CN106950288A - 一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件，还包括方位部件、扫描部件、标定部件和反射部件，还公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，来解决单一频率超声的探测范围极限性及低精度的难题，通过选取两个频率的超声换能器所产生的清晰波形，进行对比分析，可以分别计算出各超声脉冲漏检的周期个数，从而提高传播时间检测精度，同时采用标定部件和反射部件，来实时测量环境介质中的声速，实现波速的高精度测量，最后将两个频率的超声换能器所测距值进行平均作为准确距离，本发明设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

Description

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土测量装置领域，具体涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，适用于对各类工程领域中地质钻孔内的空区进行详尽勘察和探测，获取空区的精细地质结构和轮廓信息，能够实现量程范围内各种尺寸空区的无盲点精确探测。

背景技术

随着我国社会、经济的迅猛发展，矿产资源的需求急剧增加，我国已经进入矿产资源大规模开发阶段且多为地下开采。矿产资源地下开采不可避免会形成大量的采空区，而采空区可能会引发井下大面积冒落、岩移及地表塌陷，造成严重的人员伤亡和设备破坏。因此，非常有必要准确掌握采空区的形态、实际边界、顶板面积和体积大小等基本信息。我国岩溶地貌分布广泛，岩溶塌陷已成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和工程建设具有严重的危害；岩溶的发育对于油气资源的富集与运移、地下水资源的分布与径流、与岩溶相关矿产资源的发育和分布以及对工程建设都好产生重要影响。因此，对岩溶的探测具有重要的现实意义。世界上90％的能源(石油、天然气)储存库建在盐岩介质或利用报废的废盐矿井中。对于盐穴地下储库，在投入使用前或使用一段时间后，均要进行腔体变性及密封性的现场实地测试，由于洞室的不规则性、以及各种测试方法精度较低的局限性，所获得结果的准确性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一种新的探测系统来解决地下能源储存中溶腔精确探测的问题。

目前国内外关于空区的探测方法主要有：电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3D法。但是前面五种探测方法均不同程度地存在着抗干扰能力较弱，勘探深度有限，探测结果不够精确，完成后需要对探测结果解释，过程繁琐，可视化程度低等问题，而测量精度高的激光3D法探测成本高，对空区内环境要求高且不能对充有水的空区进行探测。

总之，随着我国可持续发展战略的深入，空区(采空区、岩溶和溶腔等)开发利用成为解决土地、资源与环境危机的重要措施，大量的地下工程建设方兴未艾，全生命周期的安全问题以及能源储备问题亟待解决。然而，空区探测技术的不足和匮乏成为制约地下空区开发利用的瓶颈。

现在的探测发展中，超声探测的应用越来越广泛，超声探测技术不仅应用于军事领域，也越来越多地应用在民用场合，如超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、水下声纳和管道检漏等方面。由于超声波具有频率高，波长短，绕射现象好；方向性好，能够成为射线而定向传播；能量消耗慢，传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量。超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。由此可见，采用超声波对孔内空区进行探测具有可行性，然而被探测的空区形态和尺寸未知且结构复杂，单一频率超声的探测范围有限(高频率探测范围小，低频率探测范围大)，不能准确掌握空区的形态和尺寸，此外，在检波的过程中，无法保证不存在漏检脉冲波形，以及无法获取各种环境下声速值，从而导致探测精度差。

鉴于现有超声波探测存在的问题，本发明提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法与装置，从根本上解决了单一频率超声的探测范围极限以及探测精度低的难题，该装置将多种频率结合起来，同时扫描空区，最后选择两个合适频率的波形进行对比分析，计算出漏检波形周期，实现高精度测量，在结合方位和深度信息后，可以拟合出空区的立体轮廓。基于多频超声扫描的孔内空区探测装置的优点在于：1)探测精度高。通过选择较为合适的两个频率超声波形，进行对比，计算出漏检的超声脉冲个数，从而使探测的检测时间更加准确，获取声波在标定部件与反射部件之间的往返时间，计算出该探测环境下的声速，从而使各探测环境下的声速更加准确；2)探测方式简单。仅通过步进电机带动扫描部件和方位部件即能获得各尺寸空区全方位岩壁的轮廓曲线；3)探测范围广。通过选取合适的各种频探头能够探测到更大的孔内空区结构，可探测出不同方向的岩壁轮廓信息，其内含信息更加丰富；4)结构小巧，布局灵活，连接简洁，易于实施。

