离，c为真空电磁波速，ξ_r为岩石的相对介电常数。

将第k道数据记为S(t)，则根据所求得的时延τ_A,k可求得成像点A在第k道数据上的散射响应幅值：

x_A,k＝S(t＝τ_A,k)

通过将点A在各道上的散射响应幅值进行叠加，便完成对A点的成像：

$E_A=\underset{k}{\Σ}{x}_{A,k}$

E_A即为成像点A的成像值。

对成像区域内的所有点都进行如上操作，即可获得所有点的成像值，完成成像区域的三维成像。本发明中有三个不同中心频率的雷达天线，可以分别使用BP算法进行三维成像，得到三幅前方地质情况的三维结果，兼顾探测距离和探测分辨率。

一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测方法，包括以下步骤：

步骤1：布置好TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，连接好连接线；

步骤2：在TBM掘进过程中使用三个雷达天线进行实时探测；

步骤3：使用雷达主机得到实时的时间剖面图；

步骤4：运用BP算法得到掌子面前方地质情况三维成像图。

雷达天线通过沿圆周轨道的运动实现对目标散射回波的多角度信息采集，多角度采集到的回波信号中的相位信息反映了目标中心的三维空间相对位置关系，利用BP算法对回波信号的相干处理实现对目标的三维分辨成像。

针对成像区域内的任意一个待成像点，计算该点距离每个合成孔径天线位置的时延，在各道接收回波上搜索对应于该点相应的幅值，通过将各道回波中相应位置处的幅值相干叠加从而完成成像。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统和方法，不受TBM施工环境中有限的空间和时间限制，可随TBM掘进实时探测，实时成像，形成高分辨率三维成像图，探测速度快效果好。无需等待TBM停机检修，基本不影响施工进度。

(2)本发明中雷达天线所占刀盘空间较小，并且不影响刀盘的完整性，对TBM改动不大，可与原有结构较好兼容，一次安装后即可长期使用，实际探测时操作十分简便。

(3)本发明利用金属保护盒来保护雷达天线，屏蔽后方机械和电缆对探测的干扰；利用高强度非金属材质保护板来保护雷达天线并保持刀盘完整，同时降低其对探测的干扰；选用高带宽，定向效果好的喇叭天线；利用光纤传输探测信号。多方面同时作用，降低了阵列雷达进行探测时受到的干扰，改善了探测效果。

(4)本发明利用合成孔径雷达原理，可使用BP算法进行前方地质情况的高精度三维成像。

(5)本发明使用了三个不同中心频率的雷达天线，可兼顾探测深度和探测分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

图1为本发明超前探测装置整体安装结构示意图；

图2为本发明雷达天线在TBM刀盘上安装位置示意图；

图3为本发明金属保护盒、高强度塑料保护板和雷达天线示意图；

图4为本发明中使用的BP算法原理示意图；

图5为本发明中使用的BP算法流程图。

图中：1.围岩，2.掌子面，3.地质异常体，4.TBM机体，5.TBM刀盘，6.金属保护盒，7.非金属材质保护板，8.自发自收雷达天线，9.雷达主机，10.光纤，11.光电转换器，12.光纤旋转连接器，13.中心回转接头，14.确定TBM刀盘旋转一次前进的距离Δh和天线距TBM轴线的距离R，15.确定前方岩石的相对介电常数ξ_r并计算电磁波传播的波速v，16.根据雷达天线分辨率的十分之一划分成像点选取网格，17.判断是否遍历所以成像点，18.计算成像点到一个探测周期内所有合成孔径雷达位置的距离，19.计算成像点到一个探测周期内所有合成孔径雷达位置的时延，20.根据时延提取成像点在各道数据上的散射响应幅值，21.累加成像点在各道数据上的赋值得到成像值，22.根据计算所得所有成像点的成像值来输出三维图像。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应当指出的是，以下所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统，包括探测模块、处理模块和数据传输模块三大模块。其中探测模块包括：预留于TBM刀盘5上一个靠外侧的圆周上的三个槽位；置于刀盘预留槽位中的前方开口的金属保护盒6；置于金属保护盒6内的三个自发自收的雷达天线8，其中心频率分别为50MHz、100MHz和200MHz；置于雷达天线8前方，保持刀盘完整性的非金属材质保护板7。处理模块为：置于TBM后方控制室内的雷达主机9。数据传输模块包括：连接雷达主机9和雷达天线8的光纤10；转换光电信号的光电转换器11；避免光纤缠绕断裂的光纤旋转连接器12。

在TBM刀盘5上预留三个槽位，均匀分布在TBM刀盘5的一个外侧圆周上；其形状为圆形，大小与金属保护盒6和非金属材质保护板7一致；槽位内表面设有内螺纹，与金属保护盒6和非金属材质保护板7的外螺纹匹配。

所述置于刀盘预留槽位中的金属保护盒6，保护雷达天线8并屏蔽后方机械和电缆对雷达探测的影响。金属保护盒6覆盖雷达天线侧面和后方，在前方留有开口，供天线探测使用。金属保护盒6形状为圆柱形，外表面设有外螺纹，与预留槽位内螺纹匹配。金属保护盒6大小以能够放下雷达天线8为准，内部设有支架固定雷达天线8。金属保护盒6前半部分内部设内螺纹，与非金属材质保护板7外螺纹匹配。金属保护盒6后方预留小孔供传输探测数据的光纤10通过。

