CN111474542B - 利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，包括：使地质雷达天线装置绕Z轴旋转，从而不断调节地质雷达天线装置的天线脉冲倾角；每种天线脉冲倾角下，使天线脉冲旋转，从而得到一个数据记录文件；对数据记录文件进行分析，得到某个锥形端面直径对应的锥形表面的多个探测点三维空间坐标值，以及每个探测点三维空间坐标值对应的电场强度，实现三维探测。优点为：具有地质结构三维探测效率高的优点；另外，只需要在现场布置地质雷达天线装置即可实现三维探测，操作简单，不会影响隧道施工进度。

Description

利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法

技术领域

本发明属于供电配置优化技术领域，具体涉及一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法。

背景技术

随着我国经济的持续发展、综合国力的不断提升，我国隧道及地下工程取得到了迅速发展。我国已成为世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。

然而，随着地质条件、施工环境、结构形式的复杂多变，隧道工程建设安全风险越来越高。隧道建设过程经常会遇到断层、破碎带、软弱地层、岩溶等不良地质情况，如不能准确高效对隧道进行超前地质预报，不仅影响隧道施工进度，同时可能引起隧道坍塌、突泥涌水等安全事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，采取高效准确的隧道超前地质预报方法，对加快隧道施工进度及降低隧道建设安全风险具有巨大的作用。

隧道超前地质预报方法的基础和前提是，需要准确快速的探测到掌子面前方能够反映隧道质量和缺陷情况的地质三维成像图。然而，现有探测方式现场操作较为繁琐，一方面，易影响隧道施工进度，另一方面，探测效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立直角坐标系，沿隧道开挖方向为Y方向，竖直向上为Z方向，水平向右为X方向；

步骤2，以隧道开挖方向为向前方向，将可旋转的地质雷达天线装置放置在隧道掌子面后方，地质雷达天线装置的中心点A的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)；

步骤3，设置地质雷达天线装置的初始控制参数，包括：扫描速率；其中，扫描速率的单位为道/秒，或道/米；

步骤4，使地质雷达天线装置绕Z轴旋转，从而不断调节地质雷达天线装置的天线脉冲倾角，使天线脉冲倾角从0度到90度依次变化，即：天线脉冲倾角依次为γ₁,γ₂,...,γ_n-1,γ_n；其中，天线脉冲倾角为天线发出的电磁脉冲与Y轴正方向的夹角；

其中：

γ₁代表初始状态时，天线脉冲倾角为0度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为水平状态，与Y轴平行，并朝向隧道掌子面；

γ_n代表终止状态，天线脉冲倾角为90度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为垂直向上状态，与Z轴平行；

γ₂到γ_n-1代表天线脉冲从初始状态到终止状态变化过程中，经过的n-2个过渡状态的倾角，天线脉冲倾角在0度到90度之间，各天线脉冲倾角从小到大排列，此时，天线发出的电磁脉冲射线为倾斜向上状态；

当天线脉冲调节到任意的天线脉冲倾角γ_i时，其中，i＝1,2,...,n，均执行以下检测数据记录步骤：

天线发射电磁脉冲，同时，天线脉冲按照步骤3设置的扫描速率，绕Y轴旋转一周，并同时记录检测数据，由此得到第i个数据记录文件；其中，第i个数据记录文件由m道数据记录组成，并且，按扫描先后顺序，将所述m道数据记录分别记为：第i₁道数据记录、第i₂道数据记录,…,第i_m道数据记录；其中，每道数据记录通过以下方式形成：天线按照当前倾角发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的单程走时t和电场强度E，由此形成横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

步骤5，因此，每种天线脉冲倾角下，均得到对应的一个数据记录文件，由于共有n个天线脉冲倾角，因此，共得到n个数据记录文件；

对n个数据记录文件进行分析，得到三维空间每个探测点的三维空间坐标值以及对应的电场信息，方法如下：

步骤5.1，对于天线脉冲倾角γ_i时采集到的第i_j道数据记录，其中，j＝1,2,...,m，为横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

在所述数据记录曲线中，按采样规则设共选取u个探测点，按单程走时由小而大的顺序，将u个采样点依次记为：P₁、P₂…P_u；

步骤5.2，对于任意的采样点P_w，w＝1,2,…,u，设其三维空间坐标值为(x_w,y_w,z_w)，通过查找所述数据记录曲线，得到对应的电场强度E为E_w；

地质雷达天线发射的电磁脉冲的行程为：地质雷达天线装置的中心点为A，其发射的电磁脉冲首先在空气中传播，然后穿过围岩表面的B点后再进入到隧道围岩内传播，当传播到F点后形成反射波，并最终被检测记录；

