一种声波聚像成像方法及系统与流程

1.本发明涉及地质监测技术领域，尤其涉及一种声波聚像成像方法及系统。


背景技术：

2.地质勘测技术广泛应用于地质监测，工程爆破，文物防盗监测，煤矿勘察，地表结构组成成分分析、地质结构探索等。具体的，在在土木工程，工程地质行业，其主要采用的探仪器包括，利用单个大震源将振动信号输入到地下(炸药或锤击)，能量在地下传输的方式为球面发散，衰减很快。或者采用相控电火花振源，如申请号为cn102466812a-用于地震勘探的相控阵电火花子震源，上述的两种方式存在的问题在于：1、采用电法形成的测试条件所需的能量较高反而精度较低，如电火花子震源所需的高压条件；2、回波信号信噪比低；3、深部返回的信号频率低，分辨率低。


技术实现要素：

3.针对现有技术中地质勘测存在的上述问题，现提供一种旨在实现提高探测深度及提升探测能力的声波聚像成像方法及系统。
4.具体方案如下：
5.一种声波聚像成像方法，其中，包括以下步骤：
6.s1、复数个采集设备部署在待检测地面，所述复数个采集设备之间形成阵列布局，每个所述采集设备关联有多种频段的信号；
7.s2、每个所述采集设备用以选择至少一种频段的信号同时发出并形成聚焦传输至地下；
8.s3、同时收集地下每种所述频段的信号反馈的振动信号；
9.s4、对收集到的每种所述振动信号进行数模处理，以获取对应每种所述振动信号的波形数据，所述波形数据至少直达波、反射波、面波与外界干扰一种或多种；
10.s5、对每种所述波形数据进行图像数据处理得到地下地质体的反射系数图像；
11.s6、根据所述反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型。
12.优选的，在所述步骤s2中，包括以下步骤:
13.s21、每个所述采集设备用以按照预定时间间隔于不同频段的信号中，同步选择一相同频段的信号；
14.s22、将所有的采集设备发射的能量经过聚焦后传输至地下。
15.优选的，所述步骤s4包括：
16.s41、将收集的所述振动信号转换为电压信号；
17.s42、将所述电压信号经过ad转换成包含波形数据的数字波形图。
18.优选的，对所述波形数据进行处理的方式包括以下步骤：
19.s51、接收原始的所述波形数据；
20.s52、对所述波形数据处理并保存波列图；
21.s53、对所述波列图进行频谱分析；
22.s54、对频谱分析结果进行滤波处理；
23.s55、对滤波处理后的数据依次进行振幅agc处理、增益、反褶积处理；
24.s56、继续对反褶积处理后的数据进行小波变换、短时傅里叶变换，已得到表示地下地质体的所述反射系数图像。
25.优选的，所述步骤s6包括：
26.s61、于已有的反射系数图像获取表示不同地质体的训练数据集；
27.s62、获取所述待分析的反射系数图像，并对所述待分析的反射系数图像进行预处理，已得到预处理后的所述待分析的反射系数图像；
28.s63、建立网络神经处理模型，并通过所述训练数据集对所述网络神经处理模型进行训练；
29.s64、将所述预处理后的待分析的反射系数图像发送至网络神经处理模型，由网络神经处理模型对将待分析的反射系数图像进行地质体识别处理，已获得地质体特征以及所述地质体特征在反射系数图像中的位置；
30.s65、基于所述地质体特征在反射系数图像中的位置，确定地质体类型以及该地质体在地底下位置；
31.s66、基于步骤s65获取的数据，采用bim建模以构建表示地下空间的三维模型。
32.优选的，所述采集设备关联的多种频段的信号包括定频、扫频、伪随机信号。
33.优选的，形成阵列中的所述采集设备共同发送的信号的能量为所有单独所述采集设备发送的能量的平方之和。
34.本发明还包括一种声波聚像成像系统，其中，包括：
35.复数个采集设备，所述复数个采集设备之间形成阵列布局，每个所述采集设备关联有多种频段的信号；
36.所述采集设备包括：
37.信号发送单元，用以将选择的至少一种频段的信号形成聚焦并传输至地下；
38.信号接收单元，用以收集地下每种所述频段的信号反馈的振动信号；
39.处理单元，对收集到的每种所述振动信号进行数模处理，以获取对应每种所述振动信号的波形数据，所述波形数据至少直达波、反射波、面波与外界干扰一种或多种；
