一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法与流程

1.本发明属于超声波岩石测量领域，特别涉及该领域中的一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法，用于岩石试件的纵横波速度超声检测。


背景技术：

2.岩石的声学特性(弹性模量、声速和衰减系数等)是岩石材料的重要参数，它与岩石内部结构和岩石强度有很大相关性。在实验室中，一般是通过超声透射法研究岩石结构和弹性参数关系，即在岩体试件一端发射超声波脉冲，在另一端利用接收换能器接收透射信号，然后分析记录到的波形数据研究其声学参数的变化。但在实际测试中，由于换能器带宽限制、背景噪声干扰、耦合不佳以及岩石频率衰减等原因，会导致接收信号信噪比低、超声波穿透能力不足，从而造成信息识别上的困难。
3.解决上述问题的方法通常是提高发射信号幅度和有效信号的信噪比。大多数超声岩石声速测量装置通过提高激励电压来实现发射信号幅度的提升。考虑到超声换能器承受的极限电压值，以及激励电压增加会加大硬件驱动电路的设计难度，因此，当前测量装置的激励电压大多集中在200v—400v之间。
4.编码激励技术是一种能够提升有效信号信噪比的方法，广泛应用于医学超声成像、雷达系统以及无损检测等领域。该方法利用小功率的信号发生器发射编码信号，就能得到与高功率单脉冲信号相同的信噪比和分辨率。考虑到岩石超声检测问题的复杂性，将编码激励技术引入岩石超声检测领域还存在很多具体问题，如岩石频率相关衰减问题、岩石内部的复杂结构引起的波的非线性传播问题等对编码激励技术压缩性能的影响。虽然有部分研究人员开展了相关的工作，对编码信号在岩石中的传播及其脉冲压机制进行了研究和探讨，但是目前还没有超声岩石声速测量装置将编码激励技术应用于实际的岩石声学特性测量过程。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题就是为了能够在不同条件的岩石超声测量中获取较高的信噪比，提高岩石测量精度，从提高发射信号幅度和有效信号信噪比两方面入手，为实验室岩体试件超声测量提供一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其改进之处在于：包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块；其中主控模块与编码调制模块、发射模块、数据采集模块和数据处理模块电连接，主控模块根据数据处理模块发来的用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；编码调制模块对主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号并发送给发射模块；发射模块根据上述的相位编码信号产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体
发射探头，使纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和a/d转换，得到透射波原始波形，并将其经主控模块上传给数据处理模块。
8.进一步的，主控模块采用zynq-7020作为主控芯片。
9.进一步的，编码调制模块采用spartan6作为主芯片。
10.进一步的，发射模块的激励电压最大达到800v。
11.进一步的，发射模块包括高压mos组合管、继电器和dc可调高压模块；高压mos组合管包括n-mos管、p-mos管和驱动芯片el7222，发射模块将相位编码信号转换为n-mos管和p-mos管的控制信号，n-mos管导通时发射正高压激励信号，p-mos管导通时发射负高压激励信号；主控模块通过继电器控制发射模块切换纵波通道和横波通道；主控模块通过dc可调高压模块设定发射模块的激励电压。
12.进一步的，数据采集模块采用14位高速adc，采样率达65mps。
13.一种测量方法，使用上述的测量装置，其改进之处在于，包括如下步骤：
14.步骤1，将纵横波一体发射探头和纵横波一体接收探头分别贴放于岩石相对的两侧，用户在数据处理模块设定编码和激励电压，选择纵、横波通道，上述设定和选择通过用户指令形式下发给主控模块；
15.步骤2，主控模块根据用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；
16.步骤3，由编码调制模块将主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号s(t)，并发送给发射模块，相位调制函数表示如下：
[0017][0018]
上式中，表示线性卷积，δ()表示方波，t表示时间，t表示终止时刻，0≤t≤t，p(t)为子脉冲函数，c为编码，n为编码长度；
[0019]
步骤4，发射模块按照相位调制后的相位编码信号驱动高压mos组合管，产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波；
[0020]
