CN107797160A - 弹性波和电磁波ct勘测数据联合分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统及方法，包括：采用弹性波CT勘测以及电磁波CT勘测，分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。本发明能够用于勘测地下溶洞、裂隙带和断层破碎带等不良地质体，该系统及方法根据弹性波、电磁波在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过对采集到的弹性波、电磁波进行联合分析，查明不良地质体的空间分布，精准可靠。
Description
技术领域
本发明涉及的是岩土工程勘测，特别是复杂地下不良地质的空间分布勘测，属于岩土工程领域，具体是基于弹性波、电磁波CT理论的地下不良地质勘测数据采集系统及联合分析方法。
背景技术
在工程建设中经常会遇到诸如溶洞、裂隙带和断层破碎带等不良地质体，如果不能提前探明地下是否存在不良地质体及其含水情况，将会埋下严重的安全隐患，极有可能造成人员伤亡、工期延误和重大经济损失。弹性波CT法和电磁波CT法对地下不良地质的勘测都有广泛的应用。
电磁波CT法是利用无线电波在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强大小来确定低下不同介质分布的一种勘测方法。当电磁波通过不同的低下介质(如各种不同的岩石、矿体及采空区、溶洞、破碎带等)传播时，由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，如地质界线、溶洞、破碎带的吸收系数比起围岩的吸收系数要大得多，因此在地质界线、溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，利用这一差异可以推断目标地质体的结构和形状。但是如果介质间的弹性参数或者电磁参数差别较小，则无法进行有效精准的检测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统及方法。
根据本发明提供的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，包括步骤：
弹性波CT勘测步骤：在一钻孔内设置震源激发出弹性波信号，在另一钻孔内设置检波器接收弹性波信号，分别勘测检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据；
电磁波CT勘测步骤：在一钻孔内设置电磁波发射天线发出电磁波信号，在另一钻孔内设置电磁波接收天线接收电磁波信号，分别勘测电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据；
数据处理步骤：分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；
联合分析步骤：根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
优选的，所述弹性波CT勘测步骤还包括将所述检波器与所述震源对换并重复执行一次所述弹性波CT勘测步骤，所述电磁波CT勘测步骤还包括将所述电磁波发射天线与所述电磁波接收天线对换并重复执行一次所述电磁波CT勘测步骤。
优选的，所述数据处理步骤具体包括：
对应按照检波器以及电磁波发射天线坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，然后对各弹性波数据、电磁波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据。
优选的，所述联合分析步骤包括：把弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据转化为平均值为1的无量纲相对常数，并按照每个无量纲相对常数所在单元的横坐标及纵坐标，绘制地质空间分布图。
优选的，所述钻孔内充满水。
根据本发明提供的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，包括：
弹性波CT勘测模块：在一钻孔内设置震源激发出弹性波信号，在另一钻孔内设置检波器接收弹性波信号，分别勘测检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据；
电磁波CT勘测模块：在一钻孔内设置电磁波发射天线发出电磁波信号，在另一钻孔内设置电磁波接收天线接收电磁波信号，分别勘测电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据；
数据处理模块：分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；
联合分析模块：根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
优选的，所述震源包括电火花激发器。
优选的，所述钻孔内充满水，所述检波器为水声检波器，且所述水声检波器与钻孔中的水充分耦合。
优选的，所述弹性波CT勘测模块与所述电磁波CT勘测模块还包括测量仪器，分别将所述检波器接收的弹性波信号转换为所述弹性波数据，将所述电磁波接收天线接收的电磁波信号转换为所述电磁波数据。
