CN111608644B - 一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，扫描头位于保护壳体的底部，导向盖设置在扫描头底部，保护壳体由定位台板分隔为电路模块腔和扫描动力腔，扫描头的下部周向均匀布设有N个声波探头，本发明还公开了一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，本发明利用了多个声波探头，实现了阵列式声波探头钻孔扫描的合理布置，采用扫描动力腔实现了钻孔的全方位声波扫描探测，形成了阵列式声波扫的高精度钻孔成像体系，解决了因仪器探头不居中而导致的声波钻孔成像结果失真和低精度的探测难题，实现了探测数据丰富，探测适应能力强，并在钻孔成像的探测精度问题上具有突破性和实质性进展，并具有显著的科学意义和经济实用价值。

Description

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法及装置

技术领域

本发明涉及岩土结构探测装置领域，具体涉及一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，还涉及一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，适用于对各类工程领域中地质钻孔内的岩体结构进行详尽勘察和探测，获取钻孔岩体结构的图像特征信息和钻孔岩体的构造特征信息，能够实现不同深度、不同尺寸以及不同液体介质环境的钻孔探测。

背景技术

岩体是由裂隙、节理、层理、断层等不连续结构面组成的复杂地质结构体。长期以来，对这些不连续结构面的研究构成了工程地质研究的基础，它不仅在描述或揭示地质特征的形成或构造方面，而且更重要地在于研究岩体的工程地质都有着重要意义。目前，在钻孔的岩体结构勘察方面，钻孔电视一直是最佳的探测工具，能够直观的呈现钻孔岩壁的岩体结构特征，对工程地质研究提供重要数据。针对实际的钻孔工程探测环境，由于钻井液的影响，或者泥浆护壁等因素，致使钻孔内部通常为肮脏或浑浊的介质，从而采用声学成像原理的钻孔电视更适合。

在声学钻孔电视的实际探测过程中，由于深部钻孔难以完全垂直，或者电缆下放存在位置偏移，均会造成钻孔声学探头难以居中的现象。在声学扫描成像过程中，声学设备实时记录各方位的是探头发射声学信号到接收钻孔岩壁反射回波信号的声时和声幅参数，若声学探头偏离钻孔中心，声学设备所记录的声时和声幅参数均不能反映实际的钻孔岩体结构特征，形成的钻孔图像也会存在误差，甚至形成错误的钻孔图像。为此，有部分声学钻孔电视为了提高钻孔声学成像精度，在仪器的中间部位或者首尾部分增设了探头对中器或者探头扶正器，通过对设备的改进，能够在一定程度上改进钻孔成像质量，但是，通过增设探头对中器或者探头扶正器，声学探头的长度会明显增加，增加了探头卡孔的探测风险，同时，也相应的增加了探测成本，此外，通过仪器增设探头对中器或者探头扶正器，也难以确保声学探头完全居中，微小的偏差，将会对成像质量有较大影响。

鉴于现有声学钻孔成像探测技术存在的问题，本发明提出了一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法及装置，从根本上解决了因仪器探头不居中而导致钻孔声学图像出现失真或者低精度的探测难题，该装置通过在同一断面布设多个声波探头，并根据不同探头获取的数据综合分析和反算出仪器探头与真实钻孔之间的实时位置关系，同步结合首次回波的声时参数与声幅参数，有效提高了声波扫描的钻孔成像精度，由于本文算法能够有效实时计算出声波扫描位置的传播介质声速，能够对不同钻孔的深度以及不同钻孔环境介质进行实时校正，即适应能力更强，此外，由于本装置不需要探头对中器或者探头扶正器，能够有效缩短孔内探头的长度，降低探测过程中卡孔的风险。阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置的优点在于：1)探测精度高。探测装置能够根据不同探头获取的数据综合分析和反算出仪器探头与真实钻孔之间的实时位置关系，同步结合首次回波的声时参数与声幅参数，有效提高了声波扫描的钻孔成像精度；2)探测数据丰富。探测装置在同一断面布设了多个声波探头，同一次扫描可以获得多个方位的声学参数，获取的数据通过有效筛查，能够降低局部数据对整体数据的干扰，其内含信息更加丰富；3)探测适应能力强。通过综合分析不同阵列探头获取的数据，根据几何对应关系，能够有效实时计算出钻孔内流体介质的传播声速，不会因钻孔内流体介质的差异以及钻孔深度的差异，而影响到钻孔成像的结果及精度；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因仪器探头不居中而导致的声波钻孔成像结果失真和低精度的探测问题，提出一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，还提供一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，实现对不同钻孔的深度以及不同钻孔环境介质进行实时校正，有效提高声波扫描的钻孔成像精度。该装置构思新颖、设计巧妙、尺寸合理、实施容易，是声学钻孔成像技术的新一代装置，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：

