CN112904348A - 一种三维探测方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种三维探测方法、装置、设备和存储介质，方法应用于桩底岩溶的探测系统中，探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，方法包括：基于探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收声波信号覆盖桩底的声波反射信号；第一传感器为探测系统中任一传感器；第二传感器为除第一传感器以外的任意传感器；探测系统可按预设角度进行旋转；预设角度由旋转的次数确定；对声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；获得在桩底预设三维空间的成像点，将波形信号成像至成像点上，确定在桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。

Description

一种三维探测方法、装置、设备和存储介质
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种三维探测方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
桩底岩溶探测是采用直接(钻探法)或非直接方法(物探法)探测桩底基岩持力层一定范围内岩溶分布特征的勘察技术。
勘察阶段桩底岩溶探测方法主要有超前钻探法、管波探测法、钻孔雷达法、钻孔多频声波探测法、跨孔弹性波法。单一的超前钻孔极容易漏判岩溶，而增加钻孔又大大的影响工期。管波探测法可探测钻孔半径1m内岩体中的岩溶垂向分布范围，具有较高的垂向精度，但是探测结果没有指向性，无法指示孔周岩溶、破碎异常空间分布，且探测结果易受到地层界面、孔径变化、液面处等非溶洞波阻抗界面的影响。钻孔雷达与多频声波探测法原理与管波探测类似，同样没有解决探测方向性问题。跨孔弹性波是通过观测地震波穿越地质体时走时、能量(幅值)和波形等的变化，通过层析成像重建地质体内部结构，具有较高的探测精度。但是对于岩溶地区，孔中井液泄漏时检波器无法有效耦合导致无法实施。
施工阶段勘察方法主要有地质雷达法与声波反射法。地质雷达法通过在桩底布置环形或十字剖面，进行地质雷达数据采集，但是受场地探测面积限制，雷达信号受侧壁干扰，且探测深度有限，且仅适用于人工挖孔桩探测。声波反射法通过在桩底布置换能器，利用泥浆耦合激发和接收超声波用于探测桩底岩溶发育情况，该装置采集数据有限，且偏移距固定，无法采集到多角度多偏移距的高密度反射波数据，是对桩底岩溶的判识主要靠识别反射波形变化以及波形时频特征分析，无法确定溶洞高度或范围，且探测容易受到孔壁面波反射干扰等问题。
综上所述，现有桩底岩溶探测无法满足工程勘察需求，主要存在探测实施困难需要钻孔配合；对桩底环境要求高；采集数据较少无法高质量成像；探测结果没有方向性，无法确定桩底岩溶发育的具体情况。而目前尚无有效解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种三维探测方法、装置、设备和存储介质。
本发明实施例的技术实施例是这样实现的：
本发明实施例提供一种三维探测方法，所述方法应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，所述方法包括：
基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；
对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；
获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在上述方案中，所述探测系统可按预设角度进行旋转，包括：
获得所述探测系统的第一位置；
将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
在上述方案中，所述基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号，包括：
基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；
基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；
将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
在上述方案中，所述对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号，包括：
对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；
分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；
根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
在上述方案中，所述分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间之后，所述方法还包括：
获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；
基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
在上述方案中，所述获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像，包括：