优选的，所述测量仪器包括数字地震仪。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明是根据现场试验成果，并考虑实施难易程度和工程成本，研制开发基于弹性波、电磁波CT理论的勘测数据联合分析方法对地下不良地质的空间分布进行勘测，研究成果为地下不良地质勘测工程提供一种成本低、快捷、方便、精准的勘测系统及方法，解决现有技术的不足。使岩土工程结构勘测更加科学、快速、经济、规范，提高我国岩土工程结构勘测水平；形成一套高精度、有效的、能辐射到公路路基、铁路轨道结构、隧道、水库大坝、大型护坡、原子能设施等大型岩土工程结构勘测方法。本发明对建立岩土工程结构勘测标准，确保安全、有效降低风险、提高应对突发事件的能力、促进我国岩土工程安全管理水平均具有十分重要的意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统的示意图；
图2为本发明联合分析步骤的示意图；
图3-图5为根据本发明实施例得到的地质空间分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，包括：弹性波CT勘测模块、电磁波CT勘测模块、数据处理模块以及联合分析模块。
勘测条件：两勘测钻孔(A钻孔与B钻孔)的孔距合适，且孔内充满水。
弹性波CT勘测模块包括：激发出弹性波信号的震源，以及接收弹性波信号的检波器；首先在A钻孔的孔底依次向上设置震源激发出弹性波信号，在B钻孔的孔底设置检波器接收弹性波信号，用测量仪器记录一组检波器接收到的弹性波信号并转化成弹性波数据，向上提起检波器，记录下一组弹性波信号，直至到孔口位置。如此，便记录下了检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据。对换震源以及检波器所在孔，重复上述步骤，完成两钻孔之间剖面的弹性波扫描。
震源包括电火花激发器，检波器采用固有频率100Hz的速度型水声检波器，检测时需保持检波器和钻孔中水充分耦合，测量仪器可以是任何数字地震仪，24位模/数转换器和5kHz以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可。
电磁波CT勘测模块包括：发出电磁波信号的电磁波发射天线，以及接收电磁波信号的电磁波接收天线；与弹性波CT勘测模块同理，首先在A钻孔的孔底依次向上设置电磁波发射天线，在B钻孔的孔底设置电磁波接收天线接收电磁波信号，用测量仪器记录一组电磁波接收天线接收到的电磁波信号并转化成电磁波数据，向上提起电磁波接收天线，记录下一组电磁波信号，直至到孔口位置。如此，便记录下了电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据
电磁波发射天线可采用MALA雷达仪，测量仪器可以是任何数字地震仪，24位模/数转换器和5kHz以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可。
在两钻孔间的勘测范围内，分步进行扇形弹性波、电磁波的射线扫描，对换钻孔后，如此重复，直至覆盖全部勘测剖面。
数据处理模块对应按照检波器以及电磁波发射天线坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，然后对各弹性波数据、电磁波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据。
联合分析模块根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
具体的，首先通过扇形测试获取大量的弹性波、电磁波的首波走时数据(ti),然后通过求解大型矩阵方程来获取两孔之间弹性波、电磁波的速度剖面数据。设在成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精度把剖面分为M个单元(网格),以射线理论为基础的成像方法归结为求解如下矩阵方程:
式中：lij是第i条射线在第j个单元内的路径长度；Sj＝1/Vj是第j个单元的慢度值；ti是第i条射线的走时值。
通过求解矩阵方程获取了探测区域内每个网格的弹性波波速数据A和电磁波波速数据B，对于不同的介质，弹性波波速数据A和电磁波波速数据B在联合分析中的可靠度和贡献不同，结合误差、地质勘察资料和地质经验，赋予相应的权系数，进行联合分析，获取探测区域内多维复合数据，如图2所示。
基于模糊数学理论及空间分析技术，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。具体的，把弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据转化为平均值为1的无量纲相对常数，并按照每个无量纲相对常数所在单元的横坐标及纵坐标，绘制地质空间分布图。根据弹性波波速数据A，获取弹性波波速构造分布(图3)，根据电磁波波速数据B，获取电磁波波速构造分布(图4)，基于弹性波和电磁波CT数据联合分析方法获取多维复合波速构造分布(图5)。相比较而言，使用数据联合分析方法求解的精度和分辨率比任何一种单一CT方法都高。
本发明同时提供的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，包括步骤：
弹性波CT勘测步骤：在一钻孔内设置震源激发出弹性波信号，在另一钻孔内设置检波器接收弹性波信号，分别勘测检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据；
电磁波CT勘测步骤：在一钻孔内设置电磁波发射天线发出电磁波信号，在另一钻孔内设置电磁波接收天线接收电磁波信号，分别勘测电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据；
