测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统及方法

1.本技术属于深地工程技术领域，涉及深地条件下对岩体进行声学成像技术，尤其涉及测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统。


背景技术：

2.岩体作为地质体，其内部是一个黑箱，若能准确获知其内部状态，则会大大推动基础理论研究和工程应用的发展。然而，肉眼无法直接观测岩体内部状态，实现对岩体内部状态信息的获取，需要借助先进的测试设备和技术。
3.室内测试岩体内部状态有多种技术手段，诸如工业ct扫描、核磁共振扫描等等。但在岩石内部状态成像方面，目前应用的有ct扫描、核磁共振扫描。ct扫描是基于x射线透射原理进行成像，虽然该方法可以观测到岩石内部的结构状态，但完成单次扫描通常需要2个小时以上，而岩石的单次力学测试过程通常在10分钟左右，显然该方法不能满足实时成像对扫描速率和精度的要求，并且该方法目前还无法实现深地复杂耦合条件下的综合测试。核磁共振扫描是基于被测试的岩石可以用水或油进行饱和，进而对其中的氢原子分布进行测试，并基于此进行岩石内部结构状态成像，该技术不仅要求被测物体中不能有金属矿物，而且仍未能实现深地复杂耦合条件下的综合测试。
4.虽然弹性波中的纵波和横波在室内岩石状态测试中得到了一定应用，然而目前未能实现同时用两种不同类型波对岩石状态的同步监测；且对岩石状态的测试和分析仅仅是基于压缩波，未能有效考虑融合剪切波测试岩石裂纹展布方向的异性状态等，从而难以实现对岩体在深地条件下状态演变的有效获取。


技术实现要素：

5.本发明目的旨在针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统，能够实时获取基于纵波和横波的声学图像，从而实现在深地条件下岩体状态演变。
6.为达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。
7.本发明的发明思路为：在深地模拟环境中的测试岩体两端分别设置两个以上的激发传感器和接收传感器；每个激发传感器均可以发送给多个接收传感器，从而实现多发多收，每个接收传感器接收来自不同路径的激发信号，从而得到更加全面的测试岩体在深地条件下状态演变的声学图像，为岩体力学性能(包括动弹性模量、动刚性模量/动剪切模量、动拉梅系数、动体积模量、动泊松比等)分析提供有效数据支持。
8.基于上述分析，本发明提供的测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统，其包括顺次布设的显示与存储模块、综合处理模块、触发信号触发模块、触发信号调理模块、前端信号激发模块、深地环境模拟舱、后端信号调理模块和终端信号同步模块；
9.显示与存储模块，用于显示和存储不同深地条件下演变声学图像；所述声学图像为基于波速得到的测试岩体力学参数演变图；
10.综合处理模块，用于将接收的信号触发指令发送给同步信号触发模块，并将深地环境模拟控制以及加载控制指令发送给模拟深地环境的测量和控制模块；同时将接收的来自终端信号同步模块和模拟深地环境的测量和控制模块返回的数据进行汇总，获取不同深地环境模拟工况条件下的波速变化，再依据波速变化计算得到测试岩体力学参数演变图即声学图像；
11.触发信号触发模块，用于依据接收的信号触发指令，产生初始的触发信号；
12.触发信号调理模块，用于对触发信号进行初步调节，之后发送给前端信号激发模块；同时将确定的起始时刻和初步调节后的触发信号通过同步通路发送给终端信号同步模块；
13.前端信号激发模块，用于确认信号激发通道，并对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号，再将激发信号通过对应的信号激发通道发送到深地环境模拟舱；所述前端信号激发模块包括激发通道选择模块、信号调制器和激发通道转换模块；所述激发通道选择模块用于确定发生激发信号的两个以上的激发通道；所述信号调制器用于对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号；所述激发通道转换模块用于将激发信号经相应的激发通道发送至深地环境模拟舱，同时将相应的激发通道信息发送给终端信号同步模块；所述激发通道选择模块与信号调制器并联后接入激发通道转换模块；
14.深地环境模拟舱，用于模拟深地环境和进行加载与测量控制；所述深地环境模拟舱内测试岩体上安装有由两个以上激发传感器组成的激发传感器组和由两个以上接收传感器组成的接收传感器组；激发传感器组各激发传感器与激发通道转换模块的相应激发通道连接；接收传感器组各接收传感器与后端调理模块连接，接收传感器组接收的波类型包括纵波或/和横波；
15.后端信号调理模块，用于对接收信号进行调节，并确定接收通道及接收信号类型；
16.终端信号同步模块，用于对各接收通道接收信号与激发通道和触发信号进行同步处理，并将同步处理后各通道接收信号和与之同步的触发信号反馈给综合处理模块；
17.模拟深地环境的测量和控制模块，用于依据接收的深地环境测量和控制指令，对深地环境模拟舱内工况条件进行测量和控制，并将监测数据反馈给综合处理模块。
