專利名稱：基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維精細化成像系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種隧道施工中，基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)和方法。
背景技術：
進入21世紀后，一大批鐵路公路交通工程、水利水電工程等重大基礎工程陸續(xù)提上建設日程，極大的促進了隧道工程的建設。截止2010年底，我國交通、水電等領域每年建設隧道約450公里，已建成鐵路與公路隧道超過10000公里。預計2020年僅我國鐵路隧道建設將達到“兩個一萬”(lOOOOkm/lOOOO座)。我國已是世界上隧道建設規(guī)模與難度最大的國家，由于隧道在施工前期難以全部查清沿線不良地質情況，突發(fā)災害成因極為復雜，導致施工過程中往往遭遇突水突泥、塌方等重大地質災害，嚴重影響了隧道工程建設安全。因此，在隧道施工期間對掌子面前方的地質情況進行超期地質預報具有十分重要的意義?，F有的超前地質預報方法主要包括地震反射法(如TSP法、TRT法等)、電磁類方法(如瞬變電磁法、地質雷達法等)、電法類方法(如直流電阻率法等)。由于受到隧道觀測空間狹小、環(huán)境干擾強烈、自身分辨率與識別精度低等因素的影響，現有超前地質預報方法對較大規(guī)模的不良地質體有較好的探測效果，如大型斷層、大型溶洞、大型暗河等，但對較小的地質體定位和識別效果很差，如裂隙、中小溶洞等，無法滿足工程需求。因此，亟待開展三維精細化超前預報方法的研究和發(fā)明。目前，超前地質鉆探被視為一種精細化超前預報方法，在工程中應用較多。但是超前地質鉆孔受到施工進度和經濟性的影響，僅能在隧道掌子面布置少量鉆孔(1-3個)，智能探明鉆孔局部區(qū)域的地質情況。對于不在鉆孔區(qū)域的不良地質體無法揭露，無法實現精細化探測，極易遺漏地質災害隱患，可見超前地質鉆探具有“一孔之見”的明顯缺陷。針對該問題，本發(fā)明利用孔中地質雷達擴展地質鉆孔探測范圍的解決思路。利用已有的地質鉆孔和掌子面，布置地質雷達孔中發(fā)射天線和孔外輻射狀接收測線，實現鉆孔周圍地質情況的三維成像，解決了超前地質鉆孔“一孔之見”的問題，有效提高了地質鉆孔的利用率。但是，已有的單孔地質雷達不能滿足隧道施工期超前地質預報精細化探測的需求。已有的單孔地質雷達發(fā)射天線和接收天線同在一個鉆孔中并固定間距沿鉆孔上下移動，以固定間距觸發(fā)，僅能實現二維探測，可以得到反射體的與鉆孔之間的距離，反射體在鉆孔深度方向上的相對位置，但是無法確定反射體的方位，不能滿足工程需要。為解決以上問題，有人提出了不同的解決方案。例如專利《巖溶隧道施工用綜合性地質預測預報方法》，申請?zhí)?01110143482. 2，該方法首先采用傳統(tǒng)的地質雷達方法在隧道掌子面探測，然后通過打多個互相平行的水平鉆孔進行復核；專利《一種煤田火區(qū)上部地層孔隙度分布的探測方法》，申請?zhí)?01110335168. 4，該方法首先在煤田火區(qū)上部的地表面布置多條測線，在各測線間隔設置多個測點，逐一對每條測線上的測點施工鉆孔，然后逐一在同一測線上相鄰的兩個鉆孔中分別設置發(fā)射天線和接收天線，并依次對每條測線上的所有鉆孔進行鉆孔雷達多偏移距跨孔透射探測。以上兩種方法對異常體的探測都是通過打多個平行鉆孔，而在實際施工中，打鉆孔會大大增加施工成本，浪費大量時間耽誤施工工期，因此要運用到實際施工中并不實際。針對上述問題，本發(fā)明設計一種隧道單孔地質雷達三維精細化成像超前預報系統(tǒng)與方法，提出了“單鉆孔發(fā)射天線加掌子面360°輻射狀測線”的立體三維觀測方法，實現了多次覆蓋的掃描性探測，再利用基于約束反演的速度成像方法和三維插值方法，實現鉆孔周圍介質的三維探測。