发明内容

本发明的目的就是为了克服以往超声波探测频率单一而导致的探测范围有限、探测精度差的缺点和不足，提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，利用两种频率相位差来精确计算测距值，结合扫描点方位及深度形成空区立体轮廓的方法，并形成一套布设有多个频率换能器的可旋转扫描孔内空区探测装置，即基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，能够实现对空区岩壁的高精度扫描，完成空区无死角的探测，并形成空区的立体轮廓。该方法和装置构思新颖、实施容易，是超声波探测技术的新方法和新一代装置，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件，还包括方位部件、扫描部件、标定部件和反射部件，

旋转驱动部件，用于驱动方位部件和扫描部件同步旋转；

方位部件，用于实时方位获取；

扫描部件，包括多个在旋转驱动部件的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，各个旋转驱动部件沿同一扫描圆旋转时依次对孔内空区的孔壁的同一扫描点进行扫描；

标定部件，用于配合反射部件测量超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度。

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，包括以下步骤：

步骤一、采集孔内空区孔壁扫描点所在深度、方位，

采集空区岩壁扫描点对应的各个超声换能器的发射脉冲序列以及对应的实际接收脉冲序列；

步骤二、选取扫描点对应的脉冲峰值最大的两个实际接收脉冲序列，分别定义为第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列；第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列对应的发射脉冲序列分别为第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列，

第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的频率分别为f1和f2，且f1小于f2，

第一发射脉冲序列的脉冲周期为T1，第二发射脉冲序列的脉冲周期为T2，

定义第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列对应的理论接收脉冲序列分别为第一理论接收脉冲序列和第二理论接收脉冲序列，

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的首波所用时间为t1，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的首波所用时间为t2，

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t1_n，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t2_n，

第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的脉冲数量均为N，

设定第一实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m1，选定扫描点对应的第一发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第一实际接收脉序列的第a个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_a，

设定第二实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m2，选定扫描点对应的第二发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第二实际接收脉序列的第b个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_b；

步骤三、首先取a＝b＝1；

步骤四、判断时间t1_a与t2_b的大小；

若时间t1_a<时间t2_b，则a加1,直至时间t1_a第一次大于等于时间t2_b，在时间t1_a第一次大于等于时间t2_b的情况下：

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T，其中，△T＝T1-T2；

当时间t1_a-时间t2_b<M,则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

若时间t1_a≥时间t2_b，

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

当时间t1_a-时间t2_b<M，则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

其中，

步骤五、通过C+1＝a+m1和C+1＝b+m2分别计算出m1和m2的值；

步骤六、第一发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s1＝(t1_1-m1×T1)c，第二发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s2＝(t2_1-m2×T2)c，c为超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度；

步骤七、扫描线长度s为(s1+s2)/2。

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法及装置的原理为：

1、探测装置装配的多个频率超声换能器(即各个超声换能器发射的发射脉冲序列的脉冲频率不同)，能够解决空区探测范围受限的问题，当空区尺寸较小时，小尺寸的空区可能处于低频超声换能器的探测盲区范围内，而不能够很好的探测，而装置中的高频的超声换能器则能够获得良好探测波形，当空区尺寸较大时，由于探测介质中可能存在各种颗粒物或者微小杂质等物体时，高频率的超声换能器所产生的波形波长较小，不能穿透或者绕过障碍物，从而影响大尺寸空区的探测，而装置中的低频的超声换能器所产生的波长较长，受障碍物的影响较小，从而可以实现大尺寸空区的探测；

2、探测装置根据实际需求装配有多个频率的超声换能器，探测全过程同时进行数据采集，根据数据波形反射情况，选择两个波形较好的频率的超声换能器所采集到的数据，对比分析，计算出波形的漏检数，从而精确计算出各频率的超声换能器到扫描点的距离值，并将两个频率所测距离值进行平均处理，该平均值即为超声换能器到该方向岩壁扫描点的距离值，结合扫描点方位信息和深度信息，即可线性插值拟合出孔内空区的立体轮廓；