18.上述显示与存储模块，主要用于依据综合处理模块传输的数据，显示和存储不同深地环境模拟工况条件(简称深地条件)下的声学图像，声学图像为基于波速得到的测试岩体力学参数演变图；所述力学参数包括动弹性模量、动刚性模量/动剪切模量、动拉梅系数、动体积模量、动泊松比等；可以采用本领域常规的配备显示功能的计算机、笔记本、平板等实现。
19.上述综合处理模块，主要是用于数据转换和指令发送。综合处理模块依据来自操作者的操作请求，生成信号触发控制指令和深地环境模拟条件控制指令，并可以按照时序控制来执行。综合处理模块还可以进行数字模拟信号转换，用于将控制指令转换成相应的电信号或者将相应的电信号转换成数字信号。综合处理模块将接收的来自终端信号同步模块和模拟深地环境的测量和控制模块返回的数据进行汇总，获取不同深地环境模拟工况条件下的波速变化，再依据波速变化计算得到测试岩体力学参数演变图。本发明中，综合处理模块可以通过常规控制器，例如可编程逻辑控制器(plc)来实现。
20.上述触发信号触发模块，用于依据综合处理模块发送的信号触发指令，产生可以继续向后续传递指令的触发信号。这里，触发信号触发模块可以采用高压超声脉冲信号发射器(dpr300)来实现。
21.上述触发信号调理模块，目的是将触发信号触发模块发送的触发信号进行信号强度、能量量级、缩放状态等进行初步和粗略的调节和控制，使信号达到基本稳定状态。同时，触发信号调理模块还可以对触发启示时刻进行设定，并将触发起始时刻和初步调节后的触发信号通过同步通路发送给终端信号同步模块。这里，触发信号调理模块可以采用超声波放大器(panametrics 5660c)来实现。
22.上述前端信号激发模块，目的是确定激发通道和对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号。当有多个激发通道时，通过激发通道选择模块确定激发信号的激发通道，可以采用多通道选择芯片来实现。信号调制器事先设定好输出的激发信号波形(例如可以为方波、斜波、三角波或随机波等)和状态参量(例如时长、频率或/和增益等)，然后依据接收的初步调节后的触发信号，产生相应的激发信号。激发通道转换模块，包括与各激发传感器连接的相应激发通道，依据设定好多个激发通道的激发次序等进行激发信号输出和激发通道转换；所述激发通道转换模块还将确定的通道信息发送给终端信号同步模块。所述前端信号激发模块还包括设置于激发通道选择模块所在支路的第一通断控制器。当激发传感器只需要一个时，不存在对激发通道选择的问题，可以直接从信号调制器将激发信号发送到指定的激发传感器，以提高信号处理效率。
23.上述深地环境模拟舱，可以采用本领域已经披露的常规模拟深地环境的三轴压力室，区别在于，这里包括由两个以上激发传感器组成的激发传感器组和两个以上接收传感器组成的接收传感器组；激发传感器组与激发通道转换模块输出端连接；接收传感器组与后端信号调理模块连接。
24.激发传感器组和接收传感器组安装方式包括以下方式中的至少一种：
25.(1)激发传感器组安装于深地环境模拟舱内测试岩体荷载加载端的一端，可以设置于测试岩体一端设置的加载垫块内；在优选实现方式中，各激发传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将激发传感器与渗流通道错位设置；接收传感器组安装于测试岩体荷载加载端的相对端；可以设置于岩体样品另一端设置的加载垫块内；在优选实现方式中，各接收传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将接收传感器与渗流通道错位设置；
26.(2)激发传感器组和接收传感器组分别沿测试岩体轴向均匀排布；沿测试岩体轴向分布的激发传感器与接收传感器数量相同或不同。
27.上述后端信号调理模块，其包括信号采集板、接收信号放大模块和接收通道甄别模块。所述信号采集板与各个接收传感器连接，用于将接收传感器发送的信号发送给接收信号放大模块。所述接收信号放大模块用于对接收传感器的信号进行放大，由于接收到的信号毕竟很弱，若不进行放大调节，无法进行后续传输。所述接收通道甄别模块用于确定接收信号对应的接收通道以及波的类型；当接收传感器有两个以上时，不同传感器接收的信号可能是纵波或横波，且不同接收传感器的布置位置也是不同的，该接收通道甄别模块即是用于接收传感器的甄别和确定作用，由于接收传感器布设位置和接收信号类型是预先设定的，可以通过设置与接收传感器相应的接收通道来实现，当接收传感器确定了，其对应的
信号类型也同时确定，同时接收通道也确定了。此外，所述后端信号调理模块还可以包括设置于信号采集板与接收信号放大模块之间的接收信号时差控制模块，当前端对应的单个激发传感器连续进行多次激发时，在接收端连接采集传感器的采集板有多个时，可通过接收信号时差控制模块来控制各采集板之间信号传输的时间间隔。所述后端信号调理模块还包括与接收通道甄别模块并联的信号传输通道，接收通道甄别模块所在支路接入第二通断控制器。通过第二通断控制器实现对接收通道甄别模块与信号传输通道的选择，当接收传感器只需要一个时，不存在对接收通道及类别甄别的问题，可以直接从信号传输通道到达终端信号同步模块，以提高信号处理效率。