該發(fā)明需要解決的關鍵問題如下①單孔地質雷達無法確定目標體的方位,本發(fā)明需要設計一種360°立體三維觀測方法；②360°立體三維觀測方法要求孔中的發(fā)射天線和掌子面上的接收天線按一定的規(guī)則進行移動和掃描性探測，需要研制一種地質雷達天線自動遞送和傳動裝置；③目前尚沒有用于上述觀測方式的三維地質雷達數據的反演成像方法，需要提出一種高精度的三維成像及反演方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)和方法，它具有提高了深部分辨率，同時提高了地質異常體三維定位的精度的優(yōu)點。為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)，它包括雷達發(fā)射天線、雷達接收天線、雷達主機、雷達天線遞送裝置與雷達天線傳動裝置、控制主機、蓄電池以及計算機；雷達發(fā)射天線通過雷達天線遞送裝置被遞送入鉆孔內，雷達接收天線通過天線傳動裝置在隧道掌子面沿測線移動，雷達發(fā)射天線和雷達接收天線通過電纜與雷達主機連接，雷達主機通過電源線與蓄電池連接，雷達主機通過通信電纜與計算機連接，雷達天線遞送裝置和雷達天線傳動裝置通過通信電纜與控制主機連接，在隧道掌子面上設有若干條測線，控制主機通過電源線與蓄電池連接，所述控制主機控制雷達天線遞送裝置和雷達天線傳動裝置，從而控制雷達發(fā)射天線在鉆孔內的遞送與雷達接收天線在隧道掌子面沿測線的移動，以鉆孔為中心向外輻射的每一個方向均為一條測線。所述雷達發(fā)射天線安置在隧道掌子面中間位置的鉆孔內，雷達發(fā)射天線為桿狀發(fā)射天線，以等間距的形式發(fā)射雷達波信號。所述在隧道掌子面上設有六條測線，相鄰兩條測線之間的夾角為60°。所述傳動裝置包括傳動軌道和傳動車，傳動車沿傳動軌道運動，傳動軌道用于傳動車的導向作用，傳動車用于固定雷達接收天線，便于接收天線沿軌道移動，所述傳動軌道測線方向布設在隧道掌子面上。所述雷達天線傳動裝置包括傳動軌道和傳動車，傳動車沿傳動軌道運動，傳動軌道用于傳動車的導向作用，傳動車用于固定雷達接收天線，便于雷達接收天線沿傳動軌道移動。所述傳動軌道為齒輪狀軌道。首先在隧道掌子面中間位置打入一個鉆孔，利用單鉆孔，鉆孔里面放置雷達發(fā)射天線，在隧道掌子面上按照輻射狀布置地質雷達接收測線，鉆孔中的雷達發(fā)射天線在鉆孔某一深度向隧道掌子面發(fā)射雷達波信號，隧道掌子面上的接收天線借助自動傳動裝置沿輻射狀測線移動，依次掃描并采集雷達信號，完成一次發(fā)射采集循環(huán)。一次發(fā)射采集循環(huán)結束后，鉆孔中的雷達發(fā)射天線借助雷達天線遞送裝置按等間距的形式向鉆孔深部移動，再執(zhí)行下一次發(fā)射采集循環(huán)。最后當雷達數據全部采集完畢后，對探測數據實施約束反演并實施三維插值成像，實現對隧道掌子面前方地質情況的三維精細化探測。本發(fā)明結合“鉆孔中單孔發(fā)射天線加隧道掌子面360°輻射狀接收測線”的立體三維觀測方法與基于多次覆蓋觀測的發(fā)射接收循環(huán)探測方式，對隧道掌子面前方的地質條件進行高精度全空間的三維探測。該方法還提出了一種全新的地質雷達速度約束反演成像方法，其基本原理是利用粗糙度約束反演得到每個探測剖面的速度圖像，探測剖面之間利用插值法，最終形成三維成像，得到隧道掌子面前方的三維地質圖像。所述地質雷達速度剖面約束反演成像方法，是一種施加了粗糙度約束的速度層析反演成像方法，這種約束使得相鄰網格之間的雷達波慢度的差異極小，使得相鄰網格之間的慢度參數光滑過渡，有效的改善波速層析反演方程的病態(tài)程度，降低波速反演的多解性，改善反演效果。