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，包括孔内探头，孔内探头包括导向盖、扫描头、扫描动力腔、电路模块腔和保护壳体，

扫描头位于保护壳体的底部，导向盖设置在扫描头底部，保护壳体由定位台板分隔为电路模块腔和扫描动力腔，

扫描头的下部周向均匀布设有N个声波探头，N个声波探头布设在同一水平面上，N的数量大于等于3，

扫描动力腔底部设置有导向台板，导向台板和扫描动力腔底部边沿构成圆形的导向槽，导向台板中心开设有导向孔，导向孔的内壁设置有旋转密封圈，保护壳体、导向槽、导向孔的中心轴线共线，扫描头顶部设置在导向槽内，扫描头的顶面设置有端面轴承，导向杆底端与扫描头的顶面中心连接，导向杆的顶部穿过导向孔且设置有限位台，限位台与导向台板顶面之间设置有推力轴承，导向杆内设置有导线孔，N个声波探头的导线和电子罗盘的导线从导线孔中引出。

如上所述的电路模块腔内安装有声学模块、控制模块、信号调制模块和电路稳压模块，控制模块分别与声学模块和信号调制模块连接。

如上所述的扫描动力腔的顶部安装有动力电机，动力电机为空心轴步进电机，动力电机的空心轴下端与动力连接轴的顶端连接，动力连接轴的底端与导向杆顶端连接。

如上所述的动力电机的空心轴上端与电滑环的滑动导线部固定，电滑环的滑动导线部通过导线分别与电子罗盘、动力电机、以及N个声波探头电性连接，

电滑环的固定导线部与定位台板的穿线孔1531固定，电滑环的固定导线部通过导线分别与声学模块、控制模块和电路稳压模块电性连接。

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，包括以下步骤：

步骤1、通过扫描头对钻孔的各个深度进行扫描，扫描头的周向均匀布设有N个位于同一水平面的声波探头，在同一深度，扫描头旋转不同角度测量；建立H*P行，4列的矩阵D_n，H为深度的总个数，P为每个断面的采样次数，

矩阵D_n的第k行数据为[h_q,n,i,a_q,n,i,t_q,n,i,v_q,n,i]，k＝(q-1)×P+i；

q为当前钻孔断面的序号，q∈{1～H}；n为声波探头的序号，n∈{1～N}；i为同一断面的采样次数的序号，i∈{1～P}；

h_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样对应的深度；

a_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的方位角；

t_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的首波声时；

v_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的声幅；

步骤2、进行钻孔轮廓重构，具体包括以下步骤：

步骤2.1、对同一测量深度的同一次采样的各个探测头获得声时数据进行比较，获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据，以及最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的声波探头的方位，

步骤2.2、根据传播声速speed_qi，获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头中心原点的距离，进而获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头中心原点的坐标，此时的扫描头中心原点位于当前测量深度的扫描头剖面中心，

步骤2.3、根据最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头中心原点的坐标，获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，进而获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的直径，由于钻孔断面圆的直径为D，进而求取当前测量深度的当次采样对应的传播声速speed_qi，

步骤2.4、获得当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，将当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的圆心坐标求平均，获得当前测量深度的钻孔断面的圆心坐标；

