CN107677197A - 一种地下目标体的体积测量装置及测量方法 - Google Patents

一种地下目标体的体积测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明的公开了一种地下目标体的体积测量装置及测量方法，包括电磁波透地设备，回波信号预处理器与电磁波透地设备相连接，埋深定位器与回波信号预处理器相连，管道尺寸测量器与埋深定位器相连接，成像处理器分别与回波信号预处理器、埋深定位器及管道尺寸测量器相连，显控仪器与成像处理器相连接；本发明解决了目前探测技术只能定位地下目标体的位置，不能准确测量地下目标体体积的问题，同时，本发明能实现无损非接触式测量，对地下环境介质及地下目标体无破坏；也能在不同频率的天线下，探测不同深度目标体的体积。

Description

一种地下目标体的体积测量装置及测量方法
技术领域
本发明专利涉及一种地下勘探技术，特别涉及一种地下目标体的体积测量装置及测量方法。
背景技术
地下电磁波探测技术作为一种无损的探测手段，具有分辨率高、快速经济、灵活方便、定位准确、剖面直观和实时图像显示等优点，已经广泛应用于各种工程领域，有着良好的应用前景；但是目前现有探测地下目标体的方法只能定位地下空洞、管线空腔等目标体位置，不能得到探测目标体的体积信息，当地下目标体存在某些缺陷时，现有的探测方法只能对缺陷做定性分析，无法探测出体积信息定量地估计缺陷的严重程度，因此不能准确深入地评估和监控地下目标体的质量状况，也不能对缺陷处理所需材料用量进行有效评估计算，针对因地下目标体缺陷可能造成的严重后果，无法提前采取针有效的措施进行补救。因此，对于建立一种根据地下电磁波探测技术求取被测目标体等效体积的数学结构计算模型有着重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种地下目标体的体积测量装置及测量方法，以解决目前地质雷达探测技术只能定位地下目标体的位置，不能准确测量地下目标体体积的问题。
本发明的技术方案是：一种地下目标体的体积测量装置，包括电磁波透地设备,回波信号预处理器与电磁波透地设备相连接，埋深定位器与回波信号预处理器相连，管道尺寸测量器与埋深定位器相连接，成像处理器分别与回波信号预处理器、埋深定位器及管道尺寸测量器相连，显控仪器与成像处理器相连接。
所述的电磁波透地设备包括电磁波透地主机、天线发射器和天线接收器，电磁波透地主机与天线发射器及天线接收器相连，天线发射器和天线接收器之间距离固定。
一种地下目标体的体积测量装置，测量方法包括以下步骤：
步骤1：电磁波透地设备发射和接收天线探测地下目标体；
步骤2：对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理；
步骤3：利用电磁回波信号计算地下目标体埋深、天线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数，确定碰撞截面值；
步骤4：计算目标体的等效半径及目标体的体积。
步骤2所述的对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理，包括以下步骤：
步骤2.1对回波信号进行滤波降噪；
步骤2.2计算关心区曲线的顶点坐标；
步骤2.3双曲线波速的加权计算。
步骤3所述的利用电磁回波信号计算地下目标体埋深、天线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数，确定碰撞截面值，碰撞截面值计算式如下：
其中，L为天线移动距离；d为地下目标体埋深；b为环境参数；i、j、k、l为经验系数。
步骤4所述的计算目标体的等效半径及目标体的体积，目标体积的等效半径计算式为：目标体的体积计算式为：式中，v为目标体的体积；r为圆柱空腔半径；l为圆柱体空腔长；λm为电磁波波长；Pr为圆柱体形状参数。
本发明的有益效果：
本发明的一种地下目标体的体积测量装置及测量方法，电磁波透地设备经步骤1采用剖面反射方法可以确定目标在测线所在的剖面的位置，回波信号预处理器经步骤2、步骤3可以确定碰撞截面的面积，通过对碰撞截面值的计算，经过步骤4的计算，就能得到地下目标体的体积信息；本发明解决了目前探测技术只能定位地下目标体的位置，不能准确测量地下目标体体积的问题，同时，本发明能实现无损非接触式测量，对地下环境介质及地下目标体无破坏；也能在不同频率的天线下，探测不同深度目标体的体积。
附图说明：
图1为本发明装置结构框图；
图2为电磁波透地设备结构框图；
图3为本发明的测量方法流程图；
图4为本发明的实验模型示意图；
图中标识：1、电磁波透地设备，2、回波信号预处理器，3、埋深定位器，4、管道尺寸测量器，5、成像处理器，6、显控仪器，7、电磁波透地主机，8、天线发射器，9、天线接收器。
具体实施方式：
一种地下目标体的体积测量装置，包括电磁波透地设备1,回波信号预处理器2与电磁波透地设备1相连接，埋深定位器3与回波信号预处理器2相连，管道尺寸测量器4与埋深定位器相3连接，成像处理器5分别与回波信号预处理器2、埋深定位器3及管道尺寸测量器4相连，显控仪器6与成像处理器5相连接。
所述的电磁波透地设备1包括电磁波透地主机7、天线发射器8和天线接收器9，电磁波透地主机7与天线发射器8及天线接收器9相连，天线发射器8和天线接收器9之间距离固定：地质雷达发射和接收天线探测地下目标体时，天线发射装置和接收装置以固定间距沿测线移动，可以获得水平方向连续剖面信息，电磁回波信号根据接收天线接收的信号生成B-SCAN图，图像横坐标记录接收天线在水平方向的位移，纵坐标记录回波反射时间，根据回波反射时间与被测介质中电磁波的传播速度垂直分量估算出目标埋设深度或者界面位置，因此结合横坐标信息可以大致确定目标在测线所在的剖面的位置。
一种地下目标体的体积测量方法，包括以下步骤：
步骤1：电磁波透地设备1发射和接收天线探测地下目标体；利用电磁波在媒质中电磁特性不连续处产生的反射和散射实现对地下目标体的探测，确定地下目标体的位置。
步骤2：对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理；对地质雷达接收到的
电磁波信号进行筛选和识别，按照不同的特征提取出用于计算标体埋深、天
线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数的因子；
步骤3：利用电磁回波信号计算地下目标体埋深、天线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数，确定碰撞截面值；
地质雷达碰撞截面是度量地下目标体对照射电磁波散射能力的一种物理量，碰撞截面值计算式如下：
其中，L为天线移动距离；d为地下目标体埋深；b为环境参数，与环境因素及系统参数有关；i、j、k、l为经验系数，通过数据相关关系分析可获得。
步骤4：计算目标体的等效半径及目标体的体积；根据雷达碰撞截面与目标体的特征尺寸关系，可用圆柱体空腔光学区碰撞截面公式进行计算：得到目标等效半径r；求解等效尺寸半径r后，进一步地根据公式 计算得到目标体的体积V；式中r为圆柱空腔半径，l为圆柱体空腔长，λm为电磁波波长，Pr为圆柱体形状参数。
步骤2所述的对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理，包括以下步骤：
步骤2.1对回波信号进行滤波降噪；
步骤2.2计算关心区曲线的顶点坐标；
步骤2.3双曲线波速的加权计算。