一種隧道施工中，基于鉆孔地質雷達技術的高分辨率三維成像超前地質預報方法，具體步驟為:步驟一:預打鉆孔；在隧道掌子面上中間位置垂直打入一個深度為S，孔徑為d的鉆孔，s>0, d>0 ；步驟二:制定探測方案；根據隧道施工的要求與現場的實際情況，初步制定雷達預測方案，確定雷達發(fā)射天線在鉆孔內每次發(fā)射雷達波信號之間的距離，以及接收天線在隧道掌子面上自動傳動的速度；步驟三:鉆孔內雷達發(fā)射天線的布設；步驟四:按照測線方向布設傳動軌道；步驟五:將三維精細化成像系統(tǒng)中用到的各個設備連接起來；步驟六:利用各個設備之間的配合，依次對各個測試點進行雷達數據采集；步驟七:對采集的數據預處理；步驟八:對雷達探測剖面雷達波速層析反演成像計算；步驟九:對三維雷達波速圖像處理；通過反演成像計算可得到測線剖面的雷達波速分布圖，而測線剖面之間介質的雷達波速通過相鄰測線剖面之間的雷達波速的線性插值得到，從而獲得隧道掌子面前方雷達波速的三維分布圖像，通過對該圖像的分析和解釋，便可直觀、精確地確定隧道前方的地質異常體。所述步驟三的具體步驟為:(3-1)首先把每節(jié)長度為X的雷達發(fā)射天線遞送套管一節(jié)一節(jié)地，通過遞送套管兩端的卡槽拼接向鉆孔深部插入，直到插入鉆孔的最深處；(3-2)把雷達發(fā)射天線安裝到遞送車上，遞送車的輪子插入遞送套管的輪子卡槽中，方便遞送車在套管中較平穩(wěn)地向深部移動；(3-3)根據步驟二確定的發(fā)射天線發(fā)射信號的間距，在遞送車尾部不斷拼接長度為y的遞送桿，知從鉆孔外的遞送動力裝置到鉆孔內的第一個雷達發(fā)射點的遞送距離為m=n*y,其中η為遞送桿的個數，y>0。所述步驟四的具體步驟為:(4-1)把雷達接收天線通過傳動車上的卡槽和彈簧板固定到傳動車上；
(4-2)在隧道掌子面上，按照測線方向布設固定傳動軌道；(4-3)把傳動車安裝到傳動軌道中，雷達接收天線利用傳動車及傳動軌道沿測線移動。所述步驟六的具體步驟為:(6-1)打開雷達主機電源以及計算機；(6-2)打開控制主機，根據步驟二確定的雷達發(fā)射天線遞送間隔和雷達接收天線傳動速度，由控制主機向發(fā)射天線遞送裝置發(fā)送指令，使其移動到鉆孔某一深度，在該位置固定停止，并發(fā)射雷達波，同時由控制主機向雷達接收天線傳動裝置發(fā)送指令，使得雷達接收天線沿著傳動軌道以預設的速度移動，在移動過程中接收雷達波；(6-3)沿一條測線測試完畢，將雷達接收天線由人工轉動到另一條測線進行測量，將所有測線測量完畢后，即完成了一個探測循環(huán)；(6-4)重復步驟三到步驟六，循環(huán)采集數據，由控制主機控制雷達發(fā)射天線沿鉆孔內的遞送套管以一定的間距移動到下一個位置，執(zhí)行下一個探測循環(huán)，直至探測完畢。所述步驟七的具體步驟為:(7-1)對原始雷達數據依次進行數據合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理；(7-2)對雷達接收天線接收的雷達數據依次進行濾波處理、去除隨機噪聲的干擾。所述步驟八的具體步驟為:對預處理后的雷達數據進行反演計算，把每個測線剖面的雷達圖像建立網格，對于第η條射線上的第j個網格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj可由下式計算得到:
權利要求