步骤2.5、依次获得的各个测量深度的各次采样对应的传播声速speed_qi构成矩阵SPEED，矩阵SPEED为H行×P列的矩阵。

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，还包括重组步骤，具体为：

定义N个与声波探头对应的矩阵A_n，n∈{1～N}，矩阵A_n为H行×P列，

A_n(q,i)＝(ln(P_m/D_n(k,4)))/(D_n(k,3)*SPEED(k,1))；

k＝(q-1)×P+i；

其中，A_n(q,i)为矩阵A_n的第q行第i列；D_n(k,4)为矩阵D_n的第k行第4列；D_n(k,3)为矩阵D_n的第k行第3列。

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，还包括重建步骤，具体为：

定义N个与声波探头对应的矩阵B_n，n∈{1～N}，矩阵B_n为H行×P列，

B_n(q,i)＝A_n(q,u)；

若i+(n-1)*int(P/N)<＝P，u＝i+(n-1)*int(P/N)；

若i+(n-1)*int(P/N)>P，u＝i+(n-1)*int(P/N)-P；

其中，B_n(q,i)为矩阵B_n的第q行第i列；A_n(q,u)为矩阵A_n的第q行第u列；int()为取整运算符；u∈{1～P}；

建立钻孔图像矩阵G，

λ_n为各个声波探头获取数据的权重值，

对钻孔图像矩阵G的每行进行归一化处理获得钻孔图像矩阵G1，钻孔图像矩阵G1*256获得钻孔图像矩阵G2，重建结束。

本发明利用了多个声波探头，实现了阵列式声波探头钻孔扫描的合理布置，采用扫描动力腔实现了钻孔的全方位声波扫描探测，形成了阵列式声波扫的高精度钻孔成像体系，解决了因仪器探头不居中而导致的声波钻孔成像结果失真和低精度的探测难题，实现了探测数据丰富，探测适应能力强，并在钻孔成像的探测精度问题上具有突破性和实质性进展，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、本发明能够根据不同声波探头获取的数据综合分析和反算出声波探头与真实钻孔之间的实时位置关系，同步结合首次回波的声时参数与声幅参数，有效提高了声波扫描的钻孔成像精度；

2、本发明在同一断面布设了多个声波探头，同一次扫描可以获得多个方位的声学参数，获取的数据通过有效筛查，能够降低局部数据对整体数据的干扰，其内含信息更加丰富；

3、通过综合分析不同声波探头获取的数据，根据几何对应关系，能够有效实时计算出钻孔内流体介质的传播声速，不会因钻孔内流体介质的差异以及钻孔深度的差异，而影响到钻孔成像的结果及精度；

4、本发明不需要对中器或者扶正器，简化了孔内探头的结构部件，实现了机械结构的简便化；

5、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；

6、本发明的构思严密、设计巧妙、尺寸合理；

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了多个声波探头，实现了阵列式声波探头钻孔扫描的合理布置，采用扫描动力腔实现了钻孔的全方位声波扫描探测，形成了阵列式声波扫的高精度钻孔成像体系，解决了因仪器探头不居中而导致的声波钻孔成像结果失真和低精度的探测难题，实现了探测数据丰富，探测适应能力强，并在钻孔成像的探测精度问题上具有突破性和实质性进展，提高了探测的可靠性和应用范围。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为孔内探头结构示意图；

图3为钻孔轮廓重构示意图；

图中：1-孔内探头；2-传输电缆；3-深度编码器；4-集成控制箱；5-工业计算机；11-导向盖；12-扫描头；13-扫描动力腔；14-电路模块腔；15-保护壳体；111-电子罗盘；121-声波探头；122-端面轴承；123-限位台；124-导线孔；125-导向杆；131-推力轴承；132-动力连接轴；133-动力电机；134-电滑环；135-导向台板；136-导向孔；141-声学模块；142-控制模块；143-信号调制模块；144-电路稳压模块；151-导向槽；152-旋转密封圈；153-定位台板；154-电缆连接头；1531-穿线孔。

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：

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，主要包括孔内探头1、传输电缆2、深度编码器3、集成控制箱4和工业计算机5五部分；

如图1所示，孔内探头1主要负责在钻孔内采集数据，孔内探头1放置在钻孔内部工作，传输电缆2主要复杂将孔内探头1的数据上传至地面，深度编码器3主要用于实时采集孔内探头1所在的钻孔深度，深度编码器3通常放置于钻孔孔，传输电缆2在地面部分与集成控制箱4相接，集成控制箱4用于数据的解调和电源供电，工业计算机5主要复杂数据的控制、采集与存储，工业计算机5与集成控制箱4相连接，集成控制箱4和工业计算机5放置于钻孔附近的地面；

如图2所示，上述孔内探头1，孔内探头1整体呈圆柱状，孔内探头1包括导向盖11、扫描头12、扫描动力腔13、电路模块腔14、保护壳体15；扫描头12位于保护壳体15的底部，导向盖11设置在扫描头12底部，扫描动力腔13位于保护壳体15的中部，电路模块腔14位于保护壳体15的上部。