采样点P_w为B点到F点传播路径上的某个点，通过下面方法计算得到采样点P_w的三维空间坐标值：

1)根据下式计算电磁波在空气中的传播时间t₀：

t₀＝L₀/c

其中：

c为电磁波在空气中的传播速度；

L₀为：电磁脉冲在空气中传播的单程距离，即：A点到B点的直线距离；

2)根据下式计算电磁波在隧道围岩中的传播速度ν_介：

其中：

ε_r为围岩相对介电常数；

3)通过下式计算雷达设备采集到的探测点深度D，即：探测点深度D为A点到采样点P_w的距离：

D＝L₀+(t_w-t₀)ν_介

其中：t_w为通过分析数据记录曲线，得到的电磁脉冲从A点到采样点P_w的单程走时；

4)通过下式，计算得到采样点P_w的三维空间坐标值(x_w,y_w,z_w)：

x_w＝x₀+Dcosαcosβ

y_w＝y₀+Dsinα

z_w＝z₀-Dcosαsinβ

其中：

α为天线脉冲倾角的余角，即：90度减去天线当前脉冲倾角γ_i的值；

β：天线脉冲旋转角，即：在天线脉冲绕Y轴正方向顺时针旋转一周360度时，其三维轨迹为锥形结构；设锥形端面的中心点为S点，假设天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S1点时，S1点与S点的连线如果与Z轴正方向平行，则此时天线脉冲旋转角为0度，当天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S2点时，S2点与S点的连线，与S1点与S点的连线的夹角即为当前天线脉冲旋转角β；

步骤6，因此，对于每个天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，均分析得到与某个锥形端面直径对应的锥形表面的多个探测点三维空间坐标值，以及每个探测点三维空间坐标值对应的电场强度；

对于多种天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，形成锥顶点位置相同、自内向外嵌套的多个锥形表面的探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，根据三维空间中各个探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，形成表征地质结构的三维地质结构成像图；根据所述三维地质结构成像图，对隧道地质结构进行超前地质预报。

本发明提供的利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法具有以下优点：

本发明提供的利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，通过不断调节天线发出的电磁脉冲的倾角，并在每个天线电磁脉冲倾角状态下旋转天线电磁脉冲，从而实现对三维空间全面的探测，具有地质结构三维探测效率高的优点；另外，只需要在现场布置地质雷达天线装置即可实现三维探测，操作简单，不会影响隧道施工进度。

附图说明

图1为本发明提供的利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法的流程示意图；

图2为本发明提供的直角坐标系建立方式示意图；

图3为本发明提供的天线脉冲绕Y轴旋转原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中隧道超前地质预报方法存在的不足和问题，特别是操作繁琐，探测数据少，探测范围小，成果精度低，影响现场施工等影响，本发明提供一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，该方法具有使用方便，探测过程便捷、高效、探测数据量大，探测范围广，探测成果高，不会影响现场施工等优点，具有很强的适用性。

参考图1，本发明提供一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立直角坐标系，参考图2，沿隧道开挖方向为Y方向，竖直向上为Z方向，水平向右为X方向；

步骤2，以隧道开挖方向为向前方向，将可旋转的地质雷达天线装置放置在隧道掌子面后方，地质雷达天线装置的中心点A的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)；在图2中，1代表隧道内可旋转的地质雷达天线装置；2为地质雷达天线装置发出的电磁脉冲探测射线；3为隧道开挖掌子面。

步骤3，设置地质雷达天线装置的初始控制参数，包括：扫描速率；其中，扫描速率的单位为道/秒，或道/米；

步骤4，使地质雷达天线装置绕Z轴旋转，从而不断调节地质雷达天线装置的天线脉冲倾角，使天线脉冲倾角从0度到90度依次变化，即：天线脉冲倾角依次为γ₁,γ₂,...,γ_n-1,γ_n；其中，天线脉冲倾角为天线发出的电磁脉冲与Y轴正方向的夹角；作为一种实际应用方式，天线脉冲倾角可从0度开始，每隔5度变化一次，即：0度、5度、10度,…,90度。

其中：

γ₁代表初始状态时，天线脉冲倾角为0度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为水平状态，与Y轴平行，并朝向隧道掌子面；

γ_n代表终止状态，天线脉冲倾角为90度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为垂直向上状态，与Z轴平行；

γ₂到γ_n-1代表天线脉冲从初始状态到终止状态变化过程中，经过的n-2个过渡状态的倾角，天线脉冲倾角在0度到90度之间，各天线脉冲倾角从小到大排列，此时，天线发出的电磁脉冲射线为倾斜向上状态；

