CN112834621A - 一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，主要包括确定岩体中裂隙结构探测所需的参数；确定岩体中裂隙结构的回波数据；确定对应匹配滤波函数；得到经过匹配滤波处理后的信号；对得到的信号在高度向上进行相干累加，得到某个方位向的图像数据；对每个方位向上的数据进行相干叠加，实现岩体裂隙的三维重现。本发明所使用的是超生横波，在介质中的散射和衰弱比纵波弱，检测的噪声更低，超声横波不能在空气中传播，当遇到结构内部空洞和裂隙缺陷时几乎全部被反射，其反射系数大于纵波，反射波的波幅更大，有利于其反射波信号的接收，所以更有利于岩体岩石类材料中的外部侵入物、空隙、裂缝和其他缺陷的三维成像。

Description

一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法。
背景技术
在由坚硬岩石构成的岩体中，岩石的裂隙性对矿山坑道的稳定性有决定性的影响。岩体被其生成和存在过程中形成的裂隙系统分割破裂，导致产生岩体结构的弱化效应，它表现为裂隙岩体的强度低于岩石试样的强度。裂隙构成现有弱面的总体通常沿着弱面发生岩体破坏。对于地下岩体工程而言，要根据岩体中裂隙结构的力学特征进行工程设计以及进行相应的安全措施的制定。存在裂隙结构的岩体由岩块和结构面组成，比较复杂。因此，重构岩体的裂隙结构对于工程设计及安全稳定性评价具有重要意义。目前在裂隙演化的试验研究方面，电子计算机断层扫描(CT)、电镜扫描(SEM)、声发射技术、数字照相等技术为岩石内部裂隙拓展规律和破坏机理的研究起到了积极的推动作用，但大多数的研究成果只能反映岩体或岩石某一个面上的裂隙演化过程，而对于三维空间上的裂隙演化很难真实地反映出来。因此我们提出一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种精确的对地下岩体中存在的裂隙进行超声波三维成像的方法；该方法借助于超声相控阵成像原理对岩体中因地球的地质构造过程而产生的裂隙进行三维重构，即以尺寸为150mm×150mm×150mm的天然岩块为试样，设计多种不同形态的裂隙岩体试样，采用超声相控阵探测技术对岩体内部裂隙进行探测识别、定位和成像，进而研究其在加载破坏过程中的力学特性和破裂演化规律。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
超声波系统由主机、换能器、电源等组成，系统同时使用超声波横波和纵波进行探测，与传统超声波法仅仅使用超声纵波进行探测不同，采用相控阵干耦合点接触换能器，通过多个该换能器组成的传感器矩阵发射超声波波束，利用脉冲回波技术和合成孔径聚焦技术组合探测，系统能够在数据采集后4秒钟之内形成被测断面的二维和三维图像，测量结果以B-type断面影像的形式呈现，测量结果更容易理解。超声相控成像技术可以在现场快速高效地以二维图像的形式展现探测结果，也可以对物体进行多次组合探测，再将其结果导入专门分析软件对物体内部结构进行三维重构，得到被测物体内部裂隙的三维影像
传统的超声波无损探伤检测方法大多使用的都是超声纵波，而超声相控阵技术所使用的则是超生横波。相较于超声纵波而言，横波有较大的优势，超生横波在介质中的散射和衰弱比纵波弱，因而横波检测的噪声更低；其次，识别越小的缺陷需要的波长更短，而横波的波长大约是同频率纵波波长的60％，因此使用横波可以提高其分辨能力；更重要的是，由于超声横波不能在空气中传播，当它遇到结构内部空洞和裂隙缺陷时几乎全部被反射，其反射系数大于纵波，反射波的波幅更大，有利于其反射波信号的接收，所以超声横波较纵波而言更有利于检测岩体岩石类材料中的外部侵入物、空隙、裂缝和其他缺陷。
超声波脉冲速度(UPV)和脉冲回拨(SIE)设备利用传感器产生纵向波，这些纵波由于应力作用引起质点运动，振动方向平行于波前方向。同样，横波也能引起质点运动，其振动方向垂直于波前方向，即平行于岩体表面。超声波的传播速度v(m/s)与超声波的频率f(Hz)和波长λ(m)之间的关系可用下列关系式表示：
V＝fλ
超声横波波速设定可选范围为1000-4000m/s,可满足各类岩石、岩体、石质结构内部裂隙缺陷的探测需求。
当声波的传播速度一定时，声波频率的增加就会导致波长的减小，反之亦然。同样地，在无限的弹性固体中，纵波速度vρ是杨氏弹性模量E(MPa),材料密度ρ(kg/m3),和泊松比μ的函数，其关系可由下式表示：
