本發(fā)明屬于隧道超前預報，具體涉及一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

2、隨著隧道建設規(guī)模與難度的增加，目前主流的地球物理方法受狹小空間和電磁干擾的影響無法精確感知隧洞掌子面前方的有效信息，對隧洞精細超前探測方法的研究不深入，亟需探索出適合隧道復雜環(huán)境的可用精細超前探測方法。

3、聲波遠探測理論的研究基礎和測量方法取得的一系列成果為孔周構造和反射波數(shù)據(jù)處理解釋提供基礎，目前，在反射聲波測量應用較多的成像方法為繞射掃描疊加法、廣義radon變換偏移法、克?；舴蚍e分法偏移、等效偏移距偏移法等，由于聲波遠探測實測數(shù)據(jù)中反射波相對直達波屬于微弱信號，信噪比低，且沿井軸方向地層速度變化較大，需要在偏移的計算速度和效果上做進一步的工作。同時，在定向方法的研究上，常常通過對比不同方位的反射能量強弱來識別反射體走向，這種方法能夠定量確定目標體的方位，但是因為反射波信噪比低以及虛假反射波的干擾，其結果常常誤差較大。因此，為彌補這種缺陷，進一步提升鉆孔聲波數(shù)據(jù)解譯的可靠性，需要提升反射波信噪比，將定向方法與成像方法結合。

4、綜上，目前鉆孔聲波偏移成像方法主要采用射線類方法，它還存在如下的問題：1)把彈性波簡化成射線傳播，與實際情況誤差較大，限制了方法的成像精度。2)成像與定向分別計算，沒有充分利用偶極聲源的優(yōu)勢。3)鉆孔聲波接收器記錄的全波信號包含模式波、反射波等類型，干擾壓制，使得有效信號不明顯，信噪比較差。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法及系統(tǒng)，本發(fā)明可以增強弱反射信號信噪比，同時發(fā)揮偶極子定向性的優(yōu)勢。

2、根據(jù)一些實施例，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，包括以下步驟：

4、獲取響應于同一激發(fā)聲波的不同方位的聲波數(shù)據(jù)，對聲波數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)，直至正交分量消失，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度確定反射體方位；

5、對接收陣列獲取的聲波數(shù)據(jù)進行加權求和得到標量輸出，計算最優(yōu)權值，以最大限度接收來自反射體方位的目標信號，根據(jù)最優(yōu)權值進行加權處理，得到疊加信號；

6、基于處理后的疊加信號，求解三維彈性波波動方程，得到正傳波場與逆?zhèn)鞑▓?，利用互相關成像條件進行偏移成像，得到三維偏移成像結果。

7、作為可選擇的實施方式，所述激發(fā)聲波包括單極子聲源的激發(fā)聲波，以及正交偶極子聲源的激發(fā)聲波。

8、作為可選擇的實施方式，單偶極聲源依次激發(fā)聲波，由四個周向相隔90°的接收傳感器記錄不同方位的四個不同分量波形。

9、作為可選擇的實施方式，利用alford旋轉(zhuǎn)方法對接收到的四分量波形進行旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)到與反射體走向平行或垂直時，旋轉(zhuǎn)后的正交分量消失，即可根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度確定反射體方位。

10、作為可選擇的實施方式，根據(jù)確定的反射體方位，結合單極子激發(fā)時接收的反射波幅度，通過對比兩側(cè)信號的強度，判斷界面方位，sh波反射能量最大角度為反射界面走向角度。

11、作為可選擇的實施方式，對獲取的聲波數(shù)據(jù)進行加權求和得到標量輸出，計算最優(yōu)權值的過程包括：計算接收陣列實際輸出信號和期望輸出信號的誤差，構造代價函數(shù)并不斷迭代，使估計誤差的均方值最小，對其中的權向量求導，得到最優(yōu)權值解。

12、作為可選擇的實施方式，基于處理后的疊加信號，求解三維彈性波波動方程，得到正傳波場與逆?zhèn)鞑▓龅倪^程包括：在點源激發(fā)的條件下，構建三維各向同性介質(zhì)中彈性波動方程，使用高階差分法對所述彈性波波動方程進行差分離散，根據(jù)激發(fā)聲源子波，計算得到正傳波場延拓，將處理后的疊加信號當作激發(fā)聲源，反傳回去，計算得到逆?zhèn)鞑▓鲅油亍?/p>

13、一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像系統(tǒng)，包括：

14、方位確定模塊，用于獲取響應于同一激發(fā)聲波的不同方位的聲波數(shù)據(jù)，對聲波數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)，直至正交分量消失，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度確定反射體方位；

15、自適應波束形成模塊，被配置為對接收陣列獲取的聲波數(shù)據(jù)進行加權求和得到標量輸出，計算最優(yōu)權值，以最大限度接收來自反射體方位的目標信號，根據(jù)最優(yōu)權值進行加權處理，得到疊加信號；