28.上述终端信号同步模块，用于对各接收通道接收信号与触发信号和激发通道进行同步处理。终端信号同步模块包括信号汇集模块、接收信号起点匹配模块、触发信号起点匹配模块以及信号同步输出模块。所述信号汇集模块用于汇集接收各通道及相应接收信号、触发信号、触发起始时刻信号和激发通道信息。所述接收信号起点匹配模块用于将各接收信号和相应接收通道及触发起始时刻信号进行匹配，从而确定接收信号及相应接收通道的起始时刻。所述触发信号起点匹配模块用于将触发信号、激发通道和触发起始时刻信号进行匹配，从而确定触发信号及相应激发通道的起始时刻。所述信号同步输出模块用于将确定触发起始时刻的接收信号及相应接收通道和触发信号及相应激发通道进行同步输出。
29.上述模拟深地环境的测量和控制模块所测量和控制的工况条件包括温度场、应力场(即压强环境)、渗流场、荷载等。所述模拟深地环境的测量和控制模块包括深地温度场测量和控制模块、深地应力场触发和同步接收模块、深地渗流场测量和控制模块、试件承受荷载测量和控制模块、试件变形状态测试模块和深地测量和控制信号转换调理模块。
30.本发明进一步提供了一种测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像方法，使用上述声学实时成像系统，可以按照以下步骤执行：
31.步骤一：显示与存储模块将来自操作者的信号触发指令和信号触发指令发送给综合处理模块；综合处理模块将接收的信号触发指令发送给触发信号触发模块，并将深地环境模拟控制指令发送给模拟深地环境的测量和控制模块；
32.步骤二：模拟深地环境的测量和控制模块依据接收的深地环境控制指令，对深地环境模拟舱内工况条件进行控制，并将监测数据反馈给综合处理模块；
33.步骤三：触发信号触发模块，依据接收的信号触发指令，产生初始的触发信号；触发信号调理模块对触发信号进行初步调节，之后发送给前端信号激发模块；同时将确定的起始时刻和初步调节后的触发信号通过同步通路发送给终端信号同步模块；
34.步骤四：前端信号激发模块，确定激发通道；同时对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号，并将激发信号按照设定的激发通道发送到深地环境模拟舱中的激发传感器；接收传感器将接收的信号发送给后端信号处理模块；
35.步骤五：后端信号调理模块对接收信号进行调节，并确定接收通道及接收信号类型；
36.步骤六：终端信号同步模块对各接收通道接收信号与触发信号和激发通道进行同步处理，并将同步处理后接收信号及相应接收通道和与之同步关联的触发信号及相应激发通道反馈给综合处理模块；
37.步骤七：综合处理模块将模拟深地环境的测量和控制模块和终端信号同步模块反
馈的数据进行汇总，获取不同深地环境模拟工况条件下的波速变化，再依据波速变化计算得到测试岩体力学参数演变图即声学图像，结合深地环境模拟舱中对测试岩体受力变形的相关加载控制和测量结果监测数据，返回至显示与存储模块进行实时显示和存储。
38.本发明提供的测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统及方法，测试岩体两端或/和侧表面安装激发传感器组和接收传感器组；前端通过触发信号触发模块、触发信号调理模块和前端信号激发模块获得输入设定激发通道激发传感器的激发信号，后端通过后端信号调理模块、终端信号同步模块来对接收信号区分通道和进行同步处理，得到同步的接收信号及相应接收通道和触发信号及相应激发通道，并生成声学实时图像通过显示与存储模块进行显示；同时通过模拟深地环境的测量和控制模块，模拟测试岩体所在的深地环境。本发明具有以下有益效果：
39.(1)本发明在测试岩体不同位置分别布置多个激发传感器和接收传感器，通过控制不同激发传感器、接收传感器，可以实现对测试岩体状态演变过程中的全方位声学图像(包括纵波和横波)；
40.(2)本发明通过多种信号调理模块的布设，能够在深地复杂环境中实现对不同激发传感器的信号激发以及不同接收传感器的信号接收；
41.(3)本发明能够实现对不同接收传感器的同步测试，从而确保接收信号的真实性，避免对分析结果的误导；
42.(4)实现了模拟深地环境测量和控制与弹性波(纵波和横波)测试的融合，后处理简单、省时，同时避免了两个测试单元因时差导致的分析结果不可靠难题。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，或者是用实物近似形态代表的其他相关附图。
44.图1为测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统框架示意图。
45.图2为深地环境模拟舱结构示意图。
46.图3为提供的第一种测试岩体上激发传感器与接收传感器排布示意图；其中(a)为主视角度的剖面图，(b)为俯视角度的剖面图。
47.图4为提供的第二种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图；其中(a)为主视角度的剖面图，(b)为俯视角度的剖面图。
48.图5为提供的第三种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
49.图6为提供的第四种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
50.图7为提供的第五种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