导向盖11，主要实现孔内探头1的下端保护和导向作用，导向盖11呈半球状，内部布设有电子罗盘111，导向盖11为无磁材料，如尼龙材料或者不锈钢材料。

扫描头12主要实现各阵列声波信号的发射与接收，扫描头12呈变径圆柱状，扫描头12的下部周向均匀布设有N个声波探头121，N个声波探头121布设在同一水平面上，N的数量大于等于3，相邻两个声波探头121与扫描头12中心轴线的连线之间的夹角为2Π/N，保护壳体15由定位台板153分隔为电路模块腔14和扫描动力腔13，扫描动力腔13底部设置有导向台板135，导向台板135和扫描动力腔13底部边沿构成圆形的导向槽151，导向台板135中心开设有导向孔136，导向孔136的内壁设置有旋转密封圈152，保护壳体15、导向槽151、导向孔136的中心轴线共线，扫描头12顶部设置在导向槽151内，扫描头12的顶面设置有端面轴承122，导向杆125底端与扫描头12的顶面中心连接，导向杆125的顶部穿过导向孔136且设置有限位台123，限位台123与导向台板135顶面之间设置有推力轴承131，导向杆125内设置有导线孔124，N个声波探头121的导线和电子罗盘111的导线从导线孔124中引出，导向杆125、扫描头12、导向盖11、无缝连接或者精密封连接，形成一个除导线孔124之外的整体密封，可以防御10MPa以上的液体外界压力。

扫描动力腔13，扫描动力腔13主要实现声波信号扫描的动力，扫描动力腔13呈圆柱状腔体，扫描动力腔13的顶部安装有动力电机133，动力电机133为空心轴步进电机，动力电机133的空心轴下端与动力连接轴132的顶端连接，动力连接轴132呈圆筒状，动力连接轴132与动力电机133的空心轴保持周向和径向固定，确保动力连接轴132与动力电机133的空心轴的转动同步，动力连接轴132的底端与导向杆125顶端连接，优选的动力连接轴132的底端插入导向杆125顶端的导线孔124内部，并通过固定键或者螺母固定，确保动力连接轴132与扫描头12保持同步转动，动力连接轴132的外径与导线孔124的内径保持一致，动力电机133的空心轴上端与电滑环134的滑动导线部固定，电滑环134的滑动导线部通过导线分别与电子罗盘111、动力电机133、以及N个声波探头121电性连接。

电路模块腔14内部主要封装了各类电路模块，电路模块腔14呈圆柱状腔体，电路模块腔14内部分别安装有：声学模块141、控制模块142、信号调制模块143、电路稳压模块144，声学模块141与N个声波探头相连接，电滑环134的固定导线部与定位台板153的穿线孔1531固定，电滑环134的固定导线部通过导线分别与声学模块141、控制模块142和电路稳压模块144电性连接，信号调制模块143和声学模块141均与控制模块142电性连接，控制模块142对声学模块141进行控制以及数据获取，声学模块141通过电滑环134对N个声波探头121的发射信号与接收信号的控制、采集、滤波和放大等一系列的声学处理，控制模块142通过电滑环134对动力电机133和电子罗盘111的控制以及数据获取，信号调制模块143对控制模块142获得主要实现对孔内探头1内部数据的编码以及对集成控制箱4发送数据的解码，信号调制模块143将孔内探头1的数字信号转化成光纤信号，光纤信号通过传输电缆2传输给集成控制箱4，集成控制箱4实现对光纤信号的数据解码，集成控制箱4将解码后的数字信号传递给工业计算机5，工业计算机5实现对数据的实时采集、处理、呈现以及存储，电路稳压模块144对声学模块141、控制模块142和信号调制模块143供电及稳压，电路稳压模块144通过电滑环134对电子罗盘111、动力电机133、以及N个声波探头121进行供电及稳压。