将雷达天线8置于金属保护盒6内。雷达天线8共有三个，自发自收，其主频分别为50MHz、100MHz和200MHz。雷达天线8采用喇叭天线的形式。所述雷达天线8在TBM掘进过程中沿圆周旋转探测，相当于三个圆周合成孔径雷达，利用BP算法可进行高分辨率三维成像。

在雷达天线8前方设置非金属材质保护板7，用于保护雷达天线8并保持TBM刀盘5的完整性。非金属材质保护板7采用高强度非金属材质，既保证具有足够的强度和耐磨性，又尽量减少对雷达天线8探测信号的影响。非金属材质保护板8的形状为圆形，大小与预留槽位和金属保护盒6一致。非金属材质保护板8有前后两段，前大后小，均布设有外螺纹，分别与预留槽位和金属保护盒6的内螺纹匹配。

将雷达主机9置于TBM后方的控制室中，用于分析、处理、展示三个雷达天线探测所得的时间剖面图，并利用BP算法处理探测所得结果，进行高分辨率三维成像。雷达主机9的运算速度较快，基本可以做到实时探测，实时成像。

使用光纤10连接雷达天线8和雷达主机9，用于传输雷达信号。光纤10传递光信号，可避免TBM内部机械和电缆对信号的影响。

使用光电转换器11完成雷达主机9和雷达天线8使用的电信号和光纤10传输使用的光信号的相互转换。

将光纤旋转连接器12添加进原有的TBM刀盘与TBM本体之间的中心回转接头13中，用于保证TBM刀盘5中不停旋转的光纤10和TBM刀盘后方保持不动的光纤10的连接，避免光纤10发射缠绕甚至断裂。

一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测方法，包括以下步骤：

步骤1：布置好TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，连接好各种连接线；

步骤2：在TBM掘进过程中使用三个雷达天线进行实时探测；

步骤3：使用雷达主机得到实时的时间剖面图；

步骤4：运用BP算法得到掌子面前方地质情况三维成像图。

本发明提出的搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法，专为TBM设计，与TBM结构兼容，一次安装后即可长期使用，实际探测时操作十分简便；可屏蔽后方TBM机械结构对雷达探测结果的影响，保证良好的探测效果；可基本做到随TBM掘进实时探测，不必等待停机检修时间，基本不影响施工进度；利用BP算法，可生成前方地质情况的三维图像；使用三种不同中心频率的雷达天线，兼顾探测距离和探测分辨率。

当然，本发明仍有一些不足之处，如雷达探测距离较短，无法探明距离掌子面过远的地质情况；雷达本身具有一定的探水能力，但探水能力不强，对分界面信息较为敏感，但无法探明水量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：包括探测模块、处理模块和数据传输模块，其中：

探测模块包括：预留于TBM刀盘上的一个靠外侧的圆周上的多个槽位；置于刀盘预留槽位中的前方开口的金属保护盒；置于金属保护盒内的自发自收的雷达天线，且雷达天线的中心频率不同；置于雷达天线前方，保持刀盘完整性的非金属材质保护板；

处理模块包括：置于TBM后方控制室内的雷达主机；

数据传输模块包括连接雷达主机和雷达天线的光纤；转换光电信号的光电转换器；避免光纤缠绕断裂的光纤旋转连接器。

2.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述槽位为三个，均匀分布在TBM刀盘的一个外侧圆周上；其形状为圆形，大小与金属保护盒和非金属材质保护板一致；槽位内表面设有内螺纹，与金属保护盒和非金属材质保护板的外螺纹匹配。

3.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述金属保护盒覆盖雷达天线侧面和后方，在前方留有开口，供天线探测使用，所述金属保护盒形状为圆柱形，外表面设有外螺纹，与预留槽位内螺纹匹配。

4.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述金属保护盒前半部分内部设内螺纹，与非金属材质保护板外螺纹匹配，所述金属保护盒后方预留小孔供传输探测数据的光纤通过。

5.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述雷达天线置于金属保护盒内，共有三个，自发自收，其主频分别为50MHz、100MHz和200MHz。

6.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述雷达天线前方设置非金属材质保护板，所述非金属材质保护板形状为圆形，大小与预留槽位和金属保护盒一致，所述非金属材质保护板有前后两段，前大后小，均布设有外螺纹，分别与预留槽位和金属保护盒的内螺纹匹配。

7.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述雷达主机置于TBM后方控制室内，用于分析、处理、展示三个雷达天线探测所得的时间剖面图，并且可利用BP算法处理探测所得结果，进行高分辨率三维成像。

8.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述转换光电信号的光电转换器，包括光发射器和光接收器，用于雷达主机和雷达天线使用的电信号和光纤传输使用的光信号的相互转换。

9.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统，其特征在于：所述光纤旋转连接器，添加进原有的TBM刀盘与TBM本体之间的中心回转接头中，用于保证刀盘中不停旋转的光纤和刀盘后方保持不动的光纤的连接，避免光纤发射缠绕甚至断裂。

10.一种利用权利要求1所述的TBM施工隧道前向阵列雷达超前探测装置系统的超前探测方法，包括以下步骤：

雷达天线通过沿圆周轨道的运动实现对目标散射回波的多角度信息采集，多角度采集到的回波信号中的相位信息反映了目标中心的三维空间相对位置关系，利用BP算法对回波信号的相干处理实现对目标的三维分辨成像；

针对成像区域内的任意一个待成像点，计算该点距离每个合成孔径天线位置的时延，在各道接收回波上搜索对应于该点相应的幅值，通过将各道回波中相应位置处的幅值相干叠加从而完成成像。