CN112684516B - 隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备，方法包括：在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列；采集掌子面前方的地质振动信号；分析振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度；结合分析后的地质振动信号以及振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图；采用探地雷达，对掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；对地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据；构建谱能三维视图；结合振源三维视图和谱能三维视图，判断出掌子面前方存在的地质类型。能够改善现有地质探测方法超前预报结果存在目标识别精度较低的问题。
Description
技术领域
本申请涉及勘测技术领域，尤其涉及一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备。
背景技术
随着隧道长度的增加，隧道建设的风险也随之增加。为提高隧道建设的安全性，通常需要对隧道待挖掘部分的地质情况进行超前预报，根据超前预报的地质情况具有针对性的进行隧道挖掘和建设。目前，可视化综合物探技术作为热门的探测技术应用在隧道超前预报中。
然而，可视化综合物探技术结合现有的地质探测方法得到的超前预报结果存在目标识别精度较低的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备，能够改善可视化综合物探技术结合现有的地质探测方法得到的超前预报结果存在目标识别精度较低的问题。
第一方面，一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，包括：
在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使所述振动传感器阵列贴附在所述掌子面上；
利用所述振动传感器阵列，采集所述掌子面前方的地质振动信号；
分析所述振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度；
结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质；
采用探地雷达，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；
对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据；
根据所述地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图；
结合所述振源三维视图和所述谱能三维视图，判断出所述掌子面前方存在的地质类型。
在一种可行的实施方式中，所述在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使所述振动传感器阵列贴附在所述掌子面上的步骤，包括：
在所述隧道的所述掌子面上设置所述振动传感器阵列；
利用红外测距，测试所述振动传感器阵列中的每个所述振动传感器单元与所述掌子面的距离，以调整所述振动传感器单元，以使所述振动传感器单元贴附在所述掌子面上。
在一种可行的实施方式中，在所述利用所述振动传感器阵列，采集所述掌子面前方的地质振动信号的步骤之前，还包括：
建立地质类型与所述振源振动频率和所述振源振动强度的对照关系数据库，所述地质类型包括所述流体地质和所述松动地质；
所述结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质的步骤，包括：
结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度、所述振动传感器阵列的分布坐标与所述对照关系数据库，构建振源三维视图；
根据所述振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在所述流体地质或者所述松动地质。
在一种可行的实施方式中，所述采用探地雷达，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号的步骤，包括：
将所述探地雷达沿着设定移动路径在所述掌子面上进行移动，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到所述地质雷达探测信号。
在一种可行的实施方式中，在所述对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据的步骤之前，包括：
利用二维柯西有向小波理论，对所述地质雷达探测信号进行降噪。
在一种可行的实施方式中，所述利用二维柯西有向小波理论，对所述地质雷达探测信号进行降噪的步骤，包括：
当地平面为
平面时，按照下式表示在以
为常数的测试线上探测雷达剖面信号：
其中，
为所述地质雷达探测信号的有效信号，
为杂波信号；
对
进行二维有向小波变换，得到所述有效信号的近似信号
：
其中，
为所述杂波信号的近似信号。