3、由于探测环境不同，扫描部件所处的探测介质环境(温度、浓度、压力)不同，探测装置设置了标定装置、反射装置和流通孔，探测介质通过流通孔进入标定装置和反射装置之间的空腔，通过标定装置计算出声波从标定装置到反射装置所用时间，而标准装置和反射装置之间的间距为固定值，从而可以计算出声波在该探测介质中的传播速度，从而使扫描部件测距离所需的声速值更加准确；

4、由于探测环境较为恶劣，在分析反射波形时，通常会存在漏检波形的情况，将非首波视为首波，从而导致测出的距离值偏大，为了提供测距值，通过两个频率的波形进行对比，计算出各频率的漏检周期，从而使扫描部件测距离所需的时间更加准确；

5、由于探测范围不同，声波在介质中的传播时间也不一致，为了获得更多数据，需要获取更多的扫描点，探测装置采样步进电机，可以精确每个旋转角度，同时实现扫描速度的实时调节，根据实际情况，在地面选择合适扫描速度；

6、扫描部件在工作的同时，旋转驱动部件驱动扫描部件旋转，实现空区岩壁的360度全方位扫描，并通过方位部件时刻记录扫描点的方位信息；

7、由于数据量较大，采样光纤传输，能够大大提高传输效率，实现数据的实时传输；

通过以上方案及措施设计的基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，利用了装配多种频率的超声换能器，来实现了各尺寸的空区探测，并获取了更多的探测数据，通过选取两个频率的超声换能器所产生的清晰波形，进行对比，可以计算出脉冲波形漏检周期个数，从而提高检测时间的精度，同时采用标定部件和反射部件，来获得实时声速，实现波速的高精度测量，最后将两个频率的超声换能器所测距值进行平均，从而实现超声换能器与扫描点之间距离的精确计算，采用旋转驱动部件实现了孔内空区的全方位扫描探测，从而解决了单一频率超声的探测范围极限性及低精度的难题，实现了探测范围广，探测精度高，采集效率高，并具有显著的科学意义和经济实用价值。

本发明相对于现有技术具有以下优势：

1、本发明将多种频率的超声换能器结合起来，既扩大了探测范围，弥补各工作探头的盲区范围，保证探测空区尺寸的连续性，又能够获取更多的探测数据；

2、本发明将多种频率的超声换能器结合起来，通过选择较为合适的两个频率超声波形，进行对比，计算出漏检的超声脉冲个数，从而使探测的检测时间更加准确；

3、本发明设置有标定部件、反射部件和流通孔，通过获取声波在标定部件与反射部件之间的往返时间，计算出该探测环境下的声速，从而使各探测环境下的声速更加准确；

4、本发明将较为合适的两个频率测距值平均，将平均值视为超声换能器与扫描点之间的距离，从而使测距值更加准确；

5、本发明采用光纤传输，能够大大提高孔内探头与地面计算机之间的传输速率；

6、本发明装置操作方便，容易实现，获得的数据更加丰富，取得的结果更加可靠，大大地提高了探测效率；

7、本发明的结构体系和总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种利用布设多种频率的超声换能器，来解决单一频率超声的探测范围极限性及低精度的难题，通过选取两个频率的超声换能器所产生的清晰波形，进行对比，可以计算出脉冲波形漏检周期个数，从而提高检测时间精度，同时采用标定部件和反射部件，来获得实时声速，实现波速的高精度测量，最后将两个频率的超声换能器所测距值进行平均，从而实现超声换能器与扫描点之间距离的精确计算，叠加扫描点的方位信息和深度信息，通过线性插值拟合出空区的立体轮廓，从而实现空区高精度探测。该方法及装置设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为孔内探头结构示意图；

图3为扫描部件结构分布图；

图4为波形示意图；

图5为计算流程图；

图中：1-壳体；2-控制部件；3-旋转驱动部件；4-方位部件；5-扫描部件；6-标定部件；7-反射部件；8-流通孔；

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

如图1所示，一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括孔内探头、电缆、深度编码器、数据线、计算机和电源，孔内探头用于精确探测空区岩壁上的扫描点与超声换能器所处扫描线的方位与长度，孔内探头置于孔内的空区中，孔内探头通过电缆下放到孔内，并通过电缆将采集数据上传到地面上的计算机，孔内探头从孔口下放的同时，处于孔口的深度编码器开始工作，用于记录孔内探头下放深度，从而计算出岩壁上扫描点所处的深度信息，深度编码器直接与计算机相连，深度信息直接进入计算机，计算机用来实时存储、显示和后期分析计算，电源为深度编码器、孔内探头和计算机供电。

