一种超深防渗墙刷壁施工质量二维热力图可视化系统的制作方法

本发明涉及水利水电施工，尤其涉及地下防渗墙施工质量检测，具体涉及一种超深防渗墙刷壁施工质量二维热力图可视化系统，尤其适用于接头管法施工形成的内凹弧形侧壁泥皮厚度与分布的直观检测领域。

背景技术：

1、超深地下防渗墙是水利枢纽、深基坑支护、尾矿库防渗等工程中的核心止水结构，其施工质量直接决定工程的防渗效果与运行安全。当前超深防渗墙多采用接头管法进行槽段分幅施工，接头管拔除后，槽段端部会形成内凹圆柱弧形侧壁，该侧壁表面残留的泥浆泥皮会直接影响后续混凝土浇筑的接缝结合强度，易形成接缝渗漏通道。

2、现有技术中，防渗墙泥皮检测多采用人工探摸、钻孔取芯、孔内摄像等方式，存在不适应超深地层防渗墙检测或者检测深度有限、效率低、精度差等问题。近年来出现的超声波检测技术虽可实现非接触式检测，但仍存在以下缺陷：其一，超声探头不能满足超深地层检测的压力需求，无法正常工作；其二，检测结果多为离散的数值或曲线，无法直观展示全断面泥皮厚度的分布情况，现场施工人员难以快速判断刷壁质量；其三，缺乏针对弧形侧壁的专用可视化方案，平面坐标系映射易导致坐标偏差，影响缺陷定位精度；其四，检测与施工脱节，无法为刷壁作业提供实时、直观的指导。

3、因此，基于上述技术问题，尤其是针对高海拔地区，特殊地质，以及超深防渗墙的建设需要，亟需研发一种能够直观展示全断面泥皮厚度分布、定位准确、操作简便的超深防渗墙刷壁施工质量可视化系统。

技术实现思路

1、为了解决现有技术无法进行超深防渗墙全深度检测或者无法精准直观的对检测结果可视化的问题，本技术提供一种超深防渗墙刷壁施工质量二维热力图可视化系统，针对性的解决在后续槽段施工前，对于超深防渗墙前序槽段墙体侧壁全深度泥皮附着厚度分布不直观、缺陷定位不准确、现场判断效率低的问题。

2、为了达到上述目的，本技术所采用的技术方案为：

3、一种超深防渗墙刷壁施工质量二维热力图可视化系统，包括依次通信连接的数据采集与同步模块、标准化预处理模块、核心计算模块、二维热力图可视化模块和结果导出模块；所述数据采集与同步模块用于多源数据采集和时间戳同步绑定，生成带空间基准的原始数据集，所述多源数据包括安装在载体上的弧形阵列超声波检测传感器采集的超声波回波数据、深度数据和姿态数据；所述标准化预处理模块用于对原始数据集进行降噪、异常值剔除和坏道屏蔽处理，输出有效回波数据集；所述核心计算模块用于基于有效回波数据集，执行全局柱坐标系配准、重叠区数据融合和双界面识别算法，计算得到全断面泥皮厚度二维矩阵；所述二维热力图可视化模块用于将泥皮厚度二维矩阵转换为二维展开热力图，实现泥皮厚度与分布的直观展示。

4、优选地，所述数据采集与同步模块包括安装在载体上的弧形阵列超声波检测传感器、多通道同步数据采集卡、双轴倾角传感器、深度编码器、井下防爆采集电路和地面终端；所述弧形阵列超声波检测传感器包括弧形的周向管，周向管上采用圆周阵列固定连接有径向管，周向管端部设置有用于消除内外压差的瓣膜堵头；所述多通道同步数据采集卡采用分时轮询触发算法控制各超声传感器依次发射超声脉冲，相邻超声传感器的触发间隔≥200μs。

5、进一步优选地，所述数据采集与同步模块还包括多源数据时间戳同步单元和数据完整性校验单元；所述多源数据时间戳同步单元用于为同一采集时刻的回波数据、深度数据和倾角数据添加相同的毫秒级时间戳，实现多源数据的空间基准绑定；所述数据完整性校验单元采用crc32校验算法对传输的数据包进行校验。

6、优选地，所述标准化预处理模块包括数据解析单元和预处理执行单元；所述数据解析单元用于解析原始数据包，提取各通道回波数据、深度数据和倾角数据；所述预处理执行单元依次执行以下算法：100khz-500khz巴特沃斯带通滤波算法，滤除泥浆环境中的杂波；线性时间增益补偿算法，补偿声波在泥浆中的传播衰减；异常值剔除算法，剔除泥皮厚度超出0-50mm范围的无效数据；坏道屏蔽算法，屏蔽有效回波占比低于预设阈值的故障传感器通道。

7、优选地，所述核心计算模块包括全局柱坐标系配准单元；所述全局柱坐标系配准单元用于建立以被测弧形侧壁中心轴线为z轴，槽段深度方向为正方向、轴线与槽段顶面的交点为坐标原点、曲率中心所在方向为径向的全局柱坐标系，将有效回波数据映射至弧形侧壁曲面；并执行柱面与平面坐标转换算法，将柱坐标系下的(θ,z)坐标转换为二维展开平面的(x,y)坐标，其中x=r×θ，y=z，r为弧形侧壁的设计曲率半径，θ为周向角度，z为深度；同时，根据双轴倾角传感器采集的姿态数据，修正超声传感器与弧形侧壁的法向距离偏差，即根据双轴倾角传感器采集的载体俯仰角和横滚角数据，计算各超声传感器在全局柱坐标系下的空间坐标偏移量，对因载体姿态变化导致的各超声传感器与弧形侧壁之间的法向探测距离变化进行逐传感器修正。