在一种可行的实施方式中，在所述对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据的步骤之前，还包括：
对所述有效信号的近似信号
按照下式进行变换：
其中，
为所述探地雷达的采样间隔时间，
为所述探地雷达的采样间隔距离，
为原空间的坐标，
为参数空间的坐标，
为波速；
根据所述波速
，计算所述波速
对应介质所在位置与所述探地雷达的距离，以对所述介质进行定位。
第二方面，一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理装置，包括：
振动传感器阵列，用于采集掌子面前方的地质振动信号；
振动信号分析模块，用于分析所述振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度；
三维视图构建模块，用于结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质；
探地雷达，用于对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；
谱能计算模块，用于对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据；
所述三维视图构建模块，还用于根据所述地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图；
结论输出模块，用于结合所述振源三维视图和所述谱能三维视图，判断出所述掌子面前方存在的地质类型。
第三方面，一种电子设备，包括：储存器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述任一项所述隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的步骤。
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的步骤。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备，针对流体地质或者松动地质对于隧道挖掘具有较大的安全隐患影响，先采用振动传感器阵列对于隧道掌子面前方的流体地质或者松动地质进行预探测，再使用探地雷达对隧道掌子面前方的地质进行全面探测，利用三维可视化技术，将两次地质探测的数据生成对应的三维视图，进行可视化分析。分别采用两种不同的探测方式对掌子面前方地质类型进行探测，可以互相补充探测的不足，进而提高地质探测的精度，即提高地质类型的探测准确性以及提高地质隐患的定位准确性。结合振源三维视图和谱能三维视图，先判断出掌子面前方存在的地质类型，再根据地质类型预判可能存在的地质隐患，为后续的挖掘工作做准备，后续的挖掘工作可以依据超前预报得出的可能存在的地质隐患做具有针对性的挖掘方案，以提高挖掘效率和安全保障。另外，振动传感器单元贴附在掌子面上，即使得整个振动传感器阵列适应于掌子面的形状，调整个别振动传感器单元以适应掌子面的局部不平整，能够提高振动传感器单元的灵敏度以及对于振动信号的精准定位，消除其他干扰。利用谱能分析方式，能够克服探地雷达对于深层的微弱信号识别难度较大的问题，可以根据电磁波在不同介质内表达出的不同频率相应特征，确定电磁波信号在不同的介质中的谱能强度数据，最终便于预测出掌子面前方的地质类型，从而判定是否存在地质隐患。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的示意性流程图；
图2为本申请实施例提供的一种探地雷达的设定移动路径的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种二维柯西小波时空域函数的实部分布示意图；
图4为本申请实施例提供的一种二维柯西小波时空域函数的虚部分布示意图；
图5为本申请实施例提供的一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理装置的示意性结构框图；
图6为本申请实施例提供的一种电子设备的示意性结构框图；
图7为本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意性结构框图。
具体实施方式
为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“两个以上”包括两个或大于两个的情况。
随着隧道长度的增加，隧道建设的风险也随之增加。为提高隧道建设的安全性，通常需要对隧道待挖掘部分的地质情况进行超前预报，根据超前预报的地质情况具有针对性的进行隧道挖掘和建设。目前，可视化综合物探技术作为热门的探测技术应用在隧道超前预报中。然而，可视化综合物探技术结合现有的地质探测方法得到的超前预报结果存在目标识别精度较低的问题。
有鉴于此，本申请提供一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法及相关设备，第一方面，图1为本申请实施例提供的一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的示意性流程图。如图1所示，本申请实施例提供的一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，包括：