步骤5，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块；
[0021]
步骤6，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和a/d转换，得到透射波原始波形r(t)并发送给主控模块；
[0022]
步骤7，主控模块将透射波原始波形r(t)上传给数据处理模块，由数据处理模块进行脉冲压缩后得到脉冲压缩波形h(t)，脉冲压缩通过匹配滤波器使信噪比最大化，匹配滤波器的脉冲响应函数表示如下：
[0023]
h(t)＝w
·
s(τ
d-t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
上式中：w为增益因子，τd为激励信号的持续时间，s(τ
d-t)表示τ
d-t时刻的相位编码信号；
[0025]
步骤8，数据处理模块获取脉冲压缩波形h(t)后，利用贝叶斯信息准则自动拾取脉冲压缩波形的初至，并由此计算出被测岩石的波速，贝叶斯信息准则的计算公式如下：
[0026]
bic(q0)＝q0ln(var{x(1,q0)}) (m-q
0-1)ln(var{x(q0 1,m)})-q0ln(m)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
上式中：bic表示观测波形数据的贝叶斯信息值，其最小的点为初至的准确位置，x表示观测波形数据，m是观测波形的采样点数，q0表示初至位置，var表示方差。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
本发明所公开的测量装置，将编码激励技术应用在岩石纵横波声速测量中，可在不损失分辨率的情况下提高观测波形的信噪比；可针对不同岩性的岩石选择不同的激励电压，通过高压激励的方式提高发射信号的幅度，进一步增强观测波形的信噪比；采用纵横波一体式超声探头，可在同一环境下测量岩石的纵波、横波速度，无需反复拆装探头，避免传统设备因更换探头带来的环境因素干扰，同时提高了测量效率。
[0030]
本发明所公开的测量方法，通过采用相位调制与脉冲压缩信号接收技术提高观测波形的信噪比和对岩石纵横波速度的测量精度。
附图说明
[0031]
图1是本发明所公开测量装置的组成框图；
[0032]
图2是本发明所公开测量装置中发射模块的电路示意图；
[0033]
图3是本发明所公开测量方法的流程示意图；
[0034]
图4是编码激励与单脉冲激励的观测波形对比图。
[0035]
附图标记：1—主控模块、2—编码调制模块、3—发射模块、4—纵横波一体发射探头、5—纵横波一体接收探头、6—数据采集模块，7—数据处理模块。
具体实施方式
[0036]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]
实施例1，本实施例公开了一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，用于实验室岩石(岩体试件)的纵横波超声测量，可以解决现有的岩石超声测量过程中观测波形信噪比低、岩石声速测量误差大的问题，能够有效提高实验室岩石(岩体试件)纵横波速度的测量精度和测量效率。
[0038]
如图1所示，测量装置包括主控模块1、编码调制模块2、发射模块3、纵横波一体发射探头4、纵横波一体接收探头5、数据采集模块6和数据处理模块7；采用纵横波一体探头，可以在岩石试件安装成功后，先后进行纵波声速与横波声速的测量，保证在相同的实验环境中进行纵波与横波声速的测量，避免了由于反复更换测量探头操作而引入外部环境的干扰，在增强岩石纵横波速度测量准确性的同时，还提高了测量效率。
[0039]
主控模块与编码调制模块、发射模块、数据采集模块和数据处理模块电连接，主控模块根据数据处理模块发来的用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；编码调制模块对主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号并发送给发射模块；发射模块根据上述的相位编码信号产生正、负高压激励信
号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头，使纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和a/d转换，得到透射波原始波形，并将其经主控模块上传给数据处理模块。
[0040]
主控模块采用zynq-7020作为主控芯片，负责工作流程的控制，指令的接收与执行，激励电压的控制，透射波数据的采集与上传等工作。
[0041]
编码调制模块采用spartan6作为主芯片，负责将二进制编码进行相位调制，产生相位编码信号，避免直接发送编码带来的效率低下问题，能够更好地进行频谱控制。
[0042]
用户可以依据自己需求选择不同的编码与激励电压，发射模块的激励电压最大达到800v，有效地解决了一般超声设备激励电压较低，不能连续激励发送编码的问题，可以产生高幅值的发射信号。
[0043]