8、进一步优选地，所述核心计算模块还包括周向探测区域划分单元；所述周向探测区域划分单元用于根据超声传感器的-6db半扩散角θ、额定法向检测距离l和弧形侧壁曲率半径r，计算单个超声传感器有效覆盖弧长w：当r/l≥5时，w=2×l×tanθ；当r/l<5时，采用曲率修正公式w=2×r×arcsin((r-l)×tanθ/r)；并根据各超声传感器的安装坐标划定有效波束覆盖弧段，识别相邻传感器的重叠覆盖区域，将弧形侧壁划分为单探头覆盖区与多探头重叠覆盖区。值得说明的是，原平面壁有效覆盖弧长公式w=2×l×tanθ基于"检测面为平面"的假设，当检测面为弧形时，超声波波束的传播路径会发生几何畸变，导致实际覆盖弧长小于平面壁计算值。

9、为了更加方便本领域技术人员理解，就上述公式w=2×l×tanθ推导过程简述如下，在阐述推导过程之前，首先进行相关参数定义，且定义的参数所采用的字母仅限于推导过程的理解，不做其他用途和定义。定义几何模型：

10、o为弧形侧壁的曲率中心，r为弧形侧壁曲率半径；s为超声传感器位置，传感器到弧形侧壁的额定法向距离为l，因此os=r-l；超声传感器的-6db半扩散角为θ，波束边缘与os的夹角为θ；波束边缘与弧形侧壁的交点为a、b，弧ab即为单超声传感器的实际有效覆盖弧长。

11、在osa中，根据正弦定理：，

12、其中，oa=r，os=r-l，∠oas=180°-∠aos-θ；

13、由于波束中心垂直入射弧形侧壁，∠oas≈90°（误差<1°），因此sin∠oas≈1，代入得：，由于θ通常较小，sinθ≈tanθ，因此：

14、；那么，有效覆盖弧长w为弧ab的长度，即曲率修正公式为：；

15、这里关于适用边界与误差分析有：当r/l≥5时，弧形侧壁的曲率影响可忽略，此时：，那么，修正公式退化为平面壁公式w=2×l×tanθ，二者误差<2%，在实际的防渗墙施工工程中足矣接受。

16、再进一步优选地，所述核心计算模块还包括多源数据融合单元；所述多源数据融合单元采用波束中心权重系数法对多探头重叠覆盖区的数据进行融合：计算目标坐标点到各覆盖该点的超声传感器波束轴线的法向垂直距离；计算原始权重系数，；其中，为第i个超声传感器有效覆盖弧段的半弧长；对原始权重系数进行归一化处理得到，；其中，为归一化后的权重系数，n为目标坐标点的超声传感器覆盖数量；采用归一化权重系数对各传感器的厚度值和回波幅值进行加权求和，得到融合后的厚度值和回波幅值。

17、再进一步优选地，所述核心计算模块还包括双界面识别与厚度计算单元；所述双界面识别与厚度计算单元采用双界面特征峰识别算法，识别泥浆与泥皮界面对应的前界面回波峰和泥皮与混凝土墙体界面对应的后界面回波峰；并根据公式计算泥皮厚度，其中t1为前界面回波峰传播时间，t2为后界面回波峰传播时间，c为现场标定的泥浆超声传播声速。

18、优选地，所述二维热力图可视化模块包括坐标映射单元、热力图渲染单元和交互标注单元；所述坐标映射单元用于建立二维平面坐标与泥皮厚度值的对应关系；所述热力图渲染单元采用双线性插值算法将离散厚度数据插值为连续网格数据，并采用线性渐变颜色映射算法渲染热力图，其中蓝色对应0mm、绿色对应2.5mm、黄色对应3mm预警阈值、红色对应≥5mm不合格阈值；所述交互标注单元用于自动提取并标注厚度≥3mm和≥5mm的超标区域，标注内容包括区域最大厚度和位置坐标，并支持鼠标悬停查看任意点的精确厚度、深度和周向位置，支持缩放和平移操作。

19、优选地，还包括结果导出模块，所述结果导出模块与二维热力图可视化模块通信连接；所述结果导出模块用于导出当前视图的高清热力图图片、全断面泥皮厚度数据矩阵和超标区域明细表；其中，导出的高清图片打印分辨率≥300dpi，像素尺寸不低于2480×3508，厚度数据矩阵为csv格式，超标区域明细表包含每个超标区域的位置、最大厚度、平均厚度和面积信息。

20、有益效果：

21、1、本发明通过二维展开热力图直观展示全断面泥皮厚度分布，不同厚度采用不同颜色区分，超标区域自动标注，现场施工人员可一眼判断刷壁质量，大幅提高判断效率。

22、2、本发明采用全局柱坐标系进行数据配准，完美适配弧形侧壁曲面，解决了平面坐标系映射导致的坐标偏差问题，缺陷定位精度可达厘米级。

23、3、本发明系统流程简单，无需复杂设置，施工人员经过简单培训即可上手使用。同时，可直接集成在现有刷壁机超声波检测系统上，无需更换硬件设备，具有较高的兼容性和推广价值。