S100：在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使振动传感器阵列贴附在掌子面上。掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语，即开挖坑道（采煤、采矿或隧道工程中）不断向前推进的工作面。随着隧道长度的增加，隧道建设的风险也随之增加。为提高隧道建设的安全性，通常需要对隧道待挖掘部分的地质情况进行超前预报，根据超前预报的地质情况具有针对性的进行隧道挖掘和建设。振动传感器阵列包括多个呈阵列排布的振动传感器单元，各个振动传感器单元之间可以存在电连接，也可以互相断开，统一电连接在控制器上，本申请不作具体限定。振动传感器单元可以感测到掌子面前方地质介质层中存在的振动信号，通常地质介质层产生的振动信号较为微弱，可以看作是微振信号。为提高振动传感器单元的灵敏度以及对于振动信号的精准定位，消除其他干扰，需要使得振动传感器单元贴附在掌子面上，即使得整个振动传感器阵列适应于掌子面的形状，由于挖掘和地质特点，掌子面的形状通常不够平整，则需要调整个别振动传感器单元以适应掌子面的局部不平整。振动传感器阵列相对于单个的振动传感器单元具有面效应，面效应比单个振动传感器单元的点效应的探测范围更广，探测精度更高，更加利于地质层的准确定位。
S200：利用振动传感器阵列，采集掌子面前方的地质振动信号。每个振动传感器单元可以采集到多组信号，并记录每组信号的接收时间。如果掌子面前方的地质存在流体地质或者松动地质，这些特别的地质形态会产生微振信号，例如，如果掌子面前方的地质层中存在水流，则水流的流动会存在相应的振动，振动会产生振动信号；如果掌子面前方的地质层中存在流沙或松动的砂石，流沙或松动的砂石是处于移动状态或者微小位移，这种移动状态或者微小位移会产生相应的振动信号，并且不同的流体地质或者松动地质会产生不同的地质振动信号。
S300：分析振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度。地质振动信号包含有较多信息，振源即地质振动信号发出的源头，根据各自记录的振动信号的接收时间，能够计算得到各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差，不同的流体地质或者松动地质产生不同的地质振动信号可以体现在振源振动频率和振源振动强度的不同上。
S400：结合振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质。可以根据地面和掌子面建立坐标系，根据振动传感器阵列的分布坐标、各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差和振源距离对振源进行定位；根据振源振动频率和振源振动强度对振源对应的地质类型进行对应判断。振动传感器阵列主要用于检测掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质以及流体地质的流行等，其他地质类型也可以具体情况进行感测，本申请不作具体限定。振源三维视图上可以显示可能存在流体地质（例如，气流、流沙或水流等）或松动地质（例如，碎石等）的范围以及位置坐标。
S500：采用探地雷达，对掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号。探地雷达是一种典型的超宽带电磁脉冲系统，在近地表探测中，探地雷达具有兼顾探测深度和空间分辨率的优点。探地雷达能够探测掌子面前方40-50m范围内的地质情况，能够较为准确地对隧道围岩体的水隐患以及水隐患的分布情况予以预测，富含水部位正好与上覆岩层的接触面角度不整合相对应，能够发现此处富含水星与透水性较强。探地雷达与振动传感器阵列的结合使用，能够更为准确的预测掌子面前方的水隐患，更加利于后续的挖掘工作效率和安全。探地雷达可以包括雷达主机、雷达天线、传输线和显示器等，其中，雷达天线可以包括发射天线和接收天线。可以选用200Mhz雷达，发射天线和接收天线可以置于一个箱体内，50Mhz雷达的发射天线和接收天线时分开设置的。发射天线向掌子面前方的地质层中发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质（地质层）内部传播时遇到介电常数差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射电磁波能量也越大，反射电磁波被接收天线接收后，传输到雷达主机，记录下反射电磁波的运动特征（包括双程旅行时、波形及幅度等）。水隐患会对隧道的挖掘和建设产生较大的障碍，提前并准确的预报水隐患对于隧道的挖掘和建设具有重大意义，采用振动传感器阵列与探地雷达的双重探测，能够加强对于水隐患的探测准确性。
S600：对地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据。由于，探地雷达对于深层的微弱信号识别难度较大，为克服这一问题，可以采用谱能分析的方式分析地质雷达探测信号，可以根据电磁波在不同介质内表达出的不同频率相应特征，确定电磁波信号在不同的介质中的谱能强度数据。
S700：根据地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图。根据地质雷达探测谱能数据，经过三维构图软件处理，可以得到谱能三维视图，谱能三维视图上可以显示可能导致地质灾害的地质隐患，例如，碎石，水隐患等。谱能三维视图还能够示出可能的地质隐患的范围大小以及具体位置。