51.图8为提供的第六种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
52.图9为提供的第七种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
53.图10为动弹性模量ed的实时演化示意图；其中，rc表示抗压强度/或最大承载能力。
具体实施方式
54.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
55.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
56.实施例1
57.本实施例提供的测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统主要是针对在测试岩体上设置两个以上激发传感器和两个以上接收传感器时，如何实现声学实时成像。如图1所示，本实施例提供的测试岩体在深地条件下状态演变的声学实时成像系统包括显示与存储模块1、综合处理模块2、触发信号触发模块3、触发信号调理模块4、前端信号激发模块5、后端信号调理模块7、终端信号同步模块8和模拟深地环境的测量和控制模块10。
58.下面对各部件进行详细解释。
59.(一)显示与存储模块
60.显示与存储模块1，用于显示和存储不同深地条件下演变声学图像，声学图像为基于波速得到的测试岩体力学参数演变图；力学参数包括动弹性模量、动刚性模量/动剪切模量、动拉梅系数、动体积模量、动泊松比等。可以采用本领域常规的配备显示功能的计算机、笔记本、平板等实现。
61.(二)综合处理模块
62.综合处理模块2，主要是用于数据转换和指令发送。用于将接收的信号触发指令发送给同步信号触发模块3，并将深地环境模拟控制指令发送给模拟深地环境的测量和控制模块10；同时将接收的来自终端信号同步模块8和模拟深地环境的测量和控制模块10返回的数据进行汇总，获取不同深地环境模拟工况条件下的波速变化，再依据波速变化计算得到测试岩体力学参数演变图即声学图像。综合处理模块依据来自操作者的操作请求，生成信号触发控制指令和深地环境模拟条件控制指令，并可以按照时序控制来执行。综合处理模块还可以进行数字模拟信号转换，用于将控制指令转换成相应的电信号或者将相应的电信号转换成数字信号。综合处理模块可以通过常规控制器，例如可编程逻辑控制器(plc)来实现。
63.(三)触发信号触发模块
64.触发信号触发模块3，用于依据综合处理模块发送的信号触发指令，产生可以继续向后续传递指令的触发信号。这里，触发信号触发模块可以采用高压超声脉冲信号发射器(dpr300)来实现。
65.(四)触发信号调理模块
66.触发信号调理模块4，目的是将触发信号触发模块发送的触发信号进行信号强度、能量量级、缩放状态等进行初步和粗略的调节和控制，使信号达到基本稳定状态。用于对触发信号进行初步调节，之后发送给前端信号激发模块；触发信号调理模块还可以对触发起
始时刻进行设定，并将确定的起始时刻和初步调节后的触发信号通过同步通路9发送给终端信号同步模块8。这里，触发信号调理模块可以采用超声波放大器(panametrics 5660c)来实现。
67.(五)前端信号激发模块
68.前端信号激发模块5，目的是确定激发通道和对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号，并将激发信号发送到深地环境模拟舱中的激发传感器。前端信号激发模块5包括激发通道选择模块5-1、信号调制器5-2和激发通道转换模块5-3。
69.激发通道选择模块5-1用于确定激发信号的激发通道，可以采用多通道选择芯片来实现。
70.信号调制器5-2事先设定好输出的激发信号波形(例如可以为方波、斜波、三角波或随机波等)和状态参量(例如时长、频率或/和增益等)，然后依据接收的初步调节后的触发信号，产生相应的激发信号。
71.激发通道转换模块5-3，包括与各激发传感器连接的相应激发通道，对设定好多个激发通道的激发次序等进行确激发信号输出和激发通道转换。激发通道转换模块还将确定的通道信息发送给终端信号同步模块。激发通道转换模的各激发通道与激发通道选择模块的相应预设接口电连接，依据激发通道选择模块预设接口电平输出来选择激发通道。
72.前端信号激发模块5-1还包括设置于激发通道选择模块所在支路的第一通断控制器5-4。当激发传感器只需要一个时，不存在对激发通道选择的问题，可以直接从信号调制器5-2将激发信号发送到指定的激发传感器，以提高信号处理效率。
73.(六)深地环境模拟舱
74.深地环境模拟舱6用于模拟深地环境。
75.本实施例所针对的深地环境模拟舱6，如图2所示，其包括安装于底座a-13上的模拟深地环境的三轴压力室，安装于三轴压力室内三轴渗流承载底盘a-12上的试件组件，加载于试件组件上的施加荷载立柱。试件组件包括测试岩体a-9，测试岩体a-9上下两端分别通过上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4安装于施加荷载立柱a-11和三轴渗流承载底盘a-12之间；上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4为u型结构，开口端设有加载垫块盖板a-2，两者之间通过连接螺栓a-1连接。上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4中间位置分别开设并安装有第一渗流通道a-7和第二渗流通道a-8。底座a-13上安装有围压介质进出管a-14。为了实现模拟深地条件下测试岩体中纵横波的测试，深地环境模拟舱内测试岩体上安装有两个以上激发传感器a-5组成的激发传感器组和两个以上接收传感器a-6组成的接收传感器组。激发传感器的波类型为纵波(即压缩波)；接收传感器组接收的波类型包括纵波或/和横波。激发传感器和接收传感器均采用的是超声波传感器。