40.发送单元，用以将所述波形数据以无线发送方式发出；
41.终端处理设备，与所述采集设备连接；
42.接收单元，用以接收所述采集设备发送的所述波形数据；
43.数据处理单元，用以对每种所述波形数据进行图像数据处理得到地下地质体的反射系数图像；
44.模型构建单元，用以根据所述反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型。
45.优选的，所述采集设备的信号发射单元具有0.5—16000hz的发射频率，其关联的信号包括定频、扫频、伪随机中的任意一种。
46.优选的，形成阵列中的所述采集设备共同发送的信号的能量为所有单独所述采集
设备发送的能量的平方之和。
47.优选的，每个所述采集设备用以按照预定时间间隔于不同频段的信号中，同步选择一相同频段的信号，将所有的采集设备发射的能量经过聚焦后传输至地下。
48.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
49.1)形成阵列的采集设备通过同时将生成的信号发出，已达到有效提高输入到地下的高频信号，减少信号的衰减；
50.2)通过将每个采集设备关联有多个多种频段的信号，本技术方案在实现减少信号的衰减基础之上，能进一步提高地下地质体的识别能力；
51.3)进一步的，多种频段之间可以按照预定时间间隔进行切换，使整个探测过程都在自动执行，减少人力去调控；
52.4)对采集的数据能够做到实时处理，能够及时根据反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型；
53.5)相比电磁波探测电性差异的物探方式，本发明中的声波探测力学差异更适用于岩土工程；
54.6)无需爆炸震源，无损伤探测，不打孔无耗材，探测方式安全环保；
55.7)本发明中采集设备及终端处理设备构成的成像系统，摒弃了传统笨重的可控震源，小型模块式的产品形态方便物探外业运输及部署，大大降低人力成本，提高生产效率。
附图说明
56.参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
57.图1为本发明一种声波聚像成像方法的实施例的流程示意图；
58.图2为本发明一种声波聚像成像方法的实施例中，关于发送信号的流程示意图；
59.图3为本发明一种声波聚像成像方法的实施例中，关于对采集的信号处理的流程示意图；
60.图4为本发明一种声波聚像成像方法的实施例中，关于对波形数据进行处理的流程示意图；
61.图5为本发明一种声波聚像成像系统的实施例的结构示意图。
62.附图标记表示：
63.1、采集设备；2、终端处理设备；11、信号发送单元；12、信号接收单元；13、处理单元；14、发送单元；21、接收单元；22、数据处理单元；23、模型构建单元。
具体实施方式
64.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
66.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
67.如图1所示，一种声波聚像成像方法的实施例，其中，包括以下步骤：
68.s1、复数个采集设备部署在待检测地面，复数个采集设备之间形成阵列布局，每个采集设备关联有多种频段的信号，其中采集设备关联的多种频段的信号包括定频、扫频、伪随机信号；s2、每个采集设备用以选择至少一种频段的信号同时发出并形成聚焦传输至地下；s3、同时收集地下每种频段的信号反馈的振动信号；s4、对收集到的每种振动信号进行数模处理，以获取对应每种振动信号的波形数据，波形数据至少直达波、反射波、面波与外界干扰一种或多种；s5、对每种波形数据进行图像数据处理得到地下地质体的反射系数图像；s6、根据反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型。
69.上述技术方案中，我们假设采集设备配置有12台，12台采集设备于其中后完整自身的状态自检，每个设备包含一唯一编号，当状态自检发现故障时，可根据故障类型生成对应的故障信息，所述故障信息中包含采集设备的唯一编号，通过终端处理设备收集故障信息，保证每个设备处于正常工作状态下。