纵横波一体探头负责超声信号的产生与接收，该探头能够在测量同一环境下分别产生与接收纵波信号与横波信号。
[0044]
如图2所示，发射模块包括高压mos组合管、继电器和dc可调高压模块；高压mos组合管包括n-mos管q1、p-mos管q2和驱动芯片el7222，可以连续地发送正、负高压激励信号，发射模块将相位编码信号转换为n-mos管和p-mos管的控制信号sigal 和sigal-，n-mos管连接正电压，p-mos管连接负电压，当编码为1时，正脉冲信号sigal 触发n-mos管导通，发射正高压激励信号，当编码为0时，负脉冲信号sigal-触发p-mos管导通，发射负高压激励信号。主控模块通过继电器k1控制发射模块切换纵波通道和横波通道；
[0045]
激励电压由dc可调高压模块提供，该高压模块为电压控制，主控模块通过dc可调高压模块设定发射模块的激励电压。
[0046]
数据采集模块负责透射波电信号的处理与采集，数据采集模块采用14位高速adc，采样率达65mps，可以实现透射波电信号的精确采集。
[0047]
数据处理模块为上位机模块，负责接收主控模块发来的透射波原始波形并进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩波形，进行声波初至的拾取与声速的计算。
[0048]
本实施例还公开了一种测量方法，使用上述的测量装置，包括如下步骤：
[0049]
步骤1，将测量装置正确连接，将纵横波一体发射探头和纵横波一体接收探头分别贴放于岩石相对的两侧，用户在数据处理模块设定编码和激励电压，选择纵、横波通道，上述设定和选择通过用户指令形式下发给主控模块；用户可以通过切换纵、横波通道，实现相同外部环境下的纵横波测量，避免拆装设备带来的外部环境的改变对纵横波声速的影响。
[0050]
步骤2，主控模块根据用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；
[0051]
步骤3，由编码调制模块将主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号s(t)，并发送给发射模块，相位调制函数表示如下：
[0052][0053]
上式中，表示线性卷积，δ()表示方波，t表示时间，t表示终止时刻，0≤t≤t，p
(t)为子脉冲函数，c为编码，n为编码长度；
[0054]
步骤4，发射模块按照相位调制后的相位编码信号驱动高压mos组合管，产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头向岩石发出一组超声机械波；
[0055]
步骤5，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为微弱的透射波电信号并传送给数据采集模块；
[0056]
步骤6，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和a/d转换，得到透射波原始波形r(t)并发送给主控模块；
[0057]
步骤7，主控模块将透射波原始波形r(t)上传给数据处理模块，由数据处理模块进行脉冲压缩后得到脉冲压缩波形h(t)，脉冲压缩可以通过匹配滤波器使信噪比最大化，匹配滤波器的脉冲响应函数表示如下：
[0058]
h(t)＝w
·
s(τ
d-t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
上式中：w为增益因子，τd为激励信号的持续时间，s(τ
d-t)表示τ
d-t时刻的相位编码信号；
[0060]
先对透射波电信号进行前置放大，增益调节，再由数据处理模块进行透射波原始波形的脉冲压缩，可以极大地提高信号的信噪比，从而提取到更加准确的透射波初至。
[0061]
步骤8，数据处理模块获取脉冲压缩波形h(t)后，利用贝叶斯信息准则自动拾取脉冲压缩波形的初至，并由此计算出被测岩石的波速，贝叶斯信息准则的计算公式如下：
[0062]
bic(q0)＝q0ln(var{x(1,q0)}) (m-q
0-1)ln(var{x(q0 1,m)})-q0ln(m)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
上式中：bic表示观测波形数据的贝叶斯信息值，其最小的点为初至的准确位置，x表示观测波形数据，m是观测波形的采样点数，q0表示初至位置，var表示方差。
[0064]
具体的说，以检测长50mm的红砂岩为例，整个测量流程如图3所示。首先，将岩石试件放在测量装置上，并根据岩石的岩性选择适合的激励电压。其次，发射模块根据预设的激励电压和编码信息向发射探头发射正、负高压激励信号，激励信号透过岩石试件，被另一端的接收探头接收，获得岩石测量的原始波形。然后，数据处理模块将采集的原始波形进行脉冲压缩，获取脉冲压缩波形。最后，利用贝叶斯信息准则自动拾取脉冲压缩波形的初至，并由此计算出被测岩石试件的波速。
[0065]
图4给出了红砂岩声速测量中，单脉冲激励与编码激励的观测波形对比图。从图中可以看出，基于编码激励技术的观测波形的信噪比更高，超声波初至更容易被准确拾取。