如图2所示，一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括孔内探头，孔内探头包括壳体1、控制部件2、旋转驱动部件3、方位部件4、扫描部件5、标定部件6、反射部件7和流通孔8，壳体1位于最外侧，控制部件2位于壳体1上部，旋转驱动部件3位于壳体1中部且处于控制部件2下方，为扫描部件5提供动力，方位部件4位于旋转驱动部件3下部，方位部件4位于扫描部件5上部，方位部件4与扫描部件5的相对位置固定，在旋转驱动部件3驱动旋转下，方位部件4和扫描部件5同步旋转，并记录方位部件4对应的方位，扫描部件5位于孔内探头下部，标定部件6位于壳体1的下部且位于扫描部件5下方，反射部件7位于壳体1的下部且位于标定部件6下方，壳体1位于标定部件6和反射部件7之间的侧壁开设有流通孔8，使探测环境中的介质能够自然流入标定部件6与反射部件7之间的空腔。

壳体1，呈圆筒状，为不带磁的材料，通常选择不锈钢材料，它具有保护内部元器件的作用，同时也是支撑内部元器件搭建的平台，壳体1具有各种密封装置，包括静密封和动密封，封装控制部件2、旋转驱动部件3和方位部件4的上部壳体1之间的连接部位设有静密封，通常在O型槽内布设O型圈；封装扫描部件5、标定部件6、反射部件7和流通孔8的下部壳体1之间的连接部位设有静密封，通常在O型槽内布设O型圈；上部壳体1和下部壳体1之间发生周向相对运动，壳体1的上部和下部之间的连接部位设有动密封，通常在密封槽内布设动密封圈，防治孔内探头外部环境中的介质流入，并抵抗外部介质的压力。

控制部件2，用于控制和记录各超声换能器在扫描点对应的发出发射脉冲序列；还用于接收和记录扫描点对应的各个发射脉冲序列对应的各个接收脉冲序列；还用于记录方位部件4产生的方位；还用于记录标定部件6获得的超声脉冲在介质中的传播速度。

旋转驱动部件3，包括步进电机和步进电机驱动器，具有精确的旋转角度，实现扫描部件5和方位部件4的360度扫描，并可以根据需要实时调整步进电机的旋转速度，从而改变扫描部件5的旋转速度。步进电机为空心轴电机，电机轴通过键带动封装了扫描部件5、标定部件6、反射部件7和流通孔8的下部壳体1旋转，方位部件4、扫描部件5和标定部件6的引线通过空心轴引入步进电机上部，并设有滑环，来实现引线的旋转，步进电机和封装了扫描部件5、标定部件6、反射部件7和流通孔8的下部壳体1的外侧连接部分设有动密封，来满足旋转驱动部件3旋转的同时又实现壳体1的密封。

方位部件4，可采用电子罗盘或者陀螺仪等元器件进行实时方位获取，方位部件4与扫描部件5相固定，在旋转驱动部件3的作用下，能够同步旋转，实时显示扫描部件某一个固定点所处的方位，固定点可以选取其中的一个超声换能器所处位置，方位部件4所产生的方位角即为该超声换能器发射脉冲所指向的地理方位，通过超声换能器布设的角度信息，可以计算出所有超声换能器所发射脉冲的方位角信息。

如图3所示，扫描部件5包括多个在旋转驱动部件(3)的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，发射脉冲序列的频率根据实际需求选取，测的空区越大，所用发射脉冲序列的频率越低，空区范围越小，所用发射脉冲序列的频率越高，结构复杂的空区，选用高、中、低多组频率的组合，通常至少包括三种发射脉冲序列的频率的超声换能器，作为优选方案，扫描圆垂直于被探测孔的中心轴，各个超声换能器在扫描选定扫描点时，与选定扫描点的距离(扫描线长度)相同。