保护壳体15主要实现对上部电路模块的外在保护，如，防水和防碰撞等，保护壳体15呈圆柱状筒体，导向槽151的槽顶与端面轴承122的上端面相接触，确保在动力电机133的驱动下，扫描头12能够与保护壳体15之间发生相对周向旋转，导向槽151的内径略大于扫描头12的最大外径，保护壳体15的最大外径与扫描头12的最大外径之差的二分之一为声波探头121的探测盲区，(声波探头121的探测盲区即声波探头121所能反馈的最小探测距离)，这样设计可以确保，当保护壳体15贴紧钻孔壁时，声波探头121依然能够获得有效探测数据，避免无声学探测数据的情况，导向孔136的内壁布设有旋转密封圈152，旋转密封圈152为旋转动密封，旋转密封圈152起到动密封的作用，能够确保扫描头12在与保护壳体15之间发生相对转动时，钻孔内部的液体介质不进入扫描头12与保护壳体15内部，保护壳体15的中部布设有定位台板153，定位台板153的下方固定动力电机133，定位台板153上的穿线孔1531与电滑环134的固定导线部连接，确保电滑环134的固定导线部不随滑动导线部的旋转而转动，保护壳体15的顶部布设有电缆连接头154，电缆连接头154与传输电缆2的孔内部分接头相连，电缆连接头154与传输电缆2的孔内部分接头之间可以正常拆卸，当电缆连接头154与传输电缆2的孔内部分接头相连时，能够实现孔内探头1在钻孔内液体环境下的完全密封。

传输电缆2由尼龙绳、电线、光纤几部分封装而成，能够承受孔内探头1与千米传输电缆2的自重，传输电缆2在钻孔内液体环境下的完全密封，传输电缆2在与电缆连接头154连接时，传输电缆2的电源线部分与电路稳压模块144的相应导线相连，传输电缆2的光纤与信号调制模块143相连。

电子罗盘111，电子罗盘111主要用于实时获取扫描头的地理方位，电子罗盘111的地理北极指向与标记为1的声波探头121发射面垂直向外的方向一致，由于N个声波探头121的安装角度固定，在获取标记为1的声波探头121地理方位的情况下，即可以计算出所有声波探头121的地理指向方位。

一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，利用上述阵列式声波扫描的高精度钻孔成像装置，

首先，将整套装置组装完成，传输电缆2搁置在深度编码器3的滑轮上，孔内探头1沿钻孔下放到需要钻孔成像的设定深度处，给集成控制箱4和工业计算机5进行通电，通过工业计算机5进行孔内探头1的参数设定，如扫描速度、采样点数、存储格式、显示方式等，工业计算机5建立与声波探头121数量N一致的N个矩阵，每个矩阵包含H*P行，4列的数据，其中，H为钻孔需要扫描的深度转化成的断面扫描个数，P为每个断面的采样次数，对于断面的一次扫描，N个声波探头121均采样一次，然后动力电机133驱动扫描头12旋转设定角度，进行下一次断面扫描，H*P即为单个声波探头121在探测过程中的扫描总采样次数；将编号为1的声波探头121采集的数据称为第1个矩阵，第1个矩阵所对应的数据矩阵标记为D₁，将编号为2的声波探头121采集的数据称为第2个矩阵，第2个矩阵所对应的数据矩阵标记为D₂，将编号为n的声波探头121采集的数据称为第n个矩阵，第n个矩阵所对应的数据矩阵标记为D_n，其中，n不大于N；参数设定完成后，工业计算机5将设定完成的参数传递给集成控制箱4，集成控制箱4将参数设定转换成光纤信号，光纤信号与供电电压通过传输电缆2传递到孔内探头1内部，光纤信号直接进入信号调制模块143，信号调制模块143将光纤信号解码并传递给控制模块142，控制模块142获取工业计算机5的指令信息，控制模块142实现对动力电机133、声学模块141、电子罗盘111的控制和数据读取，供电电压进入电路稳压模块144，电路稳压模块144为孔内探头1内部的所有电子元器件提高供电，当声学模块141收到数据采集指令后；

步骤1：声学模块141驱动N个声波探头121发射声波信号，N个声波探头121发出的高斯脉冲信号的最大电压均为P_m，发射声波信号在遇到钻孔岩壁后发生信号反射，反射信号被对应发射信号的声波探头121所接收，接收信号包括钻孔岩壁反射回来信号的首波声时t和声幅v，定义第n个声波探头121接收到的首波声时t即为t_n，定义第n个声波探头121接收到的首波声幅v即为v_n，此时，声学模块141将获取的N个首波声时t和声幅v传递给控制模块142，控制模块142同时采集电子罗盘111的方位信息a，控制模块142将采集的信号传输给信号调制模块143，信号调制模块143再将信号沿传输电缆2传递给集成控制箱4，集成控制箱4同步获取深度编码器3的当前深度信号h，集成控制箱4再将获取的信号同步传入工业计算机5，工业计算机5将获得深度信号h、方位信息a、N个首波声时t和N个声幅v，此时，第n个矩阵对应的数据标记为D_n，D_n内部的第k行数据为[h_q,n,i,a_q,n,i,t_q,n,i,v_q,n,i]，k＝(q-1)×P+i；