76.激发传感器组和接收传感器组安装方式包括以下方式中的至少一种：
77.(1)激发传感器组安装于深地环境模拟舱内测试岩体荷载加载端的一端，可以设置于测试岩体一端设置的加载垫块内；在具体实现方式中：各激发传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将激发传感器与渗流通道错位设置；
78.接收传感器组安装于测试岩体荷载加载端的相对端；可以设置于岩体样品另一端设置的加载垫块内；在具体实现方式中：各接收传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀
排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将接收传感器与渗流通道错位设置；不同类型接收传感器，其位置可以是逐个交错的，目的是便于使用同源双波(即纵波和横波)对深地条件下岩体状态进行实时成像，是由于岩石毕竟不是理想的均质体，一定存在各向异性，故用交替安装的纵波和横波接收传感器，可以保障测试结果更加符合实际。
79.激发传感器和接收传感器数量可以相同或不同。
80.(2)激发传感器组和接收传感器组分别沿测试岩体轴向均匀排布；沿测试岩体轴向分布的激发传感器与接收传感器数量相同或不同。不同类型接收传感器，其位置可以是逐个交错的，目的是便于使用同源双波(即纵波和横波)对深地条件下岩体状态进行实时成像，是由于岩石毕竟不是理想的均质体，一定存在各向异性，故用交替安装的纵波和横波接收传感器，可以保障测试结果更加符合实际。
81.例1，图3提供了针对圆柱形测试岩体，荷载加载端和相对端分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含4个激发传感器，接收传感器组包含4个接收传感器。4个激发传感器a-5安装于上部加载垫块u型结构底部，且4个激发传感器a-5沿上部加载垫块周向均匀排布；4个接收传感器a-6沿下部加载垫块径向排布安装于下部加载垫块u型结构底部，且4个接收传感器a-6沿下部加载垫块周向均匀排布；不同类型接收传感器，其位置逐个交错布置。
82.例2，图4提供了针对圆柱形测试岩体，荷载加载端和相对端以及沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含13个激发传感器(a-5，a-10)，接收传感器组包含13个接收传感器(a-6，a11)。4个激发传感器a-5安装于上部加载垫块u型结构底部，且4个激发传感器a-5沿上部加载垫块周向均匀排布；4个接收传感器a-6沿下部加载垫块径向排布安装于下部加载垫块u型结构底部，且4个接收传感器a-6沿下部加载垫块周向均匀排布。另外9个激发传感器a-10和9个接收传感器a11沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器a-10与接收传感器a11位置一一对应。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
83.例3，图5提供了针对圆柱形测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含9个激发传感器a-10；接收传感器组包含27个接收传感器a-11，27个接收传感器分为三列，每列9个接收传感器。9个激发传感器a-10沿测试岩体轴向均匀分布，三列接收传感器均沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器组与三列接收传感器沿测试岩体周向均匀分布。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
84.例4，图6提供了针对圆柱形测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含9个激发传感器a-10；接收传感器组包含63个接收传感器，63个接收传感器分为七列，每列9个接收传感器。9个激发传感器a-10沿测试岩体轴向均匀分布，七列接收传感器均沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器组与三列接收传感器沿测试岩体周向均匀分布。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