标定部件6，包括一个高精度的测距超声换能器，测距超声换能器自发自收，通过测量超声波到达反射部件7所用往返时间，由于标定部件6与反射部件7之间的距离为固定值，可以计算出在当前环境(温度、浓度等)条件下，超声脉冲在介质中的传播速度，实现标定目的。

反射部件7，上表面光滑，与标定部件6的距离为固定值，保证标定部件6所测距离值与实际距离值高度一致。

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还包括电缆，电缆为钢铠电缆或者钢铠光纤，它具有传输数据和下放孔内探头的作用，可以通过电动绞车或者手动下放电缆，实现孔内探头的匀速下放，从而实现空区的精确扫描。

一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，

步骤一、采集孔内空区孔壁扫描点所在深度、方位，

采集孔内空区岩壁扫描点对应的各个发射频率的超声换能器的发射脉冲序列以及对应的实际接收脉冲序列；

其中，深度即扫描点的距离信息被采集时，扫描部件5中各超声换能器所在的孔内深度，通过地面上的深度编码器获得，

方位即超声换能器的发射脉冲指向岩壁上扫描点的地理方位信息，可以通过方位部件4获得的方位角计算出每个超声换能器各个时刻的方位角信息，

超声脉冲序列即各个超声换能器指向岩壁上扫描点时的发射脉冲序列和接收脉冲序列，超声脉冲序列为波形图，包括上升沿和下降沿，

步骤二、将扫描点对应的实际接收脉冲序列进行对比分析，选取扫描点对应的脉冲峰值最大的两个实际接收脉冲序列，分别定义为第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列；第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列对应的发射脉冲序列分别为第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列，然后计算出该扫描点的扫描线长度，

每个岩壁上的扫描点均被不同频率的超声换能器扫描过至少一遍，由于各频率在传播过程中的衰减系数不一致，各频率的接收脉冲序列的脉冲峰值也会不一致，将同一扫描点的各频率的接收脉冲序列的脉冲峰值进行对比，选取脉冲峰值最大的两个接收脉冲序列，将这两个接收脉冲序列分别为扫描点对应的第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列，

如图4所示，假设第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的频率分别为f1和f2，且f1小于f2，

第一发射脉冲序列的脉冲周期为T1，第二发射脉冲序列的脉冲周期为T2。

定义第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列对应的理论接收脉冲序列分别为第一理论接收脉冲序列和第二理论接收脉冲序列，

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的首波所用时间为t1，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的首波所用时间为t2。

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t1_n，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t2_n，

第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的脉冲数量均为N，则存在如下关系式：

由于不同频率的超声换能器到同一个扫描点所处位置相同，即t1和t2相等，存在如下关系式：

标记M为常数，可以通过发射脉冲序列的发射脉冲个数和已知频率计算。由于存在漏检的情况，第一发射脉冲序列的频率为频率f1，设定第一实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m1，第一实际接收脉冲序列的第一个脉冲对应第一理论接收脉冲序列中的第m1+1个脉冲，实际接收脉冲序列只存在首波漏检的情况，实际接收脉冲序列中间的脉冲不存在漏检的情况。选定扫描点发送的第一发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第一实际接收脉序列的第a个脉冲的上升沿(即第一理论接收脉冲序列的第m1+a个脉冲的上升沿)所用时间记为时间t1_a，

第二发射脉冲序列的频率为频率f2，设定第二实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m2，第二实际接收脉冲序列的第一个脉冲对应第二理论接收脉冲序列中的第m2+1个脉冲，实际接收脉冲序列只存在首波漏检的情况，实际接收脉冲序列中间的脉冲不存在漏检的情况。选定扫描点发送的第二发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第二实际接收脉序列的第b个脉冲的上升沿(即第二理论接收脉冲序列的第m2+b个脉冲的上升沿)所用时间记为时间t1_b，

则存在如下关系：

如图5所示，将第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列分别检测，对时间t1_a和时间t_2b进行对比，