S800：结合振源三维视图和谱能三维视图，判断出掌子面前方存在的地质类型。可以将振源三维视图和谱能三维视图结合为一幅三维成像，求同存异，可以叠加预测结果，对于掌子面前方地质情况的超前预报更加精确。或者，可以将振源三维视图和谱能三维视图的坐标系统一，显示比例尺统一，两幅图分别观察，综合得到对于掌子面前方地质的超前预报。结合振源三维视图和谱能三维视图，先判断出掌子面前方存在的地质类型，再根据地质类型预判可能存在的地质隐患，为后续的挖掘工作做准备，后续的挖掘工作可以依据超前预报得出的可能存在的地质隐患做具有针对性的挖掘方案，以提高挖掘效率和安全保障。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，针对流体地质或者松动地质对于隧道挖掘具有较大的安全隐患影响，先采用振动传感器阵列对于隧道掌子面前方的流体地质或者松动地质进行预探测，再使用探地雷达对隧道掌子面前方的地质进行全面探测，利用三维可视化技术，将两次地质探测的数据生成对应的三维视图，进行可视化分析。分别采用两种不同的探测方式对掌子面前方地质类型进行探测，可以互相补充探测的不足，进而提高地质探测的精度，即提高地质类型的探测准确性以及提高地质隐患的定位准确性。结合振源三维视图和谱能三维视图，先判断出掌子面前方存在的地质类型，再根据地质类型预判可能存在的地质隐患，为后续的挖掘工作做准备，后续的挖掘工作可以依据超前预报得出的可能存在的地质隐患做具有针对性的挖掘方案，以提高挖掘效率和安全保障。另外，振动传感器单元贴附在掌子面上，即使得整个振动传感器阵列适应于掌子面的形状，调整个别振动传感器单元以适应掌子面的局部不平整，能够提高振动传感器单元的灵敏度以及对于振动信号的精准定位，消除其他干扰。利用谱能分析方式，能够克服探地雷达对于深层的微弱信号识别难度较大的问题，可以根据电磁波在不同介质内表达出的不同频率相应特征，确定电磁波信号在不同的介质中的谱能强度数据，最终便于预测出掌子面前方的地质类型，从而判定是否存在地质隐患。
在一种可行的实施方式中，步骤S100，可以包括：
在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列；
利用红外测距，测试振动传感器阵列中的每个振动传感器单元与掌子面的距离，以调整振动传感器单元，以使振动传感器单元贴附在掌子面上。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，振动传感器阵列中每个振动传感器单元的中心（或者中心附近）可以设置有红外测距器件，利用红外测距，测试振动传感器阵列中的每个振动传感器单元与掌子面的距离，根据测试的距离调整每个振动传感器单元与不平整的掌子面的距离，将每个振动传感器单元与不平整的掌子面的距离调整为趋于零，以使振动传感器单元贴附在掌子面上，能够消除掌子面不平整的干扰，可以进一步保证测试精度。
在一种可行的实施方式中，在步骤S200之前，还可以包括：
建立地质类型与振源振动频率和振源振动强度的对照关系数据库，地质类型可以包括流体地质和松动地质等，还可以包括其他地质类型，流体地质可以包括水流、泥浆、流沙、气流等等，松动地质可以包括碎石、流砂等，本申请不作具体限定。流动或者松动的地质层由于存在相对位移，所以会产生一定的振动波信号，不同的流体地质或者松动地质会发出不同的振动波信号，不同流速或者不同松动程度的地质也会发出不同的振动波信号，不同的振动波信号可以体现在振源振动频率和振源振动强度方面。因此，可以预先建立地质类型与振源振动频率和振源振动强度的对照关系数据库，以作为振动传感器阵列探测地质的依据。
步骤S400，可以包括：
结合振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度、振动传感器阵列的分布坐标与对照关系数据库，构建振源三维视图。
根据振源三维视图，判断出掌子面前方是否存在流体地质或者所述松动地质。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，通过预先建立地质类型与振源振动频率和振源振动强度的对照关系数据库，以作为振动传感器阵列探测地质的依据，进一步提高振动传感器阵列对于掌子面前方地质探测的精度。
在一种可行的实施方式中，探地雷达可以定点探测，定点的点位可以有多个，多个探测点位还可以呈阵列排布或者其他排布方式，本申请不做具体限定。
在一种可行的实施方式中，图2为本申请实施例提供的一种探地雷达的设定移动路径的示意图。如图2所示，步骤S500，可以包括：
将探地雷达沿着设定移动路径在掌子面F上进行移动，对掌子面F前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号。图2所示的设定移动路径为L1-L9，L1-L9的方向、顺序以及各个线条路径的线型和条数均可以根据实际情况进行设定，具体的可以根据掌子面F的高度和宽度进行设定，本申请不作具体限定。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，在保证探地雷达平稳移动的同时，令探地雷达按照设定移动路径进行移动可以增加探测点位，还可以通过探地雷达的移动，变换发射天线发射电磁波信号的位置，并接收不同位置发射出去的电磁波的反射电磁波，增大探测数据量，可以更进一步提高探测精度。
在一种可行的实施方式中，在步骤S600之前，可以包括：