85.例5，图7提供了针对正方体测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含9个激发传感器a-10；接收传感器组包含9个接收传感器a-11。9个激发传感器a-10和9个接收传感器a11沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器a-10与接收传感器a11位置一一对应。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
86.例6，图8提供了针对正方体测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和
接收传感器组的例子。激发传感器组包含9个激发传感器a-10；接收传感器组包含27个接收传感器a-11，27个接收传感器分为三列，每列9个接收传感器。9个激发传感器a-10沿测试岩体轴向均匀分布，三列接收传感器均沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器组与三列接收传感器沿测试岩体周向均匀分布。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
87.例7，图9提供了针对正方体测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器组和接收传感器组的例子。激发传感器组包含27个激发传感器a-10，27个激发传感器分为三列；接收传感器组包含81个接收传感器，81个接收传感器分为九列，每列9个接收传感器。三列个激发传感器a-10沿测试岩体轴向均匀分布在其一个侧面，9列接收传感器均沿测试岩体轴向均匀分布另外三个侧面。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
88.对于测试岩体上下两端安装的激发传感器和接收传感器，使用时，激发传感器是分别激发，比如第一个激发后，接收端安装的不同类型的接收传感器开始同步接收到达信号；然后第二个激发传感器激发，接收端所有的传感器仍同步接收；依次类推，接收端所有信号逐个完成激发。
89.对于测试岩体表面沿轴向安装的激发传感器和接收传感器，使用时，当一个激发传感器发出激发信号时，安装在同一个面上的激发传感器不接收该激发传感器发出的信号(比如图4，安装在加载垫块内的激发传感器，若一个激发传感器a-5激发，由于其他几个激发传感器a-5和当前发出激发信号的在一个平面上，故不用做接收传感器使用。但是，安装在侧面的作为激发用的传感器a-10，则可以作为接收信号的接收传感器使用，比如图4中安装在岩石侧面的激发传感器；同理，图4中安装在侧面的多个激发传感器a-10，当其中一个激发时，其余的不用做接收传感器，相反，此时安装在加载垫块内的激发传感器a-5，则可以用作接收传感器，上述测试方法是非平透法监测)。另外一种实现方式中，每次采集时，除了当前激发传感器用于激发而不能同时用作采集外(也就是不能自己激发又同时自己接收)，也可以把其他安装在与当前激发传感器在一个面上的激发传感器作为接收传感器使用，这种测试方法是平透法监测。上述这样做的目的，是为了保证获得更好的监测信息和成像结果更加符合实际，并且可以提高成像的效果和精度。
90.(七)后端信号调理信号
91.后端信号调理模块7用于对接收信号进行调节，并确定接收通道及接收信号类型。
92.后端信号调理模块7包括信号采集板、接收信号时差控制模块7-1、接收信号放大模块7-2和接收通道甄别模块7-3。
93.信号采集板与各个接收传感器连接，用于将接收传感器发送的信号发送给接收信号放大模块。当前端对应的单个激发传感器连续进行多次激发时，在接收端连接采集传感器的采集板有多个时，可通过接收信号时差控制模块来控制各采集板之间信号传输的时间间隔。接收信号时差控制模块可以采用model di-1100来实现。
94.接收信号放大模块用于对接收传感器的信号进行放大，由于接收到的信号毕竟很弱，若不进行放大调节，无法进行后续传输。接收信号放大模块包括预设数量的接收信号放大单元，接收信号放大单元可以采用ae2a/ae5a
–
wide bandwidth ae amplifier来实现。
95.接收通道甄别模块7-3用于确定接收信号对应的接收通道以及波的类型。当接收传感器有两个以上时，不同传感器接收的信号可能是纵波或横波，且不同接收传感器的布置位置也是不同的，该接收通道甄别模块即是用于接收传感器的甄别和确定作用，由于接
收传感器布设位置和接收信号类型是预先设定的，接收通道甄别模块可以通过设置与接收传感器相应的接收通道来实现，当接收传感器确定了，其对应的信号类型也同时确定，同时接收通道也确定了。接收信号放大单元设置于接收信号通道甄别模块中每个接收通道之前。
96.后端信号调理模块还包括与接收通道甄别模块并联的信号传输通道，接收通道甄别模块所在支路接入第二通断控制器7-4。通过通断控制器实现对接收通道甄别模块与信号传输通道的选择，当接收传感器只有一个时，不存在对接收通道及类别甄别的问题，可以直接从信号传输通道到达终端信号同步模块，以提高信号处理效率。第二通道控制器7-4可以采用常规选择开关来实现。同时，信号传输通道上也设置有用于对信号进行放大调节的接收信号放大单元。
97.(八)终端信号同步模块
98.终端信号同步模块8，用于对各接收通道接收信号与激发通道和触发信号进行同步处理，并将同步处理后各通道接收信号和与之同步的触发信号反馈给综合处理模块2；