Figure BDA0002875429300000021
超声波在混凝土岩石等非均质介质中传播机制非常复杂，纵波在固体介质中传播，介质材料性质发生变化，超声波能量会偏离原始波路径产生散射现象。当纵波遇到裂缝、结构不连续和其他内部缺陷时，也会产生同样的散射，即入射波的散射；超声信号的散射会直接导致超声波的快速衰减，且当传播波的波长小于或等于结构内部裂缝或者缺陷的尺寸时会加剧信号的快速衰减。超声横波在岩体内衰减情况可简单表示为：
N＝N0e-QL
式中，L为超声横波传波的路径距离(m),N0为超声横波发射时的初始强度(dB)，N为超声横波在介质内传播路径L后的强度(dB),Q为岩石衰减系数(dB/mm).随着超声横波在介质内传播路径的增加，其衰减行为也会越加明显。同时，声波的衰减系数Q与入射超声横波的频率直接相关，其关系式为：
Q＝bf
式中，f为入射超声波频率(Hz),b为相关系数(dB/Hz·mm)。
当检测同种介质材料时，入射超声横波的频率越大，其在介质中传播衰减越明显，穿透能力越低，其所能探测的深度就会越小；当频率越低时，超声横波传播衰减越小，其穿透能力越强，探测深度越大。此外，超声波对不同尺寸裂隙缺陷的探测识别能力与探测时所使用的超声波频率直接相关，探测时使用的超声波频率越高，其探测精度就越高，能探测的缺陷尺寸越小，同时声波衰减也越明显，探测深度就会越小；当使用声波频率较低时，其探测精度就较低，对小尺寸缺陷探测能力越弱，而此时则能获得较大的探测深度。探测深度与精度彼此相互矛盾，在实际探测时要根据被测物的深度和缺陷尺寸大小选择适当的频率，以获得准确的探测结果。采用超声波频率与缺陷尺寸满足下式时探测效果越明显，即
Figure BDA0002875429300000031
式中，S为裂隙缺陷的尺寸(m),v为超声波波速(m/s),f为入射超声波频率(Hz)。
假设换能器发射的线性调频信号s表示为：
s(t,x,y,z)＝exp[j(2πf0t+πγt2)]|t|≤T0/2
其中，f0表示超声波频率，γ为线性调频率，T0为脉冲宽度，x表示距离向，y表示方位向，z表示高度向。
成像场景区域中各点目标位置为
Figure BDA0002875429300000032
K为采样点数目，换能器坐标为(x,y,z)，则换能器接收的回波数据s1可以表示为：
Figure BDA0002875429300000041
其中σk是第k个散射点的后向散射系数，c是光速，Rk是换能器和成像区域中点目标的斜距。
Figure BDA0002875429300000042
其中，
Figure BDA0002875429300000043
因此，回波数据s1写成：
Figure BDA0002875429300000044
经过距离-方位向的二维聚焦后，换能器获取的数据可以表示为：
Figure BDA0002875429300000045
其中，Δfr表示距离向带宽，Δfy表示方位向带宽，Rzk表示目标与平台斜距在x-z平面的投影。由上式可知，高度向的信息包含在相位
Figure BDA0002875429300000046
中，因此层析成像处理可以分为二维SAR成像和高度向聚焦两个步骤。
固定方位向位置y＝y0，上式亦可写成：
Figure BDA0002875429300000047
根据BP成像原理，可以计算换能器到成像网格的斜距，进而计算处双程时延，在时域补偿残余相位后进行相干累加，得到散射点的散射系数分布，实现三维成像。对应的匹配滤波函数是Gf，表示为：
Figure BDA0002875429300000048
其中，
Figure BDA0002875429300000051
fc是超声波频率，f表示多普勒频率。
那么，经过匹配滤波处理后的信号表示为：
Figure BDA0002875429300000052
在高度向上进行相干累加，得到某个方位向的图像数据，即：
Figure BDA0002875429300000053
最后，对每个方位向上的数据进行相干叠加，实现岩体裂隙的三维重现。
附图说明
图1为本发明提供的基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法的流程示意图；
图2为本发明提供的天线阵列缺陷探测原理示意图；