1.一種基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)，其特征是，它包括雷達發(fā)射天線、雷達接收天線、雷達主機、天線遞送與傳動裝置、控制主機、蓄電池以及計算機；雷達發(fā)射天線通過天線遞送裝置被遞送入鉆孔內，雷達接收天線通過天線傳動裝置在隧道掌子面沿測線移動，雷達發(fā)射天線和雷達接收天線通過電纜與雷達主機連接，雷達主機通過電源線與蓄電池連接，雷達主機通過通信電纜與計算機連接，天線遞送裝置和天線傳動裝置通過通信電纜與控制主機連接，控制主機通過電源線與蓄電池連接，并保證設備的連接過程中處于斷電狀態(tài)，在隧道掌子面上設有若干條測線，所述控制主機控制天線遞送和傳動裝置，從而控制雷達發(fā)射天線在鉆孔內的遞送與雷達接收天線在掌子面沿測線的移動，以鉆孔為中心向外輻射的每一個方向均為一條測線。
2.如權利要求1所述的基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)，其特征是，所述雷達發(fā)射天線通過遞送裝置被送入隧道掌子面中間位置的鉆孔內，雷達發(fā)射天線為桿狀發(fā)射天線，以等間距的形式發(fā)射雷達波信號；所述遞送裝置包括遞送套管、遞送車、遞送桿和遞送動力裝置，遞送車的輪子插入遞送套管的輪子卡槽中，遞送套管與遞送車配套使用，用于遞送車的導向作用，遞送車用于固定發(fā)射天線，便于向鉆孔深部遞送雷達發(fā)射天線，遞送桿與遞送車配套使用，用于天線的遞送與取出，而遞送動力裝置的作用則是提供動力傳送遞送桿，實現雷達發(fā)射天線在鉆孔內的自動遞送。
3.如權利要求1所述的基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)，其特征是，所述傳動裝置包括傳動軌道和傳動車，傳動車沿傳動軌道運動，傳動軌道用于傳動車的導向作用，傳動車用于固定雷達接收天線，便于接收天線沿軌道移動，所述傳動軌道按照測線布設在隧道掌子面上，所述在掌子面上設有六條測線，相鄰兩條測線夾角為60度。
4.基于權利要求1所述的三維精細化成像系統(tǒng)的一種三維精細化成像方法，其特征是，首先在隧道掌子面中間位置打入一個鉆孔，利用單鉆孔，鉆孔里面放置雷達發(fā)射天線，在掌子面上按照輻射狀布置地質雷達接收測線，鉆孔中的發(fā)射天線借助天線遞送裝置遞送到鉆孔某一深度并向掌子面發(fā)射雷達波信號，掌子面上的接收天線借助自動傳動裝置沿輻射狀測線移動，依次掃描并采集雷達信號，完成一次發(fā)射采集循環(huán)，一次發(fā)射采集循環(huán)結束后，孔中的發(fā)射天線借助發(fā)射天線遞送裝置按等間距的形式向鉆孔深部移動，再執(zhí)行下一次發(fā)射采集循環(huán)，最后當雷 達數據全部采集完畢后，對探測數據實施約束反演并實施三維插值成像，實現對隧道掌子面前方地質情況的三維精細化探測。
5.基于權利要求1所述的三維精細化成像系統(tǒng)的一種三維精細化成像方法，其特征是，具體步驟為: 步驟一:預打鉆孔；在隧道掌子面上中間位置垂直打入一個深度為S，孔徑為d的鉆孔，s>0, d>0 ； 步驟二:制定探測方案；根據隧道施工的要求與現場的實際情況，初步制定雷達預測方案，確定雷達發(fā)射天線在鉆孔內每次發(fā)射雷達波信號之間的距離，以及接收天線在隧道掌子面上自動傳動的速度； 步驟三:鉆孔內雷達發(fā)射天線的布設； 步驟四:在每一條測線方向上布設傳動軌道； 步驟五:將三維精細化成像系統(tǒng)中用到的各個設備連接起來； 步驟六:利用各個設備之間的配合，依次對各個測試點進行雷達數據采集；步驟七:對采集的數據預處理； 步驟八:對雷達探測剖面雷達波速層析反演成像計算； 步驟九:對三維雷達波速圖像處理；通過反演成像計算可得到測線剖面的雷達波速分布圖，而測線剖面之間介質的雷達波速通過相鄰測線剖面之間的雷達波速的線性插值得至IJ，從而獲得隧道掌子面前方雷達波速的三維分布圖像，通過對該圖像的分析和解釋，便可直觀、精確地確定隧道前方的地質異常體。