70.需要说明的是，在步骤s6中，具体包括以下步骤：
71.s61、于已有的反射系数图像获取表示不同地质体的训练数据集；
72.s62、获取待分析的反射系数图像，并对所述反射系数图像进行预处理，已得到待分析的反射系数图像，预处理可包括锁定目标区域图像；
73.s63、建立网络神经处理模型，并通过训练数据集对所述网络神经处理模型进行训练；
74.s64、将待分析的反射系数图像发送至网络神经处理模型，由网络神经处理模型对将待分析的反射系数图像进行地质体识别处理，已获得地质体特征以及所述地质体特征在反射系数图像中的位置；
75.s65、基于所述地质体特征在反射系数图像中的位置，确定地质体类型以及改地质体在地底下位置，地质体包括管道、管廊、人防工程、道路隐患、地下障碍物等，基于地质体特诊对应的纵波速度、密度、泊松比、弹性模量等，可确定地质体在地底下位置；
76.s66、基于步骤s65获取的数据，采用bim建模，以构建表示地下空间的三维模型，该三维模型可应用于建筑规划模型、建筑信息模型、地下三维地图等。
77.上述的网络神经模型可为bp神经网络模型，cnn网络神经模型，通过是上述智能解译方式，能够提高异常的识别效率与准确度，极大提高工程物探行业工程师的工作效率，解放劳动力。
78.采集过程中，我们继续以12台采集设备为例进行说明：
79.步骤1、终端处理设备用以控制启动采集设备，以12道二维采集为例，点击终端采集软件的“扫描”按钮，各模块开始按照预设的参数开始发射接收声波信号，并将波形显示在当前的活动道上(1—12)；
80.步骤2、“叠加”按钮与扫描按钮功能一样，所不同的是模块振动次数。将多次振动波形叠加并显示在对应的道上。
81.步骤3、如果波形记录合格，点击向后滚动，活动道为(7—18道接收信号)，继续返回执行步骤1-2。
82.如果波形记录不合格，点击“采样”或“叠加”，活动道不变，重新执行步骤1-2，并将
波形替换。
83.步骤4、无论是向前滚动还是向后滚动，滚动的只是终端的活动道。采集设备的顺序要与之对应。
84.步骤5、采集到7—18道的数据，将7—12道的数据叠加至前一个采集数据中相应的道上，13—18道显示到对应的示波器道上。
85.步骤6、循环以上步骤1-步骤4。
86.进一步的，对上述的波形数据进行处理，得到地下地质体的反射系数图像；根据反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型。
87.于上述技术方案基础上，进一步的，如图2所示，在步骤s2中，包括以下步骤:
88.s21、每个采集设备用以按照预定时间间隔于不同频段的信号中，同步选择一相同频段的信号；
89.s22、将所有的采集设备发射的能量经过聚焦后传输至地下。
90.上述技术方案中，采集设备关联的多种频段的信号包括定频、扫频、伪随机信号，其中，信号的选择上可以按照预定时间间隔或者自定义选择，使整个探测过程都在自动执行，减少人力去调控。申请人通过研究发现，采用上述相控阵列聚焦成像技术，其有效克服了传统工程物探仪器随着深度增加探测精度迅速降低的弊端，申请人认为是采集设备采用的声波聚像探测方式可使信号形成聚焦，可以有效提高输入到地下的高频信号，另一方面多种信号之间的自动切换选择，提高了地下目标体的识别能力，两者协同作用，从而实现大幅提高弱信号的探测深度及探测能力。相比电磁波探测电性差异的物探方式，声波探测力学差异方式适用范围更广，其更适用于岩土工程。
91.于上述技术方案基础上，进一步的，如图3所示，步骤s4包括：
92.s41、将收集的振动信号转换为电压信号；
93.s42、将电压信号经过ad转换成包含波形数据的数字波形图。
94.于上述技术方案基础上，进一步的，如图4所示，对波形数据进行处理的方式包括以下步骤：
95.s51、接收原始的波形数据；
96.s52、对波形数据处理并保存波列图；
97.s53、对波列图进行频谱分析；
98.s54、对频谱分析结果进行滤波处理；
99.s55、对滤波处理后的数据依次进行振幅agc处理、增益、反褶积处理；