Claims (6)

1.一种地下目标体的体积测量装置，包括电磁波透地设备(1),其特征在于：回波信号预处理器(2)与电磁波透地设备(1)相连接，埋深定位器(3)与回波信号预处理器(2)相连，管道尺寸测量器(4)与埋深定位器相(3)连接，成像处理器(5)分别与回波信号预处理器(2)、埋深定位器(3)及管道尺寸测量器(4)相连，显控仪器(6)与成像处理器(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种地下目标体的体积测量装置，其特征在于：所述的电磁波透地设备(1)包括电磁波透地主机(7)、天线发射器(8)和天线接收器(9)，电磁波透地主机(7)与天线发射器(8)及天线接收器(9)相连，天线发射器(8)和天线接收器(9)之间距离固定。
3.根据权利要求1所述的一种地下目标体的体积测量装置，其特征在于：测量方法包括以下步骤：
步骤1：电磁波透地设备(1)发射和接收天线探测地下目标体；
步骤2：对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理；
步骤3：利用电磁回波信号计算地下目标体埋深、天线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数，确定碰撞截面值；
步骤4：计算目标体的等效半径及目标体的体积。
4.根据权利要求3所述的一种地下目标体的体积测量装置，其特征在于：步骤2所述的对电磁波回波信号进行识别与特征提取处理，包括以下步骤：
步骤2.1对回波信号进行滤波降噪；
步骤2.2计算关心区曲线的顶点坐标；
步骤2.3双曲线波速的加权计算。
5.根据权利要求3所述的一种地下目标体的体积测量装置，其特征在于：步骤3所述的利用电磁回波信号计算地下目标体埋深、天线中心频率、天线移动距离、地质雷达系统参数，确定碰撞截面值，碰撞截面值计算式如下：
<mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>=</mo> <mi>b</mi> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>L</mi> <mi>j</mi> </msup> <msup> <mi>d</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mi>k</mi> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>i</mi> </mrow> </msubsup> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <mi>l</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，L为天线移动距离；d为地下目标体埋深；b为环境参数；i、j、k、l为经验系数。
6.根据权利要求3所述的一种地下目标体的体积测量装置，其特征在于：步骤4所述的计算目标体的等效半径及目标体的体积，目标体积的等效半径计算式为：目标体的体积计算式为：式中，v为目标体的体积；r为圆柱空腔半径；l为圆柱体空腔长；λm为电磁波波长；Pr为圆柱体形状参数。
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