其中，q为当前钻孔断面的序号，q∈{1～H}；n为声波探头121的序号，n∈{1～N}；i为同一断面的采样次数的序号，i∈{1～P}，P为每个断面的采样次数；

h_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样对应的深度；

a_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的方位角；

t_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的首波声时；

v_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的声幅；

进入步骤2，

步骤2：控制模块142驱动扫描头12顺时针旋转设定角度，设置i＝i+1，若i<＝P，重复步骤1；若i>P，则进行步骤3；

步骤3：在手动或者电动绞车的辅助下，传输电缆2下放Δh，设置i＝1,重复步骤1，直至完成钻孔所有深度的探测，工业计算机5实时保存所有数据，关闭集成控制箱4电源，通过传输电缆2将孔内探头1上提，直至孔内探头1完全回收，结束整个探测过程；

部件材料及加工要求：

保护壳体15的材料为不锈钢或者钛合金材料；

如图3所示，如上所述的钻孔轮廓重构，主要实现孔内探头1和钻孔断面圆的位置定位；以孔内探头1的中心位置作为坐标轴圆点O，建立平面坐标系，地理北部指向作为x轴正方向，地理西部指向作为y轴正方向，探测钻孔的直径为D，声波探头121的发射表面中心到所在圆环中心点的距离为r，编号为n的声波探头121采集的数据对应的矩阵为D_n，矩阵D_n的第一列表示深度，第二列表示角度，第三列表示声时，第四列表示声幅，矩阵D_n的第一行表示第一个扫描点，第二行表示第二个扫描点，后面依次陈列，建立H*P行，4列的矩阵SPEED，具体实现包括如下几个步骤：

步骤4、进行钻孔轮廓重构；

步骤4.1、对同一测量深度的同一次采样的各个探测头获得声时数据进行比较，获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据，以及最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的声波探头121的方位，

步骤4.2、根据传播声速speed_qi，其中q为当前钻孔断面的序号，i为同一断面的采样次数的序号，进而获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头12中心原点的距离，进而获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头12中心原点的坐标，此时的扫描头中心原点位于当前测量深度的扫描头12剖面中心，

步骤4.3、根据最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头12中心原点的坐标，获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，进而获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的直径，由于钻孔断面圆的直径为D，进而求取当前测量深度的当次采样对应的传播声速speed_qi，

步骤4.4、获得当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，将当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的圆心坐标求平均，获得当前测量深度的钻孔断面的圆心坐标；

步骤4.5、依次获得的各个测量深度的各次采样对应的传播声速speed_qi构成矩阵SPEED，矩阵SPEED为H行×P列的矩阵，

对N个声波探头121同步采集的声时数据进行大小比较，即D₁～D_N的第k行的第3列的声时数据D₁(k,3)～D_N(k,3)进行大小比较，其中，1≤k≤H*P，

D₁(k,3)～D_N(k,3)中的最小声时数据记为t_e,i，对应的声波探头序号记为e_i，

D₁(k,3)～D_N(k,3)中的最大声时数据记为t_f,i，对应的声波探头序号记为f_i，

s_i为(e_i+f_i)/2的值取整数，s_i为中间声时数据对应的声波探头序号，中间声时数据记为t_s,i，

记声波探头序号e_i所对应钻孔断面上的扫描点为E_i，记声波探头序号f_i所对应钻孔断面上的扫描点为F_i，记声波探头序号s_i所对应钻孔断面上的扫描点为S_i，假设在第q个钻孔断面的第i次采样的液体的传播声速为speed_qi，孔内探头1的中心位置为坐标轴圆点O，那么OE_i的距离为(r+(t_e,i*speed_qi)/2)，OF_i的距离为(r+(t_f,i*speed_qi)/2)，OS_i的距离为(r+(t_s,i*speed_qi)/2)，E_i点的坐标为((r+(t_e,i*speed_qi)/2)*cos(a_e,i)，(r+(t_e,i*speed_qi)/2)*sin(a_e,i))，F_i点的坐标为((r+(t_f,i*speed_qi)/2)*cos(a_f,i)，(r+(t_f,i*speed_qi)/2)*sin(a_f,i))，S_i点的坐标为((r+(t_s,i*speed_qi)/2)*cos(a_s,i)，(r+(t_s,i*speed_qi)/2)*sin(a_s,i))，其中a_e,i为第e_i个声波探头的方位角度，a_f,i为第f_i个声波探头的方位角度，a_s,i为第s_i个声波探头的方位角度，r为声波探头121的发射表面中心到所在圆环中心点的距离，