100.s56、继续对反褶积处理后的数据进行小波变换、短时傅里叶变换，已得到表示地下地质体的反射系数图像。
101.于上述技术方案基础上，进一步的，形成阵列中的采集设备共同发送的信号的能量为所有单独采集设备发送的能量的平方之和。
102.本发明还包括一种声波聚像成像系统的实施例，如图5所示，其中，包括：
103.复数个采集设备1，复数个采集设备1之间形成阵列布局，每个采集设备关联有多种频段的信号；
104.采集设备1包括：信号发送单元11，用以将选择的至少一种频段的信号形成聚焦并传输至地下；信号接收单元12，用以收集地下每种频段的信号反馈的振动信号；处理单元
13，对收集到的每种振动信号进行数模处理，以获取对应每种振动信号的波形数据，波形数据至少直达波、反射波、面波与外界干扰一种或多种；发送单元14，用以将波形数据以无线发送方式发出；
105.具体的，采集模块采集的数据为来自于地下的振动信号，经处理单元即地震检波器将振动信号转化为电压信号，经ad转换为数字波形图。每个采集设备采集到的波形包括直达波、反射波、面波与外界干扰。采集的信号经无线传输到终端处理方式。波形根据模块的部署方式，已波列图的形式一一对应，显示在终端处理设备上。
106.终端处理设备2，与采集设备1无线连接；
107.接收单元21，用以接收采集设备发送的波形数据；
108.数据处理单元22，用以对每种波形数据进行图像数据处理得到地下地质体的反射系数图像；
109.模型构建单元23，用以根据反射系数图像中表征的地质体的参数，构建反应地下空间的数据模型。
110.具体的，终端处理设备执行的数据处理过程包括：
111.步骤a,原始波形数据——保存波列图——频谱分析——数字滤波——振幅agc处理——增益——反褶积。
112.步骤b,还包括小波变换、短时傅里叶变换等算法。
113.步骤c,经步骤a与步骤b处理过程，可以得到地下地质体的反射系数图像、该图像反应的是地下地质体的波阻抗界面。
114.步骤d，在波阻抗界面的基础上，可以求解不同深度地质体的属性(纵波速度、密度、泊松比、弹性模量等)更进一步的协助工程师解译。
115.于上述技术方案基础上，进一步的，采集设备的信号发射单元具有0.5—16000hz的发射频率，其关联的信号包括定频、扫频、伪随机信号。进一步的，采集设备的功率在200w-500之间，优选为200w，上述的发送单元可以是3g,4g,5g通信模块中的任一一种。
116.在验证采集设备启动正常后，个别的采集设备可能存在信号干扰或者信号终端不能发送信号数据的问题，采集设备还包括存储单元，用以保存收集的信号数据，其中保存的数据会附带上地理位置标识及时间点以及当前的设备的唯一编号。
117.终端处理设备保存有一采集设备的编码表，编码表中包含有接入的所有采集设备的唯一编号，所有采集设备位置信息精确到分米；
118.在终端处理设备接收到采集设备发送的信号数据后，会判断对应编码表中的所有采集设备中的信号数据是否接收完全，若存在采集设备未发送数据，终端处理设备则会锁定出现异常的采集设备，并基于异常的采集设备的位置信息，锁定距离异常的采集设备(采集设备a)的最近的采集设备(采集设备b)，并向采集设备b发送连接配置指令，配置指令包括采集设备a的设备识别号以及传输连接协议(如，蓝牙传输协议，红外传输协议)，以及请求获取采集设备a的信号数据的请求。采集设备b基于所述配置指令与采集设备a建立连接后，发送请求获取采集设备a的信号数据的请求，采集设备a根据所述请求将获取的信号数据传输至采集设备b，采集设备b将获取的数据转发至终端处理设备。上述方案能够使采集设备与终端处理设备之间出现通讯故障时，还能使终端处理设备获取到出现故障的采集设备的采集数据。
119.于上述技术方案基础上，进一步的，形成阵列中的采集设备共同发送的信号的能量为所有单独采集设备发送的能量的平方之和。
120.于上述技术方案基础上，进一步的，每个采集设备用以按照预定时间间隔于不同频段的信号中，同步选择一相同频段的信号，将所有的采集设备发射的能量经过聚焦后传输至地下。
121.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。