99.终端信号同步模块8包括信号汇集模块8-1、接收信号起点匹配模块8-2、触发信号起点匹配模块8-3以及信号同步输出模块8-4。
100.信号汇集模块8-1用于汇集各接收通道及相应接收信号、触发信号、触发起始时刻信号和激发通道信息。
101.接收信号起点匹配模块8-2用于将各接收信号和相应接收通道及触发起始时刻信号进行匹配，从而确定接收信号及相应接收通道的起始时刻。
102.触发信号起点匹配模块8-3用于将触发信号、激发通道和触发起始时刻信号进行匹配，从而确定触发信号及相应激发通道的起始时刻。
103.信号同步输出模块8-4用于将确定触发起始时刻的接收信号及相应接收通道和触发信号及相应激发通道进行同步输出。这里即将接收信号及相应接收通道的起始时刻与触发信号及相应激发通道的起始时刻进行匹配，从而确定触发信号激发后接收信号真实的起始时刻，并将该时刻和对应的触发信号和接收信号数据同步输出给综合处理模块2。
104.上述信号汇集模块8-1、接收信号起点匹配模块8-2、触发信号起点匹配模块8-3以及信号同步输出模块8-4可以通过系统信号同步控制芯片smartfusion2 soc fpgas来实现。
105.(九)模拟深地环境的测量和控制模块
106.模拟深地环境的测量和控制模块10，用于依据接收的深地环境控制指令，对深地环境模拟舱内工况条件进行控制，并将监测数据反馈给综合处理模块2。
107.模拟深地环境的测量和控制模块所测量和控制的工况条件包括温度场、应力场(即压强环境)、渗流场和荷载等。模拟深地环境的测量和控制模块10包括深地温度场测量和控制模块10-1、深地应力场触发和同步接收模块10-2、深地渗流长测量和控制模块10-3、试件承受荷载测量和控制模块10-4、试件变形状态测试模块10-5和深地测量和控制信号转换调理模块10-6。
108.上述深地温度场测量和控制模块10-1主要由加热装置以及安装于模拟深地环境的三轴压力室a-10内的温度传感器组成。加热处理装置依据温度调控指令通过加热装置对模拟深地环境的三轴压力室a-10内温度进行调控，并通过温度传感器实时测量模拟深地环
境的三轴压力室a-10内的温度，然后经深地测量和控制信号转换调理模块10-6反馈给综合处理模块2。
109.上述深地应力场触发和同步接收模块10-2主要是通过控制围压介质进出管a-14向三轴压力室a-10内通入围压介质，来调控三轴压力室a-10内的压力状态，对样品施加预定的围压压力，并同步对围压压力进行测量。深地应力场触发和同步接收模块10-2可用mts815岩石力学试验机上配套的三轴压力室及围压压力加载和测量的围压柜模块mts286.31实现围压控制和测量，然后经深地测量和控制信号转换调理模块10-6反馈给综合处理模块2。
110.上述深地渗流测量和控制模块10-3，通过控制第一渗流通道a-7和第二渗流通道a-8渗流压力或流量，测量通过样品两端的渗流压力差衰减或通过样品的流量量值，然后经深地测量和控制信号转换调理模块10-6反馈给综合处理模块2，该渗流模块可以采用mts815岩石力学试验机上配套的渗流控制柜模块mts286.20进行实现。
111.上述试件承受荷载测量和控制模块10-4，通过施加荷载立柱a-11向样品施加预定轴向荷载，并通过荷载传感器进行控制和测量。
112.上述试件变形状态测试模块10-5，通过安装于测试岩体侧面的变形测量引伸计(例如mts632.92h-03)进行变形控制和测量。这里变形测量引伸计需要与同侧面的激发传感器或接收传感器错开。
113.然后经深地条件下对岩石进行加载控制和测量等信号经转换调理模块10-6反馈给综合处理模块2。
114.上述深地测量和控制信号转换调理模块10-6，用于将来自综合处理模块的指令，生成用于向深地温度场测量和控制模块10-1、深地应力场触发和接触同步测量和控制模块10-2、深地渗流长测量和控制模块10-3、试件承受荷载测量和控制模块10-4的控制信号，并对来自深地温度场测量和控制模块10-1、深地应力场触发和接触同步测量和控制模块10-2、深地渗流测量和控制模块10-3(mts286.20)和变形状态测试模块10-5(mts632.92h-03)反馈数据进行数据反馈处理，并反馈给综合处理模块2。深地测量和控制信号转换调理模块10-6可以采用mts flextest 60来实现。
115.本实施例还提供了使用上述测试系统来进行深地模拟环境中同源激发岩体纵横波同步测试，可以按照以下步骤执行：
116.步骤一：显示与存储模块1将来自操作者的信号触发指令和信号触发指令发送给综合处理模块2；综合处理模块2将接收的信号触发指令发送给触发信号触发模块3，并将深地环境模拟控制指令发送给模拟深地环境的测量和控制模块10。
117.步骤二：模拟深地环境的测量和控制模块10依据接收的深地环境控制指令，对深地环境模拟舱内工况条件进行控制，并将监测数据反馈给综合处理模块2。
118.模拟深地环境的测量和控制模块10，由深地测量和控制信号转换调理模块10-6进行转换和调理，从而实现温度场、应力场、渗流场、荷载加载、变形等测量与控制，进而同步获得岩石试件在深地复杂条件下变化过程中需要测试的波的变化对应的岩石试件受力状态与变形信息。
119.步骤三：触发信号触发模块3，依据接收的信号触发指令，产生初始的触发信号；触发信号调理模块4对触发信号进行初步调节，之后发送给前端信号激发模块；同时将确定的