获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；
将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在上述方案中，所述方法还包括：
获得所述探测系统的初始方向角度；
将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
本发明实施例提供一种三维探测系统，所述装置应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，所述装置包括：获得单元、处理单元和确定单元，其中：
所述获得单元，用于基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；
所述处理单元，用于对所述获得单元获得的所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；
所述确定单元，用于获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述处理单元获得的所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在上述方案中，所述获得单元，还用于获得所述探测系统的第一位置；将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
在上述方案中，所述获得单元，还用于基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
在上述方案中，所述处理单元，还用于对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
在上述方案中，所述处理单元，还用于获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
在上述方案中，所述确定单元，还用于获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在上述方案中，所述获得单元，还用于获得所述探测系统的初始方向角度；
所述确定单元，还用于将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
本发明实施例提供一种三维探测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述方法的任一步骤。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述所述方法的任一步骤。
本发明实施例提供的一种三维探测方法、装置、设备和存储介质，其中，包括：基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。采用本发明实施例的技术方案，通过基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；进而确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像；实现了通过改变采集方式，采集到不同角度、不同收发距的超高密度覆盖的反射数据可以对桩底岩溶进行高精度三维成像，且对桩底施工环境要求低，不需要额外钻孔。
附图说明
图1为本发明实施例三维探测方法实现流程示意图；
图2为本发明实施例三维探测方法中部分记录采集示意图；
图3为本发明实施例三维探测方法采集的原始声波反射信号示意图；
图4为本发明实施例三维探测方法中探测系统的示意图；
图5为本发明实施例本发明实施例三维探测方法中成像的示意图；
图6为本发明实施例三维探测方法中一种校正后的三维空间成像示意图；
图7为本发明实施例三维探测装置的组成结构示意图；
图8为本发明实施例中三维探测设备的一种硬件实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提出一种三维探测方法，该方法应用于三维探测设备，该方法所实现的功能可以通过三维探测设备中的处理器调用程序代码来实现，当然程序代码可以保存在计算机存储介质中，可见，该计算设备至少包括处理器和存储介质。
图1为本发明实施例三维探测方法实现流程示意图，如图1所示，所述三维探测方法应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，该方法包括：
步骤S101：基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定。
本发明实施例中，所述三维探测方法可以为基于线性阵列的桩底岩溶三维探测方法，所述方法应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，所述多个传感器的个数可以根据实际情况进行确定，在实际应用中，所述多个传感器的个数可以记为n(n>2)，作为一种示例，所述呈线性预设间距排列的多个传感器可以为在一条直线上按预设间距排列多个传感器，该预设间距可以根据实际情况进行确定，在此不做限定，作为一种示例，该预设间距可以为1m。一方面，所述传感器可以为检波类传感器，可以发射声波信号，也可以接收声波信号；另一方面，所述传感器可以包括发射子传感器和接收子传感器，所述发射子传感器可以用于发射声波信号，所述接收子传感器可以用于接收声波信号。
在实际应用中，在桩底布置呈线性等间距排列的多个传感器，该多个传感器均具备声波发射声波信号和接收声波信号的功能，所述呈线性等间距排列的多个传感器便组成为桩底岩溶的探测系统。所述等间距可以记为dx。为了方便理解，这里示例出本发明实施例三维探测方法中部分记录采集示意图，图2为本发明实施例三维探测方法中部分记录采集示意图，在图2中S1/R1、S6/R6中S1和S6可以分别表示传感器中发射声波信号对应的部分，R1和R6可以分别表示传感器中接收反射信号对应的部分；虚线和实线可以表示发射声波信号点向各接收反射信号点的传播路径。