数据处理步骤：分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；
联合分析步骤：根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
弹性波CT勘测步骤还包括将检波器与震源对换并重复执行一次弹性波CT勘测步骤，电磁波CT勘测步骤还包括将电磁波发射天线与电磁波接收天线对换并重复执行一次电磁波CT勘测步骤。
数据处理步骤具体包括：
对应按照检波器以及电磁波发射天线坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，然后对各弹性波数据、电磁波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据。
联合分析步骤包括：把弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据转化为平均值为1的无量纲相对常数，并按照每个无量纲相对常数所在单元的横坐标及纵坐标，绘制地质空间分布图。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明/发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，其特征在于，包括步骤：
弹性波CT勘测步骤：在一钻孔内设置震源激发出弹性波信号，在另一钻孔内设置检波器接收弹性波信号，分别勘测检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据；
电磁波CT勘测步骤：在一钻孔内设置电磁波发射天线发出电磁波信号，在另一钻孔内设置电磁波接收天线接收电磁波信号，分别勘测电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据；
数据处理步骤：分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；
联合分析步骤：根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
2.根据权利要求1所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，其特征在于，所述弹性波CT勘测步骤还包括将所述检波器与所述震源对换并重复执行一次所述弹性波CT勘测步骤，所述电磁波CT勘测步骤还包括将所述电磁波发射天线与所述电磁波接收天线对换并重复执行一次所述电磁波CT勘测步骤。
3.根据权利要求1所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，其特征在于，所述数据处理步骤具体包括：
对应按照检波器以及电磁波发射天线坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，然后对各弹性波数据、电磁波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据。
4.根据权利要求3所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，其特征在于，所述联合分析步骤包括：把弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据转化为平均值为1的无量纲相对常数，并按照每个无量纲相对常数所在单元的横坐标及纵坐标，绘制地质空间分布图。
5.根据权利要求1所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析方法，其特征在于，所述钻孔内充满水。
6.一种弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，其特征在于，包括：
弹性波CT勘测模块：在一钻孔内设置震源激发出弹性波信号，在另一钻孔内设置检波器接收弹性波信号，分别勘测检波器以及震源在不同深度下的弹性波数据；
电磁波CT勘测模块：在一钻孔内设置电磁波发射天线发出电磁波信号，在另一钻孔内设置电磁波接收天线接收电磁波信号，分别勘测电磁波发射天线以及电磁波接收天线在不同深度下的电磁波数据；
数据处理模块：分别根据弹性波数据、电磁波数据进行数据处理，识别获取弹性波和电磁波的首波走时数据；
联合分析模块：根据所需精度将勘测的剖面分为若干单元，通过层析成像射线追踪方法获取弹性波速度剖面数据、电磁波速度剖面数据，整合弹性波速度剖面数据和电磁波速度速度剖面数据并绘制地质空间分布图。
7.根据权利要求6所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，其特征在于，所述震源包括电火花激发器。
8.根据权利要求6所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，其特征在于，所述钻孔内充满水，所述检波器为水声检波器，且所述水声检波器与钻孔中的水充分耦合。
9.根据权利要求6所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，其特征在于，所述弹性波CT勘测模块与所述电磁波CT勘测模块还包括测量仪器，分别将所述检波器接收的弹性波信号转换为所述弹性波数据，将所述电磁波接收天线接收的电磁波信号转换为所述电磁波数据。
10.根据权利要求9所述的弹性波和电磁波CT勘测数据联合分析系统，其特征在于，所述测量仪器包括数字地震仪。
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