步骤三、首先取a＝b＝1，

步骤四、判断时间t1_a与t2_b的大小，

若时间t1_a<时间t2_b，则a加1,直至时间t1_a第一次大于等于时间t2_b，在时间t1_a第一次大于等于时间t2_b的情况下：

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T，其中，△T＝T1-T2；

当时间t1_a-时间t2_b<M,则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

若时间t1_a≥时间t2_b，

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

当时间t1_a-时间t2_b<M，则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

步骤五、通过C+1＝a+m1和C+1＝b+m2分别计算出m1和m2的值。

步骤六、第一发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s1＝(t1_1-m1×T1)c，第二发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s2＝(t2_1-m2×T2)c，其中，c为超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度，由标定部件6获取的数据计算得到，由于第一发射脉冲序列对应的超声换能器和第二发射脉冲序列对应的超声换能器对应的扫描点相同，它们的扫描线长度也应一致，为了提高探测精度，将两频率对应同一扫描点的扫描线长度s视为两个频率计算出长度的平均值，即：

如上所述的超声脉冲在介质中的传播速度c，由标定部件6和反射部件7之间的距离除以标定部件6发射脉冲和接收脉冲所用时间所得。扫描线长度s为超声换能器扫描选定扫描点时，超声换能器与选定扫描点的距离。

步骤七、根据采集孔内空区岩壁扫描点所在深度、方位、扫描线长度s进行孔内空区数据拟合，

所述的数据拟合包括孔内空区轮廓的水平断面拟合和纵向断面拟合，在建立空间直角坐标系后，根据扫描线长度s以及方位信息，将扫描点所处的极坐标转化为柱坐标，在同一个水平断面上，各扫描点的深度信息一致，由于扫描点数量众多，直接将多个扫描点通过线性插值拟合，即可形成孔内空区岩壁的水平断面轮廓，在纵向上，根据深度编码器获得的深度信息，将相邻两个水平通过线性插值拟合，从而形成孔内空区岩壁的立体轮廓，完成孔内空区的立体扫描和探测。

部件材料及加工要求：

壳体1，为不带磁的材料，通常选择不锈钢材料。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件(3)，其特征在于，还包括方位部件(4)、扫描部件(5)、标定部件(6)和反射部件(7)，

旋转驱动部件(3)，用于驱动方位部件(4)和扫描部件(5)同步旋转；

方位部件(4)，用于实时方位获取；

扫描部件(5)，包括多个在旋转驱动部件(3)的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，各个旋转驱动部件(3)沿同一扫描圆旋转时依次对孔内空区的孔壁的同一扫描点进行扫描；

标定部件(6)，用于配合反射部件(7)测量超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度。

2.一种利用权利要求1所述装置进行基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采集孔内空区孔壁扫描点所在深度、方位，

采集空区岩壁扫描点对应的各个超声换能器的发射脉冲序列以及对应的实际接收脉冲序列；

步骤二、选取扫描点对应的脉冲峰值最大的两个实际接收脉冲序列，分别定义为第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列；第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列对应的发射脉冲序列分别为第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列，

第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的频率分别为f1和f2，且f1小于f2，

第一发射脉冲序列的脉冲周期为T1，第二发射脉冲序列的脉冲周期为T2，

定义第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列对应的理论接收脉冲序列分别为第一理论接收脉冲序列和第二理论接收脉冲序列，

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的首波所用时间为t1，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的首波所用时间为t2，

第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t1_n，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t2_n，

第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的脉冲数量均为N，

设定第一实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m1，选定扫描点对应的第一发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第一实际接收脉序列的第a个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_a，

设定第二实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m2，选定扫描点对应的第二发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第二实际接收脉序列的第b个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_b；

步骤三、首先取a＝b＝1；

步骤四、判断时间t1_a与t2_b的大小；

若时间t1_a<时间t2_b，则a加1,直至时间t1_a第一次大于等于时间t2_b，在时间t1_a第一次大于等于时间t2_b的情况下：

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T，其中，△T＝T1-T2；

当时间t1_a-时间t2_b<M,则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

若时间t1_a≥时间t2_b，

当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减去时间t2_b的差值第一次小于M，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

当时间t1_a-时间t2_b<M，则记录a和b的值，并计算出C＝(t1_a-t2_b)/△T；

其中，

步骤五、通过C+1＝a+m1和C+1＝b+m2分别计算出m1和m2的值；

步骤六、第一发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s1＝(t1_1-m1×T1)c，第二发射脉冲序列对应的超声换能器与扫描点之间的距离s2＝(t2_1-m2×T2)c，c为超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度；

步骤七、扫描线长度s为(s1+s2)/2。