图3为本发明实施例三维探测方法采集的原始声波反射信号示意图，在图3中横坐标表示的是道号以及道号对应的位置，所述纵坐标表示的是时间；其中，位置对应的单位是m，时间单位是ms。
所述探测系统可按预设角度进行旋转可以为将所述探测系统中任意一个传感器为固定点，将所述探测系统以该固定点由预设方向按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定，所述预设方向可以为顺时针或逆时针方向。为了方便理解，这里将预设角度记为θ,旋转的次数记为Nr，θ＝180°/Nr。作为一种示例，如果旋转的次数Nr为3次，则预设角度θ为60度。
基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号可以为选择所述探测系统中任一个传感器发射声波信号，采集除所述发射声波信号的传感器以外的其它传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号，再将所述探测系统按预设角度进行旋转，重复选择所述探测系统中任一个传感器发射声波信号，采集除所述发射声波信号的传感器以外的其它传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。在实际应用中，所述探测系统可以称为一个排列，该排列中所述多个传感器的个数可以记为n，该排列可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；该排列每在不同的位置，均可以选择排列中所述多个传感器中的任意一个传感器发射声波信号，获得除所述发射声波信号的传感器以外的其它传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号，该排列分别在不同的位置均可以采集声波记录道数为n·(n-1)。
为了方便理解，这里示例出探测系统的示意图，图4为本发明实施例三维探测方法中探测系统的示意图，如图4所示，11为探测系统，12为传感器，13为陀螺仪，14为旋转方向，该旋转方向为逆时针方向，假设旋转的次数Nr为3次，预设角度θ为60度，可以将11中的中心传感器12为固定点，将探测系统11依次按逆时针方向旋转60度。
步骤S102：对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号。
本实施例中，对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号可以为计算在不同位置的每个排列各收发传感器坐标，建立探测数据集，再对采集到的探测数据集去噪，并对波速分析，切除直达波信号，以获得波形成像的波形信号。其中，计算在不同位置的每个排列各收发传感器坐标，建立探测数据集可以为以某一个位置的排列作为参照，根据该参照排列中每个传感器的坐标和旋转的预设角度计算其它不同位置的排列中每个传感器的坐标，以建立各个不同位置的排列中每个传感器采集的数据建立的探测数据集；对采集到的探测数据集去噪可以为使用带通滤波或小波变换等方法去除低频噪音；对波速分析可以为拾取直达波到时，根据声波传播距离-时差关系获得声波在泥浆和基岩中的传播速度；切除直达波信号可以为在声波直达波到时，给定窗口长度，切除泥浆、基岩中传播的直达声波信号。
为了方便理解，这里示例说明，可以将探测系统初始位置称为第一个排列的位置，以该第一个排列的位置作为参照，将探测系统中相邻传感器的预设间距记为dx，所述探测系统旋转的预设角度记为θ，每个发射传感器或接收传感器的坐标记为P(Xij,Yij)，其中i为排列号(i<＝Nr)，j为传感器编号(j<＝n)，P(Xij)＝j*dx*cos(i*θ),P(Yij)＝j*dx*sin(i*θ)。
步骤S103：获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
本实施例中，获得在所述桩底预设三维空间的成像点可以为将所述桩底在预设三维空间按预设间距划分网格点，每一个网格点看作为成像点；其中，所述预设三维空间可以根据实际情况进行确定，在此不做限定；所述预设间距可以根据实际情况进行确定，在此不做限定，在实际应用中，所述预设间距可以为等间距，作为一种示例，所述等间距可以为0.01m。
将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像可以为将所有成像点处的不同传感器对的信号值累加，得到岩溶的三维空间成像结果；其中，所述传感器对可以由每一个发射声波信号的传感器和每一个接收声波反射信号的传感器组成。作为一种示例，可以计算出不同传感器对的信号传播至成像点的时间，将时间相同对应的所有传感器对信号值累加，该过程可以重复执行，直至确定出在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
本实施例中，通过基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；进而确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像；实现了通过改变采集方式，采集到不同角度、不同收发距的超高密度覆盖的反射数据可以对桩底岩溶进行高精度三维成像，且对桩底施工环境要求低，不需要额外钻孔。
在本发明的一种可选实施例中，所述探测系统可按预设角度进行旋转，可以包括：获得所述探测系统的第一位置；将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