利用二维柯西有向小波理论，对地质雷达探测信号进行降噪。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，利用二维柯西有向小波，可以实现对地质雷达探测信号的降噪。具体的，由于探地雷达接收的信号中存在较多天线直藕波和媒质表面直接反射波，它们属于强杂波信号，较大程度降低了探地雷达对深层弱反射目标的探测能力。浅层目标的反射波与直达波的到达时间比较接近，使得能量相对于较弱的目标信号被淹没在直达波中，不利于目标的检测与识别。根据小波分析理论，如果小波函数的有效支撑在傅里叶变换域展布在顶点为远点的一个凸锥上，则说明它具有方向选择性。大多数连续二维有向小波变化具有方向选择性，但二维柯西小波具有一些独特的有点，并且数据处理过程中参数选择比较灵活，适合于对杂波进行去除处理。图3为本申请实施例提供的一种二维柯西小波时空域函数的实部分布示意图；图4为本申请实施例提供的一种二维柯西小波时空域函数的虚部分布示意图。由图3和图4可以看出，二维柯西小波在频率域是紧支撑的，分布范围很小，因此具有较好的方向选择性，而且角分辨能力也较高。同时，运用二维柯西小波作为压制强杂波信号的奇函数进行杂波滤除，也可以大大减少数据的运算时间。
在一种可行的实施方式中，利用二维柯西有向小波理论，对地质雷达探测信号进行降噪的步骤，可以包括：
当地平面为
平面时，按照下式表示在以
为常数的测试线上探测雷达剖面信号：
其中，
为地质雷达探测信号的有效信号，
为杂波信号。
在以
为常数的测试线上探测雷达剖面信号在傅里叶域的表达式为：
其中，
分别表示
的二维傅里叶变换。在
域，直达波（杂波信号）
叠加在有效信号
上，两者无法分离。当测量表面较平缓时，在
域，
的能量主要集中在
附近。对于目标来说，其回波信号的时距曲线为典型的双曲线，它的能量在
域分布在很大的一个范围内。
如果对信号
作二维有向小波变换，因为
的能量主要集中在
附近，故选择
，根据具体情况，恰当选择参数，可以近似得到杂散波（杂波信号的近似信号）
，因此，
对
进行二维有向小波变换，得到有效信号的近似信号
：
其中，
为杂波信号的近似信号。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，具体利用二维柯西有向小波理论处理地质雷达探测信号，可以有效压制噪声，起到降噪的作用。
在一种可行的实施方式中，可以采用Hough变换，利用图像域与数据域的点到线的对偶性原理，即在图像空间中共线的点对应于参数空间里相交的线；相反，在参数空间中相交于同一点的所有曲线在图像空间中都有共线的点与之对应。基于上述理论，Hough变换将在图像空间需要解决的问题转换到参数空间，根据参数空间里聚焦点的特点来完成目标的检测任务。
对有效信号的近似信号
按照下式进行变换：
其中，
为探地雷达的采样间隔时间，
为探地雷达的采样间隔距离，
为原空间的坐标，
为参数空间的坐标，
为波速；
根据波速
，计算波速
对应介质所在位置与探地雷达的距离，以对介质进行定位。
本申请实施例提供的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，利用Hough变换，对降噪后的有效信号的近似信号进行处理，可以得到波速数据，根据波速数据可以找到对应的介质类型，可以辅助谱能分析对掌子面前方存在的地质类型的探测，进一步增强探地雷达的探测精度。
第二方面，图5为本申请实施例提供的一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理装置的示意性结构框图。如图5所示，一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理装置，包括：
振动传感器阵列100，用于采集掌子面前方的地质振动信号。
振动信号分析模块200，用于分析振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度。
三维视图构建模块300，用于结合振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质。
探地雷达400，用于对掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；探地雷达可以包括雷达主机、雷达天线、传输线和显示器等，其中，雷达天线可以包括发射天线和接收天线。可以选用200Mhz雷达，发射天线和接收天线可以置于一个箱体内，50Mhz雷达的发射天线和接收天线时分开设置的。发射天线向掌子面前方的地质层中发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质（地质层）内部传播时遇到介电常数差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射电磁波能量也越大，反射电磁波被接收天线接收后，传输到雷达主机，记录下反射电磁波的运动特征（包括双程旅行时、波形及幅度等）。
谱能计算模块500，用于对地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据。
三维视图构建模块300，还用于根据地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图。