6.如權利要求1所述的一種三維精細化成像方法，其特征是，所述步驟三的具體步驟為: (3-1)首先把每節(jié)長度為X的雷達發(fā)射天線遞送套管一節(jié)一節(jié)地，通過遞送套管兩端的卡槽拼接向鉆孔深部插入，直到插入鉆孔的最深處； (3-2)把雷達發(fā)射天線安裝到遞送車上，遞送車的輪子插入遞送套管的輪子卡槽中，方便遞送車在套管中較平穩(wěn)地向深部移動； (3-3)根據步驟二確定的發(fā)射天線發(fā)射信號的間距，在遞送車尾部不斷拼接長度為y的遞送桿，知從鉆孔外的遞送動力裝置到鉆孔內的第一個雷達發(fā)射點的遞送距離為m=n*y，其中η為遞送桿的個數，y>0o
7.如權利要求1所述的一種三維精細化成像方法，其特征是，所述步驟四的具體步驟為: (4-1)把雷達接收天線通過傳動車上的卡槽和彈簧板固定到傳動車上； (4-2)在隧道掌子面上，按照“全方位輻射狀接收測線”的布設規(guī)則固定傳動軌道； (4-3)把傳動車安裝到傳動軌道中，利用傳動車及傳動軌道沿測線移動。
8.如權利要求1所述的一種三維精細化成像方法，其特征是，所述步驟六的具體步驟為: (6-1)打開雷達主機電源以及計算機； (6-2)打開控制主機，根據步驟二確定的發(fā)射天線遞送間隔和接收天線傳動速度，由控制主機向發(fā)射天線遞送裝置發(fā)送指令，使其移動到鉆孔某一深度，在該位置固定停止，并發(fā)射雷達波，同時由控制主機向接收天線傳動裝置發(fā)送指令，使得接收天線沿著傳動軌道以預設的速度移動，在移動過程中接收雷達波，完成一條輻射狀測線； (6-3)將雷達接收天線導軌由人工轉動到另一條輻射狀測線進行測量，將輻射狀測線測量完畢后，即完成了一個探測循環(huán)； (6-4)重復步驟三到步驟六，循環(huán)采集數據，由控制主機控制發(fā)射天線沿鉆孔內的遞送套管以一定的間距移動到下一個位置，執(zhí)行下一個探測循環(huán)，直至探測完畢。
9.如權利要求1所述的一種三維精細化成像方法，其特征是，所述步驟七的具體步驟為: (7-1)對原始雷達數據依次進行數據合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理； (7-2)對雷達接收天線接收的雷達數據進行濾波處理，去除隨機噪聲的干擾。
10.如權利要求1所述的一種三維精細化成像方法，其特征是，所述步驟八的具體步驟為: 對預處理后的雷達數據進行反演計算，把每個測線剖面的雷達圖像建立網格，對于第η條射線上的第j個網格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj可由下式計算得到:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統(tǒng)，它包括雷達發(fā)射天線等裝置；雷達發(fā)射天線通過雷達天線遞送裝置被遞送入鉆孔內，雷達接收天線通過雷達天線傳動裝置在隧道掌子面沿測線移動，雷達發(fā)射天線和雷達接收天線與雷達主機連接，雷達主機與蓄電池和計算機分別連接，雷達天線遞送裝置和雷達天線傳動裝置與控制主機連接，控制主機通過電源線與蓄電池連接，所述控制主機控制天線遞送和傳動裝置。本發(fā)明同時提出了立體三維觀測方法，配合一種基于多次覆蓋觀測的“發(fā)射接收循環(huán)探測”方式，再利用基于約束反演的速度成像方法和三維插值方法，實現鉆孔周圍介質的三維探測，實現了隧道掌子面前方地質情況的三維精細化探測。
文檔編號G01S13/89GK103076606SQ20131000827
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權日2013年1月10日
發(fā)明者李術才, 劉斌, 徐磊, 孔凡年, 聶利超, 宋杰, 劉征宇, 孫懷鳳, 王傳武, 許新驥, 郝亭宇, 周浩, 張慶松, 李樹忱 申請人:山東大學