本实施例中，获得所述探测系统的第一位置可以为获得所述探测系统的初始位置，该初始位置可以为所述探测系统初始放置的位置。作为一种示例，该初始位置可以为水平方向的位置或垂直方向的位置；该水平方向的位置可以记为X轴方向的位置，该垂直方向的位置可以记为Y轴方向的位置。
将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置可以为将所述探测系统的所述第一位置作为参考位置，以所述探测系统中的任意一个传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得除所述探测系统第一位置以外任意位置的探测系统；其中，所述第二位置为除所述第一位置以外的任意位置，该位置可以是一次或多次旋转获得的位置。
在本发明的一种可选实施例中，所述基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号，可以包括：基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
本实施例中，基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号可以为基于所述第一位置的所述探测系统中的任意一个传感器发射声波信号，所述探测系统中除发射声波信号的传感器以外的传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号。声波由传感器发射声波信号点向各传感器接收声波反射信号点传播过程中，声波传播路径为：传感器—泥浆—基岩—泥浆—传感器。
基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号可以为基于所述第二位置的所述探测系统中的任意一个传感器发射第二声波信号，所述探测系统中除发射声波信号的传感器以外的传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号。声波由传感器发射声波信号点向各传感器接收声波反射信号点传播过程中，声波传播路径为：传感器—泥浆—基岩—泥浆—传感器。
在实际应用中，可以在桩底布置呈线性等间距排列的多个传感器，形成探测系统，该多个传感器均具备发射信号和接收信号的功能，将该多个传感器所在的一条直线的位置称为第一位置，从该多个传感器排列的一端的传感器开始逐个激发声波信号，其余各点的传感器接收信号。当整个排列采集数据完成后，整个探测系统按预设方向旋转预设角度，旋转后的探测系统所在的位置称为第二位置，重复整个排列的数据采集，直到整个桩底数据采集全部覆盖。其中，预设方向可以为固定方向，该固定方向可以为顺时针方向或逆时针方向；旋转的次数可以是一次或多次，所述第二位置泛指旋转后的探测系统所在的位置，可以为多次旋转后的探测系统所在的位置。
为了方便理解，这里示例说明，假设所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器为3个传感器，相邻传感器之间的间隔为dx，预设方向为逆时针方向，预设角度为60度，旋转的次数为3次，所述第一位置为桩底的水平位置，即X轴所在的位置；所述第二位置为以所述探测系统的中心传感器为固定点，即第2个传感器为固定点，逆时针方向依次旋转60度后的位置。换句话说，所述第二位置可以为旋转60度后的位置、旋转120度后的位置、旋转180度后的位置。当所述探测系统在所述第一位置时，从所述探测系统一端的传感器依次发射声波信号，除发射声波信号的传感器以外的其它传感器均接收声波信号，所述第一位置的探测系统一次采集声波记录道数可以为3·(3-1)＝6。当所述第一位置的探测系统的数据采集完后，将所述探测系统旋转到第二位置，重复上述的采集过程，在此，不再赘述。
本实施例中，将所述探测系统中的多个传感器呈线性预设间距排列设计，并将探测系统进行旋转，以采集到不同角度、不同收发距的超高密度覆盖的反射数据，即通过改变采集方式，对桩底施工环境要求低，且不需要额外钻孔。大大提高了对桩底进行探测的实用性。
在本发明的一种可选实施例中，所述对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号可以包括：对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
本实施例中，对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；其中，所述去除噪音处理可以为带通滤波处理或小波变换处理；所述通滤波处理可以为对数据进行傅里叶变换，确定峰值频率f0以(f0/3,3f0)为频带范围进行带通滤波，去除低频噪音；所述小波变换处理可以为对数据进行小波变换，以去除低频噪音。
分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；其中，所述初至时间为各接收传感器接收到的声波记录最先到达时间，也可以理解为各传感器接收到的首波的起跳点对应的时间。
根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号可以为获得所述直达波的给定窗口长度，根据所述窗口长度和所述初至时间切除所述直达波的信号；其中，所述窗口长度为固定值，可以由传感器发射的信号长度或原始接收波形信号拾取直达波子波长度确定。作为一种示例，所述窗口长度由传感器发射的信号长度确定可以为所述窗口长度由传感器发射10us的信号长度确定。
在实际应用中，所述窗口长度可以记为WL，所述初至时间可以记为tz，根据所述窗口长度和所述初至时间切除所述直达波的信号，将接收信号从0时刻到tz+WL时刻的幅值全部设为0，作为一种示例，tz可以为各接收传感器到激发传感器的距离L与声波在泥浆中传播的速度V水的商：tz＝L/V水，作为一种示例，V水可以为1500m/s.