当天线脉冲调节到任意的天线脉冲倾角γ_i时，其中，i＝1,2,...,n，均执行以下检测数据记录步骤：

参考图3，天线发射电磁脉冲，同时，天线脉冲按照步骤3设置的扫描速率，绕Y轴旋转一周，并同时记录检测数据，由此得到第i个数据记录文件；其中，第i个数据记录文件由m道数据记录组成，并且，按扫描先后顺序，将所述m道数据记录分别记为：第i₁道数据记录、第i₂道数据记录,…,第i_m道数据记录；其中，每道数据记录通过以下方式形成：天线按照当前倾角发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的单程走时t和电场强度E，由此形成横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

步骤5，因此，每种天线脉冲倾角下，均得到对应的一个数据记录文件，由于共有n个天线脉冲倾角，因此，共得到n个数据记录文件；

对n个数据记录文件进行分析，得到三维空间每个探测点的三维空间坐标值以及对应的电场信息，方法如下：

步骤5.1，对于天线脉冲倾角γ_i时采集到的第i_j道数据记录，其中，j＝1,2,...,m，为横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

在所述数据记录曲线中，按采样规则设共选取u个探测点，按单程走时由小而大的顺序，将u个采样点依次记为：P₁、P₂…P_u；

步骤5.2，对于任意的采样点P_w，w＝1,2,…,u，设其三维空间坐标值为(x_w,y_w,z_w)，通过查找所述数据记录曲线，得到对应的电场强度E为E_w；

参考图3，地质雷达天线发射的电磁脉冲的行程为：地质雷达天线装置的中心点为A，其发射的电磁脉冲首先在空气中传播，然后穿过围岩表面的B点后再进入到隧道围岩内传播，当传播到F点后形成反射波，并最终被检测记录；

采样点P_w为B点到F点传播路径上的某个点，通过下面方法计算得到采样点P_w的三维空间坐标值：

1)根据下式计算电磁波在空气中的传播时间t₀：

t₀＝L₀/c

其中：

c为电磁波在空气中的传播速度；

L₀为：电磁脉冲在空气中传播的单程距离，即：A点到B点的直线距离；

2)根据下式计算电磁波在隧道围岩中的传播速度ν_介：

其中：

ε_r为围岩相对介电常数；

3)通过下式计算雷达设备采集到的探测点深度D，即：探测点深度D为A点到采样点P_w的距离：

D＝L₀+(t_w-t₀)ν_介

其中：t_w为通过分析数据记录曲线，得到的电磁脉冲从A点到采样点P_w的单程走时；

4)通过下式，计算得到采样点P_w的三维空间坐标值(x_w,y_w,z_w)：

x_w＝x₀+Dcosαcosβ

y_w＝y₀+Dsinα

z_w＝z₀-Dcosαsinβ

其中：

α为天线脉冲倾角的余角，即：90度减去天线当前脉冲倾角γ_i的值；

β：天线脉冲旋转角，即：在天线脉冲绕Y轴正方向顺时针旋转一周360度时，其三维轨迹为锥形结构；设锥形端面的中心点为S点，假设天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S1点时，S1点与S点的连线如果与Z轴正方向平行，则此时天线脉冲旋转角为0度，当天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S2点时，S2点与S点的连线，与S1点与S点的连线的夹角即为当前天线脉冲旋转角β；S2点即为图3中的F点。

步骤6，因此，对于每个天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，均分析得到与某个锥形端面直径对应的锥形表面的多个探测点三维空间坐标值，以及每个探测点三维空间坐标值对应的电场强度；

对于多种天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，形成锥顶点位置相同、自内向外嵌套的多个锥形表面的探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，根据三维空间中各个探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，形成表征地质结构的三维地质结构成像图；根据所述三维地质结构成像图，对隧道地质结构进行超前地质预报。

本发明提供的利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法具有以下优点：

本发明提供的利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，通过不断调节天线发出的电磁脉冲的倾角，并在每个天线电磁脉冲倾角状态下旋转天线电磁脉冲，从而实现对三维空间全面的探测，具有地质结构三维探测效率高的优点；另外，只需要在现场布置地质雷达天线装置即可实现三维探测，操作简单，不会影响隧道施工进度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用地质雷达空间扫描实现三维探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立直角坐标系，沿隧道开挖方向为Y方向，竖直向上为Z方向，水平向右为X方向；

步骤2，以隧道开挖方向为向前方向，将可旋转的地质雷达天线装置放置在隧道掌子面后方，地质雷达天线装置的中心点A的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)；

步骤3，设置地质雷达天线装置的初始控制参数，包括：扫描速率；其中，扫描速率的单位为道/秒，或道/米；

步骤4，使地质雷达天线装置绕Z轴旋转，从而不断调节地质雷达天线装置的天线脉冲倾角，使天线脉冲倾角从0度到90度依次变化，即：天线脉冲倾角依次为γ₁,γ₂,...,γ_n-1,γ_n；其中，天线脉冲倾角为天线发出的电磁脉冲与Y轴正方向的夹角；