结论输出模块600，用于结合振源三维视图和谱能三维视图，判断出掌子面前方存在的地质类型。结论输出模块600还可以包括显示器，用于显示振源三维视图和谱能三维视图，或者显示振源三维视图和谱能三维视图结合为一幅的视图，本申请不作具体限定。
第三方面，图6为本申请实施例提供的一种电子设备的示意性结构框图。如图6所示，本申请实施例提供了一种电子设备700，包括存储器710、处理器720及存储在存储器710上并可在处理器720上运行的计算机程序711，处理器720执行计算机程序711时实现以下步骤：
在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使振动传感器阵列贴附在掌子面上。
利用振动传感器阵列，采集掌子面前方的地质振动信号。
分析振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度。
结合振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质。
采用探地雷达，对掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号。
对地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据。
根据地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图。
结合振源三维视图和谱能三维视图，判断出掌子面前方存在的地质类型。
在具体实施过程中，处理器720执行计算机程序711时，可以实现上述实施例中任一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法。
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本申请实施例中隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，故而基于本申请实施例中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本申请实施例中的方法不再详细介绍，只要本领域所属技术人员实施本申请实施例中的方法所采用的设备，都属于本申请所欲保护的范围。
第四方面，图7为本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意性结构框图。如图7所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质800，其上存储有计算机程序811，该计算机程序811被处理器执行时实现如下步骤：
在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使振动传感器阵列贴附在掌子面上。
利用振动传感器阵列，采集掌子面前方的地质振动信号。
分析振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度。
结合振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质。
采用探地雷达，对掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号。
对地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据。
根据地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图。
结合振源三维视图和谱能三维视图，判断出掌子面前方存在的地质类型。
在具体实施过程中，该计算机程序811被处理器执行时可以实现上述实施例中任一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法。
本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，其特征在于，包括：
在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使所述振动传感器阵列贴附在所述掌子面上；
利用所述振动传感器阵列，采集所述掌子面前方的地质振动信号；
分析所述振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度；
结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质；
采用探地雷达，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；
利用二维柯西有向小波理论，对所述地质雷达探测信号进行降噪；
所述利用二维柯西有向小波理论，对所述地质雷达探测信号进行降噪的步骤，包括：
当地平面为
平面时，按照下式表示在以
为常数的测试线上探测雷达剖面信号：
其中，
为所述地质雷达探测信号的有效信号，
为杂波信号；
对
进行二维有向小波变换，当
时，根据具体情况选择参数，得到所述杂波信号的近似信号
；
按照下式得到所述有效信号的近似信号
：
其中，
为所述杂波信号的近似信号；
对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据；
根据所述地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图；