在本发明的一种可选实施例中，所述分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间之后，所述方法还包括：获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
本实施例中，获得所述第一传感器位置对应的第一坐标和所述第二传感器位置对应的第二坐标，根据所述第一坐标和所述第二坐标计算所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离，基于所述距离和所述初至时间计算所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。其中，所述距离可以记为X，所述初至时间可以记为T，所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度可以为X/T。
在本发明的一种可选实施例中，所述获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像，可以包括：获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
本实施例中，获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离可以为计算发射声波信号的传感器到所述成像点的第一距离以及所述成像点到接收声波反射信号的传感器的第二距离，具体的，可以根据发射声波信号的传感器的坐标和所述成像点的坐标计算所述第一距离，根据所述成像点的坐标和接收声波反射信号的传感器的坐标计算第二距离。
根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间可以为根据所述第一距离和所述传播速度确定第一时间，根据所述第二距离和所述传播速度确定第二时间，再根据所述第一时间和所述第二时间确定所述成像点上对应所述波形信号的时间。
将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像可以为将接收声波反射信号的传感器接收到的信号进行记录，并在所述时间下对应的所有所述波形信号的值进行累加，获得不同位置的探测系统中接收声波反射信号的传感器信号值进行累加的结果，以确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。其中，所述预设范围可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。
为了方便理解，这里示例说明，图5为本发明实施例本发明实施例三维探测方法中成像的示意图；在不同位置的探测系统中，可以将每一个位置的探测系统看作为一个排列，每一个发射声波信号的传感器和每一个接收声波反射信号的传感器看作为一组传感器收发对，其中，发射声波信号的传感器可以记为S，接收声波反射信号的传感器可以记为G；所述第一距离可以记为Rs，所述第二距离可以记为Rg，所述成像点可以记为M，所述第一时间可以记为Ts，所述第二时间可以记为Tg，所述传播速度可以记为V，则Ts＝Rs/V,Tg＝Rg/V，将接收声波反射信号的传感器G接收到的信号记录Ri中，ti＝Ts+Tg时刻的信号值放在成像点M处，其中Ri为第i个接收道信号，ti为第i个接收道信号的时刻，如图5所示。对按排列所有的传感器收发对，重复上述计算步骤，将所有成像点M处的不同传感器对信号值累加，得到整个模型的三维成像结果。通过以上计算过程对桩底以下预设范围的三维空间进行实时成像。
在本发明的一种可选实施例中，所述方法还包括：获得所述探测系统的初始方向角度；将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
本实施例中，获得所述探测系统的初始方向角度可以通过设置在所述探测系统上测量方向的器件获得所述探测系统的初始方向角度；其中，所述测量方向的器件可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述测量方向的器件可以为电子罗盘、陀螺仪等器件。在实际应用中，所述初始方向角度可以记为α角度。
将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像可以为将所述三维空间成像模型旋转所述初始方向角度，将所述三维空间成像模型校正到正北(或正东)方向。
为了方便理解，这里示例出校正后的三维空间成像示意图，图6为本发明实施例三维探测方法中一种校正后的三维空间成像示意图；在图6中，x、y、z轴的单位为米，阴影部分代表一种三维空间成像示意图，作为一种示例，所述阴影部分中不同的灰暗程度对应的区域可以表示岩溶在不同轴的成像示意图，例如，灰暗程度最深对应的区域可以表示岩溶在z轴的成像示意图，灰暗程度最浅对应的区域可以表示岩溶在y轴的成像示意图，灰暗程度位于最浅和最深之间对应的区域可以表示岩溶在z轴的成像示意图。
通过采用本发明实施例提供的三维探测方法，通过使用高频声波反射原理在桩底进行探测，利用桩底泥浆耦合，对桩底施工环境要求低，且不需要额外钻孔。线性阵列设计，通过改变采集方式，采集到不同角度、不同收发距的超高密度覆盖的反射数据可以对桩底岩溶进行高精度三维成像。
本实施例提出又一种三维探测装置，图7为本发明实施例三维探测装置的组成结构示意图，如图7所示，所述装置应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，所述装置200包括：获得单元201、处理单元202和确定单元203，其中：
所述获得单元201，用于基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；
所述处理单元202，用于对所述获得单元201获得的所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；
所述确定单元203，用于获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述处理单元202获得的所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在其他的实施例中，所述获得单元201，还用于获得所述探测系统的第一位置；将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
在其他的实施例中，所述获得单元201，还用于基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
在其他的实施例中，所述处理单元202，还用于对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
在其他的实施例中，所述处理单元202，还用于获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
在其他的实施例中，所述确定单元203，还用于获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
在其他的实施例中，所述获得单元201，还用于获得所述探测系统的初始方向角度；
所述确定单元203，还用于将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
以上装置实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本发明装置实施例中未披露的技术细节，请参照本发明方法实施例的描述而理解。
需要说明的是，本发明实施例中，如果以软件功能模块的形式实现上述的三维探测方法，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术实施例本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台三维探测设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ReadOnly Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
对应地，本发明实施例提供一种三维探测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例提供的三维探测方法中的步骤。
对应地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例提供的三维探测方法中的步骤。
这里需要指出的是：以上存储介质和设备实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本发明存储介质和设备实施例中未披露的技术细节，请参照本发明方法实施例的描述而理解。