图3为本发明提供的超声信号传播与接收示意图；
图4为本发明提供的存在缺陷时超声信号传播与接收示意图；
具体实施方式
本发明提供了一种基于超声波技术对岩体裂隙进行三维重构的方法，其装置包括主机、电源、声波换能器、三维超声成像仪。超声横波波速设定可选范围为1000-4000m/s,可满足各类岩石、岩体、石质结构内部裂隙缺陷的探测需求。试样尺寸为150mm×150mm×150mm,预制裂隙尺寸为25mm×2,位于试样正中央，裂隙深度为25mm，以正方体试样某一点为原点建立空间直角坐标系O-X-Y-Z,以超声波换能器从不同方向对试样发射出n条超声波探测裂隙，对换能器获取的回波数据进行传统二维SAR成像，得到N幅SAR图像gn＝(n＝1,2,...,N)，之后选取一幅主图像进行图像匹配；以N幅SAR图像序列构建三维成像网格，对于换能器平台来说，同一距离方位单元，高度向有Nz个采样点，以此建立三维网格；补偿剩余相位
Figure BDA0002875429300000054
将高度向的数据进行相干叠加，得到三维成像结果:
Figure BDA0002875429300000061
由电信号传至主机处理，由三维成像软件处理成像在三维超声成像仪上，显示出裂隙的位置与形态。

Claims (5)

1.一种基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
换能器发射的线性调频信号s表示为：
s(t,x,y,z)＝exp[j(2πf0t+πγt2)] |t|≤T0/2 (1)
其中，f0表示超声波频率，γ为线性调频率，T0为脉冲宽度，x表示距离向，y表示方位向，z表示高度向。
2.如权利要求1所述的基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，其特征在于，成像场景区域中各点目标位置为
Figure FDA0002875429290000011
K为采样点数目，换能器坐标为(x,y,z)，则换能器接收的回波数据s1可以表示为：
Figure FDA0002875429290000012
其中σk是第k个散射点的后向散射系数，c是光速，Rk是换能器和成像区域中点目标的斜距。
Figure FDA0002875429290000013
其中，
Figure FDA0002875429290000014
3.如权利要求1所述的基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，其特征在于，回波数据s1写成：
Figure FDA0002875429290000015
经过距离-方位向的二维聚焦后，换能器获取的数据可以表示为：
Figure FDA0002875429290000016
其中，Δfr表示距离向带宽，Δfy表示方位向带宽，Rzk表示目标与平台斜距在x-z平面的投影。由上式可知，高度向的信息包含在相位
Figure FDA0002875429290000017
中，因此层析成像处理可以分为二维SAR成像和高度向聚焦两个步骤。
4.如权利要求1所述的基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，其特征在于，固定方位向位置y＝y0，上式亦可写成：
Figure FDA0002875429290000018
Figure FDA0002875429290000021
根据BP成像原理，计算换能器到成像网格的斜距，进而计算处双程时延，在时域补偿残余相位后进行相干累加，得到散射点的散射系数分布，实现三维成像。对应的匹配滤波函数是Gf，表示为：
Figure FDA0002875429290000022
其中，
Figure FDA0002875429290000023
fc是超声波频率，f表示多普勒频率。
5.如权利要求1所述的基于超声波技术的岩体裂隙三维重构方法，其特征在于，经过匹配滤波处理后的信号表示为：
Figure FDA0002875429290000024
在高度向上进行相干累加，得到某个方位向的图像数据，即：
Figure FDA0002875429290000025
最后，对每个方位向上的数据进行相干叠加，实现场景的三维重现。
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