结合所述振源三维视图和所述谱能三维视图，判断出所述掌子面前方存在的地质类型。
2.根据权利要求1所述的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，其特征在于，所述在隧道的掌子面上设置振动传感器阵列，以使所述振动传感器阵列贴附在所述掌子面上的步骤，包括：
在所述隧道的所述掌子面上设置所述振动传感器阵列；
利用红外测距，测试所述振动传感器阵列中的每个所述振动传感器单元与所述掌子面的距离，以调整所述振动传感器单元，以使所述振动传感器单元贴附在所述掌子面上。
3.根据权利要求1所述的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，其特征在于，在所述利用所述振动传感器阵列，采集所述掌子面前方的地质振动信号的步骤之前，还包括：
建立地质类型与所述振源振动频率和所述振源振动强度的对照关系数据库，所述地质类型包括所述流体地质和所述松动地质；
所述结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质的步骤，包括：
结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度、所述振动传感器阵列的分布坐标与所述对照关系数据库，构建振源三维视图；
根据所述振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在所述流体地质或者所述松动地质。
4.根据权利要求1所述的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，其特征在于，所述采用探地雷达，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号的步骤，包括：
将所述探地雷达沿着设定移动路径在所述掌子面上进行移动，对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到所述地质雷达探测信号。
5.根据权利要求1所述的隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法，其特征在于，在所述对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据的步骤之前，还包括：
对所述有效信号的近似信号
按照下式进行变换：
其中，
为所述探地雷达的采样间隔时间，
为所述探地雷达的采样间隔距离，
为原空间的坐标，
为参数空间的坐标，
为波速；
根据所述波速
，计算所述波速
对应介质所在位置与所述探地雷达的距离，以对所述介质进行定位。
6.一种隧道超前预报可视化综合物探的数据处理装置，其特征在于，包括：
振动传感器阵列，用于采集掌子面前方的地质振动信号；
振动信号分析模块，用于分析所述振动传感器阵列上各个振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率和振源振动强度；
三维视图构建模块，用于结合所述振动传感器阵列上各个所述振动传感器单元接收到的所述地质振动信号的时差、振源距离、振源振动频率、振源振动强度以及所述振动传感器阵列的分布坐标，构建振源三维视图，判断出所述掌子面前方是否存在流体地质或者松动地质；
探地雷达，用于对所述掌子面前方的地质情况进行探测，得到地质雷达探测信号；
利用二维柯西有向小波理论，对所述地质雷达探测信号进行降噪；
当地平面为
平面时，按照下式表示在以
为常数的测试线上探测雷达剖面信号：
其中，
为所述地质雷达探测信号的有效信号，
为杂波信号；
对
进行二维有向小波变换，当
时，根据具体情况选择参数，得到所述杂波信号的近似信号
；
按照下式得到所述有效信号的近似信号
：
其中，
为所述杂波信号的近似信号；
谱能计算模块，用于对所述地质雷达探测信号进行谱能强度的计算，得到地质雷达探测谱能数据；
所述三维视图构建模块，还用于根据所述地质雷达探测谱能数据，构建谱能三维视图；
结论输出模块，用于结合所述振源三维视图和所述谱能三维视图，判断出所述掌子面前方存在的地质类型。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述隧道超前预报可视化综合物探的数据处理方法的步骤。
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106443766A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-02-22 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 三维隧道地震超前探测方法 |
| CN107589471A (zh) * | 2017-07-13 | 2018-01-16 | 高军 | 一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法 |
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-
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|---|---|---|---|---|
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