其中：

γ₁代表初始状态时，天线脉冲倾角为0度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为水平状态，与Y轴平行，并朝向隧道掌子面；

γ_n代表终止状态，天线脉冲倾角为90度，此时，天线发出的电磁脉冲射线为垂直向上状态，与Z轴平行；

γ₂到γ_n-1代表天线脉冲从初始状态到终止状态变化过程中，经过的n-2个过渡状态的倾角，天线脉冲倾角在0度到90度之间，各天线脉冲倾角从小到大排列，此时，天线发出的电磁脉冲射线为倾斜向上状态；

当天线脉冲调节到任意的天线脉冲倾角γ_i时，其中，i＝1,2,...,n，均执行以下检测数据记录步骤：

天线发射电磁脉冲，同时，天线脉冲按照步骤3设置的扫描速率，绕Y轴旋转一周，并同时记录检测数据，由此得到第i个数据记录文件；其中，第i个数据记录文件由m道数据记录组成，并且，按扫描先后顺序，将所述m道数据记录分别记为：第i₁道数据记录、第i₂道数据记录,…,第i_m道数据记录；其中，每道数据记录通过以下方式形成：天线按照当前倾角发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的单程走时t和电场强度E，由此形成横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

步骤5，因此，每种天线脉冲倾角下，均得到对应的一个数据记录文件，由于共有n个天线脉冲倾角，因此，共得到n个数据记录文件；

对n个数据记录文件进行分析，得到三维空间每个探测点的三维空间坐标值以及对应的电场信息，方法如下：

步骤5.1，对于天线脉冲倾角γ_i时采集到的第i_j道数据记录，其中，j＝1,2,...,m，为横坐标为单程走时t、纵坐标为电场强度E的数据记录曲线；

在所述数据记录曲线中，按采样规则设共选取u个探测点，按单程走时由小而大的顺序，将u个采样点依次记为：P₁、P₂…P_u；

步骤5.2，对于任意的采样点P_w，w＝1,2,…,u，设其三维空间坐标值为(x_w,y_w,z_w)，通过查找所述数据记录曲线，得到对应的电场强度E为E_w；

地质雷达天线发射的电磁脉冲的行程为：地质雷达天线装置的中心点为A，其发射的电磁脉冲首先在空气中传播，然后穿过围岩表面的B点后再进入到隧道围岩内传播，当传播到F点后形成反射波，并最终被检测记录；

采样点P_w为B点到F点传播路径上的某个点，通过下面方法计算得到采样点P_w的三维空间坐标值：

1)根据下式计算电磁波在空气中的传播时间t₀：

t₀＝L₀/c

其中：

c为电磁波在空气中的传播速度；

L₀为：电磁脉冲在空气中传播的单程距离，即：A点到B点的直线距离；

2)根据下式计算电磁波在隧道围岩中的传播速度ν_介：

其中：

ε_r为围岩相对介电常数；

3)通过下式计算雷达设备采集到的探测点深度D，即：探测点深度D为A点到采样点P_w的距离：

D＝L₀+(t_w-t₀)ν_介

其中：t_w为通过分析数据记录曲线，得到的电磁脉冲从A点到采样点P_w的单程走时；

4)通过下式，计算得到采样点P_w的三维空间坐标值(x_w,y_w,z_w)：

x_w＝x₀+D cosαcosβ

y_w＝y₀+D sinα

z_w＝z₀-D cosαsinβ

其中：

α为天线脉冲倾角的余角，即：90度减去天线当前脉冲倾角γ_i的值；

β：天线脉冲旋转角，即：在天线脉冲绕Y轴正方向顺时针旋转一周360度时，其三维轨迹为锥形结构；设锥形端面的中心点为S点，假设天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S1点时，S1点与S点的连线如果与Z轴正方向平行，则此时天线脉冲旋转角为0度，当天线脉冲旋转到在锥形端面的交点为S2点时，S2点与S点的连线，与S1点与S点的连线的夹角即为当前天线脉冲旋转角β；

步骤6，因此，对于每个天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，均分析得到与某个锥形端面直径对应的锥形表面的多个探测点三维空间坐标值，以及每个探测点三维空间坐标值对应的电场强度；

对于多种天线脉冲倾角状态下的数据记录文件，形成锥顶点位置相同、自内向外嵌套的多个锥形表面的探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，根据三维空间中各个探测点三维空间坐标值以及对应的电场强度，形成表征地质结构的三维地质结构成像图；根据所述三维地质结构成像图，对隧道地质结构进行超前地质预报。

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