需要说明的是，图8为本发明实施例中三维探测设备的一种硬件实体结构示意图，如图8所示，该三维探测设备300的硬件实体包括：处理器301和存储器302，可选地，所述三维探测设备300还可以包括通信接口302。
可以理解，存储器303可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器303旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器301中，或者由处理器301实现。处理器301可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器301中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器301可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器301可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器303，处理器301读取存储器303中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。
在示例性实施例中，三维探测设备可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，ProgrammableLogic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU，Micro Controller Unit)、微处理器(Microprocessor)、或其他电子元件实现，用于执行前述方法。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个观测量，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其他形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例的目的。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明实施例上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术实施例本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台三维探测设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明是实例中记载的一种三维探测方法、装置、设备和存储介质只以本发明所述实施例为例，但不仅限于此，只要涉及到该一种三维探测方法、装置、设备和存储介质均在本发明的保护范围。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种三维探测方法，其特征在于，所述方法应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，所述方法包括：
基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；
对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；
获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测系统可按预设角度进行旋转，包括：
获得所述探测系统的第一位置；
将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号，包括：
基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；
基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；
将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号，包括：
对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；
分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；
根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间之后，所述方法还包括：
获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；
基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像，包括：
获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；
将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获得所述探测系统的初始方向角度；
将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
8.一种三维探测装置，其特征在于，所述装置应用于桩底岩溶的探测系统中，所述探测系统包括呈线性预设间距排列的多个传感器，每个传感器可激发声波信号和接收声波信号，所述装置包括：获得单元、处理单元和确定单元，其中：
所述获得单元，用于基于所述探测系统中第一传感器发射声波信号，获得第二传感器接收所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号；所述第一传感器为所述探测系统中任一传感器；所述第二传感器为除所述第一传感器以外的任意传感器；所述探测系统可按预设角度进行旋转；所述预设角度由旋转的次数确定；
所述处理单元，用于对所述获得单元获得的所述声波反射信号进行预处理，获得波形成像的波形信号；
所述确定单元，用于获得在所述桩底预设三维空间的成像点，将所述处理单元获得的所述波形信号成像至所述成像点上，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述获得单元，还用于获得所述探测系统的第一位置；将所述第一位置作为参考位置，以所述第一传感器为固定点，将所述探测系统按预设方向旋转所述预设角度，获得所述探测系统的第二位置。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述获得单元，还用于基于所述第一位置的第一传感器发射第一声波信号，获得所述第一位置的第二传感器接收所述第一声波信号覆盖所述桩底的第一声波反射信号；基于所述第二位置的第一传感器发射第二声波信号，获得所述第二位置的第二传感器接收所述第二声波信号覆盖所述桩底的第二声波反射信号；将所述第一声波反射信号和所述第二声波反射信号作为所述声波信号覆盖所述桩底的声波反射信号。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理单元，还用于对所述声波反射信号进行去除噪音处理，获得高频声波反射信号；分析所述高频声波反射信号，获得所述高频声波反射信号中直达波的初至时间；根据所述初至时间切除所述直达波的信号，获得波形成像的波形信号。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述处理单元，还用于获得所述第一传感器的第一坐标和所述第二传感器的第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标确定所述第二传感器相对于所述第一传感器的距离；基于所述距离和所述初至时间确定所述高频声波反射信号在所述岩溶中的传播速度。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述确定单元，还用于获得所述第一传感器到所述成像点的第一距离和所述第二传感器到所述成像点的第二距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述传播速度确定所述成像点上对应所述波形信号的时间；将所述第二传感器在所述时间下对应的所述波形信号的值进行累加，确定在所述桩底以下预设范围内岩溶的三维空间成像。
14.根据权利要求8-13任意一项所述的装置，其特征在于，
所述获得单元，还用于获得所述探测系统的初始方向角度；
所述确定单元，还用于将所述三维空间成像旋转所述初始方向角度，确定校正后的三维空间成像。
15.一种三维探测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7任一项所述方法中的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法中的步骤。
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