16、偏移成像模塊，被配置為基于處理后的疊加信號，求解三維彈性波波動方程，得到正傳波場與逆?zhèn)鞑▓?，利用互相關成像條件進行偏移成像，得到三維偏移成像結果。

17、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時，完成上述方法中的步驟。

18、一種電子設備，包括存儲器和處理器以及存儲在存儲器上并在處理器上運行的計算機指令，所述計算機指令被處理器運行時，完成上述方法中的步驟。

19、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

20、1、本發(fā)明采用一種隧道孔中聲波定向觀測方式，包括單極子聲源和偶極子聲源，在儀器工作時，單偶極聲源依次激發(fā)聲波，由四個周向相隔90°的接收傳感器記錄不同方位的四個不同分量波形。利用四分量數(shù)據(jù)實現(xiàn)聲波定向發(fā)射定向接收，實現(xiàn)了掌子面前方目標體方位的快速準確判斷。

21、2、本發(fā)明采用一種基于高斯累積量特性的自適應波束形成技術，以增強對來自特定方向的聲波的檢測，同時抑制來自其他方向的噪聲；提高了聲波數(shù)據(jù)的信噪比，并使在嘈雜的隧道環(huán)境中更容易識別相關聲源。

22、3、本發(fā)明將定向聲波探測與三維成像技術相結合，輸入處理后的聲波數(shù)據(jù)，通過有限差分法求解三維彈性波波動方程，獲得聲源和接收換能器延拓波場，再利用互相關成像條件進行偏移成像，獲得三維偏移成像結果，有助于識別潛在的危險，如空洞或不穩(wěn)定的巖層。

23、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

技術特征：

1.一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，所述激發(fā)聲波包括單極子聲源的激發(fā)聲波，以及正交偶極子聲源的激發(fā)聲波。

3.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，單偶極聲源依次激發(fā)聲波，由四個周向相隔90°的接收傳感器記錄不同方位的四個不同分量波形。

4.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，利用alford旋轉(zhuǎn)方法對接收到的四分量波形進行旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)到與反射體走向平行或垂直時，旋轉(zhuǎn)后的正交分量消失，即可根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度確定反射體方位。

5.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，根據(jù)確定的反射體方位，結合單極子激發(fā)時接收的反射波幅度，通過對比兩側(cè)信號的強度，判斷界面方位，sh波反射能量最大角度為反射界面走向角度。

6.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，對獲取的聲波數(shù)據(jù)進行加權求和得到標量輸出，計算最優(yōu)權值的過程包括：計算接收陣列實際輸出信號和期望輸出信號的誤差，構造代價函數(shù)并不斷迭代，使估計誤差的均方值最小，對其中的權向量求導，得到最優(yōu)權值解。

7.如權利要求1所述的一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法，其特征是，基于處理后的疊加信號，求解三維彈性波波動方程，得到正傳波場與逆?zhèn)鞑▓龅倪^程包括：在點源激發(fā)的條件下，構建三維各向同性介質(zhì)中彈性波動方程，使用高階差分法對所述彈性波波動方程進行差分離散，根據(jù)激發(fā)聲源子波，計算得到正傳波場延拓，將處理后的疊加信號當作激發(fā)聲源，反傳回去，計算得到逆?zhèn)鞑▓鲅油亍?/p>

8.一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像系統(tǒng)，其特征是，包括：

9.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其特征是，用于存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時，完成權利要求1-7中任一項所述的方法中的步驟。

10.一種電子設備，其特征是，包括存儲器和處理器以及存儲在存儲器上并在處理器上運行的計算機指令，所述計算機指令被處理器運行時，完成權利要求1-7中任一項所述的方法中的步驟。

技術總結
本發(fā)明提供了一種隧道孔中聲波探測數(shù)據(jù)定向與成像方法及系統(tǒng)，獲取響應于同一激發(fā)聲波的不同方位的聲波數(shù)據(jù)，對聲波數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)，直至正交分量消失，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度確定反射體方位；對接收陣列獲取的聲波數(shù)據(jù)進行加權求和得到標量輸出，計算最優(yōu)權值，以最大限度接收來自反射體方位的目標信號，根據(jù)最優(yōu)權值進行加權處理，得到疊加信號；基于處理后的疊加信號，求解三維彈性波波動方程，得到正傳波場與逆?zhèn)鞑▓?，利用互相關成像條件進行偏移成像，得到三維偏移成像結果。本發(fā)明可以增強弱反射信號信噪比，實現(xiàn)了掌子面前方目標體方位的快速準確判斷。

技術研發(fā)人員：劉征宇,劉斌,董昭,徐曉林,張鳳凱,劉嘉雯
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9