根据标准圆的方程，可以通过E_i、F_i、S_i这三点坐标求解出钻孔断面圆的圆形方程，并求解出当前钻孔断面的第i次采样的钻孔断面圆的圆心坐标，由于同一个深度的钻孔断面对应的扫描总数为P，为了尽可能的降低干绕因素，提高钻孔断面圆的圆心坐标的准确度，求解出当前钻孔断面的P次采样的钻孔断面圆的圆形方程，进而获得当前钻孔断面的P次采样的钻孔断面圆的圆心坐标的平均值作为平均圆心坐标，求取平均圆心坐标与扫描头中心原点的偏差，记为

由于钻孔断面圆的圆形方程的直径D已知，可以反算求解出传播声速speed_qi的值，同时，在平面坐标系下，能够实现钻孔断面圆的轮廓重构，根据speed_qi构成矩阵speed；第一个钻孔断面(最上层的钻孔断面)对应的第一次采样至第P次采样的传播声速speed₁₁～peed_1P构成矩阵speed的第一行数据至第P行数据，即speed(1,1)～speed(P,1)，依次类推，构成矩阵speed；

步骤5、重组步骤，包括如下个步骤：

步骤5.1、根据声学传播衰减特征，声波的回波幅值与传播距离呈对数关系，即传播距离越远，声波的回波幅值越小；传播距离越近，声波的回波幅值越大；为此，定义N个与声波探头对应的矩阵A_n，n∈{1～N}，矩阵A_n为H行×P列，

步骤5.2、A_n(q,i)＝(ln(P_m/D_n(k,4)))/(D_n(k,3)*SPEED(k,1))；

k＝(q-1)×P+i；

其中，A_n(q,i)为矩阵A_n的第q行第i列；D_n(k,4)为矩阵D_n的第k行第4列(首波声时)；D_n(k,3)为矩阵D_n的第k行第3列(声幅)。

步骤6、进行钻孔图像重建；包括如下个步骤：

步骤6.1、由于N个声波探头的指向存在差异，为了确保N个声波探头获取数据的指向对应性，需要根据N个声波探头之间的角度对应关系进行数据调整；为此，定义N个与声波探头对应的矩阵B_n，n∈{1～N}，矩阵B_n为H行×P列，步骤6.2、B_n(q,i)＝A_n(q,u)；

若i+(n-1)*int(P/N)<＝P，u＝i+(n-1)*int(P/N)；

若i+(n-1)*int(P/N)>P，u＝i+(n-1)*int(P/N)-P；

其中，B_n(q,i)为矩阵B_n的第q行第i列；A_n(q,u)为矩阵A_n的第q行第u列；int()为取整处理；int(P/N)为两相邻声波探头之间间隔的声波扫描次数；u∈{1～P}；

步骤6.3、矩阵B_n的数据完全刷新，并保存；建立钻孔图像矩阵G，钻孔图像矩阵G的初始值为零，钻孔图像矩阵G的行数为H行，P列，

(其中，

)

λ_n为各个声波探头121获取数据的权重值，λ_n为非负数，λ_n的最大值为1，λ_n的最小值为0，λ_n的取值根据实际情况而定，对于声波探头121对应获取的数据异常时，λ_n取0，通常情况下，λ_n的值为1/N；I＝1,定义G(I,:)为钻孔图像矩阵G的第I行的所有值，Max||为取最大值，Min||为取最小值，

步骤6.4、若I<＝H

进入步骤6.5；

否则

钻孔图像G2重建结束，进入步骤6.6；

步骤6.5、MAX＝Max|G(I,:)|；

MIN＝Min|G(I,:)|；

G(I,:)在[MIN,MAX]范围之间进行归一化处理成[0,1],获得G1(I,:)；

G2(I,:)＝256*G1(I,:)；

I＝I+1；进入步骤6.5；

步骤6.6、钻孔图像G2重建结束，钻孔图像G2的各行数据表示各钻孔断面的成像数据，钻孔图像G2每两列之间的尺寸值为ΠD/P，钻孔图像G2的各列数据表示钻孔各方位的成像数据，钻孔图像G2每两行之间的深度值为Δh，钻孔图像G2的周向分辨率为ΠD/P，垂下分辨率为Δh；钻孔图像G2为灰度图像，钻孔图像G2的颜色越亮，说明对应的钻孔岩壁反射信号较强，对应的岩石越完整；钻孔图像G2的颜色越暗，说明对应的钻孔岩壁反射信号较弱，对应的岩石越破碎；钻孔图像G2为探测钻孔360度展开的图像，通过图像卷曲映射处理即可形成立体的钻孔柱状图；

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 (1)

1.一种阵列式声波扫描的高精度钻孔成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过扫描头（12）对钻孔的各个深度进行扫描，扫描头（12）的周向均匀布设有N个位于同一水平面的声波探头（121），在同一深度，扫描头（12）旋转不同角度测量；建立H*P行，4列的矩阵D_n，H为深度的总个数，P为每个断面的采样次数，

矩阵D_n的第k行数据为[h_q,n,i, a _q,n,i, t _q,n,i, v_q,n,i]，k=（q-1）×P+i；

q为当前钻孔断面的序号，q∈{1～H}；n为声波探头（121）的序号，n∈{1～N}；i为同一断面的采样次数的序号，i∈{1～P}；

h_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样对应的深度；

a_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的方位角；

t _q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的首波声时；

v_q,n,i为第q个钻孔断面的第n个声波探头的第i次采样的声幅；

步骤2、进行钻孔轮廓重构，具体包括以下步骤：

步骤2.1、对同一测量深度的同一次采样的各个探测头获得声时数据进行比较，获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据，以及最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的声波探头（121）的方位，

步骤2.2、根据传播声速speed_qi，获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头（12）中心原点的距离，进而获得最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头（12）中心原点的坐标，此时的扫描头中心原点位于当前测量深度的扫描头（12）剖面中心，

步骤2.3、根据最大声时数据、最小声时数据和中间声时数据对应的钻孔孔壁扫描点相对于扫描头（12）中心原点的坐标，获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，进而获得当前测量深度的当次采样对应的钻孔断面圆的直径，由于钻孔断面圆的直径为D，进而求取当前测量深度的当次采样对应的传播声速speed_qi，

步骤2.4、获得当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的关于传播声速speed_qi的圆形方程，将当前测量深度的各次采样对应的钻孔断面圆的圆心坐标求平均，获得当前测量深度的钻孔断面的圆心坐标；

步骤2.5、依次获得的各个测量深度的各次采样对应的传播声速speed_qi构成矩阵SPEED，矩阵SPEED为H行×P列的矩阵，

步骤3、重组步骤，具体包括以下步骤：

步骤3.1、定义N个与声波探头对应的矩阵A_n，n∈{1～N}，矩阵A_n为H行×P列，

步骤3.2、A_n(q,i)=(ln(P_m/D_n(k,4)))/(D_n(k,3)*SPEED(k,1))；

k=（q-1）×P+i；

其中，A_n(q,i)为矩阵A_n的第q行第i列；D_n(k,4)为矩阵D_n的第k行第4列；D_n(k,3)为矩阵D_n的第k行第3列，N个声波探头（121）发出的高斯脉冲信号的最大电压均为P_m，

步骤4、进行钻孔图像重建，具体包括以下步骤：

步骤4.1、定义N个与声波探头对应的矩阵B_n，n∈{1～N}，矩阵B_n为H行×P列，

步骤4.2、B_n(q,i)₌A_n(q, u)；

若i+(n-1)*int(P/N)<=P， u=i+(n-1)*int(P/N)；

若i+(n-1)*int(P/N)>P，u=i+(n-1)*int(P/N)-P；

其中，B_n(q,i)为矩阵B_n的第q行第i列；A_n(q,u)为矩阵A_n的第q行第u列；int( )为取整运算符；u∈{1～P}；

步骤4.3、建立钻孔图像矩阵G，

为各个声波探头（121）获取数据的权重值，

步骤4.4、对钻孔图像矩阵G的每行进行归一化处理获得钻孔图像矩阵G1，钻孔图像矩阵G1*256获得钻孔图像矩阵G2，重建结束。

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