起始时刻和初步调节后的触发信号通过同步通路9发送给终端信号同步模块8。
120.步骤四：前端信号激发模块5，确定激发通道；同时对初步调节后的触发信号波形及状态参量进行调节，产生激发信号，并将激发信号按照设定的激发通道发送到深地环境模拟舱中的激发传感器；接收传感器将接收的信号发送给后端信号处理模块7。
121.前端信号激发模块5首先通过可以采用常规信号调制器来实现。事先设定好输出的激发信号波形(例如方波、斜波、三角波、随机波等)和状态参量(例如时长、频率、增益等)，然后依据接收的初步调节后的触发信号，产生相应的激发信号。然后通过确定的激发通道将激发信号输入到深地环境模拟舱6中安装好的测试样品上的激发传感器中，经由该激发传感器发出的信息再由接收传感器进行接收，再传递至后端调理模块7中。
122.步骤五：后端信号调理模块7对接收信号进行调节，并确定接收通道及接收信号类型。
123.当第二通断控制器7-4关闭时，说明只允许安装在样品接收端的一个接收传感器，记录的波的信息的同一种，无需把接收到的波进行分类，可以直接通过信号传输通道传输至接收信号放大模块7-2，按照设定增益进行放大后，直接发送至终端信号同步模块。
124.当第二通断控制器7-4接通时，说明安装在样品接收端的接收传感器两个以上，记录的波的信息有类别的差异，需要按类型进行通道归类。接收信号时差控制模块7-1的作用是，当前端对应的单个激发传感器连续进行多次激发时，需要后端连接的多通道接收的采集板之间相互切换时，设置各个采集控制板之间的时间间隔。然后经由7-1传出的接收信号再传递至接收信号放大模块7-2中，由接收信号放大模块7-2对安装在测试样品接收端各个接收传感器获得的信号分别按设定增益进行信号放大。其后再将由接收通道甄别模块7-3进行通道甄别，之后接收信号通过甄别出的接收通道传输至终端信号同步模块8-1中。
125.步骤六：终端信号同步模块8对各接收通道接收信号与触发信号和激发通道进行同步处理，并将同步处理后接收信号及相应接收通道和与之同步关联的触发信号及相应激发通道反馈给综合处理模块2。
126.当接收信号传递至信号汇集模块8-1后，再将各接收通道及相应接收信号和触发起始时刻信号传递至接收信号起点匹配模块8-2确定接收信号及相应接收通道的起始时刻，同时将触发信号、激发通道和触发起始时刻信号传递至触发信号起点匹配模块8-3确定触发信号及相应激发通道的起始时刻。然后将确定触发起始时刻的接收信号及相应接收通道和触发信号及相应激发通道经信号同步输出模块传输至综合处理模块2。
127.综合处理模块2把声波的数据(触发信号和接收信号)和模拟深地条件下岩石变形及力学等数据都保存于同一个与时间关联的数据文件中，从而实现模拟深地环境测量和控制与弹性波(纵波和横波)测试的融合，为进行力学分析或损失分布状态分析提供有效数据支持，同时避免两个测试单元因时差导致的分析结果不可靠难题。
128.步骤七：综合处理模块2将模拟深地环境的测量和控制模块10和终端信号同步模块8反馈的数据进行汇总，获取不同深地环境模拟工况条件下的波速变化，再依据波速变化计算得到测试岩体力学参数演变图即声学图像，结合深地环境模拟舱中对测试岩体受力变形的相关加载控制和测量结果监测数据，后返回至显示与存储模块1进行实时显示和存储。
129.通过显示与存储模块1可以实时显示不同深地工况条件，及相应工况条件下采集的样品接收端不同位置的横波或纵波数据，以及依据波速变化计算得到测试岩体力学参数
演变图即声学图像。
130.例如，对每个激发波传感器与接收波传感器获得的波信息进行分析(也就是分别计算纵波和横波波速)。根据传感器的布置方式，首先可以获得各个接收传感器记录得到的波形(纵波vp或横波vs)以及激发起始时间t0(vp)或t0(vs)(触发起始时刻，同步得到)和该波对应的到达时间t1(vp)或t1(vs)(接收传感器信号接收时刻)。其次，根据传感器的布置方式，可以确定各个激发传感器与各个接收传感器连续通过测试岩体的距离l1，以及对应接收传感器接收到的对应波通过加载垫块或非岩体内部传播所消耗的时间t2(vp)或t2(vs)(依据传感器的布置方式，利用激发传感器和接收传感器对加载垫块单独测试得到；如果激发传感器和接收传感器均设置在垫块中，则为通过激发和接收两端垫块的总时间；如果激发传感器设置在加载垫块中，接收传感器直接设置在岩体上，则该时间t2为接收到的波通过激发端加载垫块的耗时，反之则为通过接收端加载垫块的耗时；在激发传感器或接受传感器连线之间除了测试岩体外，还可能垫有一定厚度的非岩体物质，则对应声波透过非岩体物质的耗时也可以通过将激发传感器和接收传感器直接安装在对应厚度的该物质上测试得到；如果接收传感器设置在测试岩体侧面，则t2＝0)。
131.根据上面已知vp和vs分别对应的t0(vp)或t0(vs)、t1(vp)或t1(vs)、t2(vp)或t2(vs)和l1，可以根据以下公式分别计算各个接收传感器接收的对应的纵波或横波通过试件的时间
△
t(vp)或
△
t(vs)、以及对应的vp和vs的波速数值，即(公式1)和(公式2)：
132.△
t＝t1-t0-t2
ꢀꢀ
(公式1)
133.v＝l1/
△
t
ꢀꢀ
(公式2)
134.然后根据一下(公式3)-(公式7)可以计算得到力学参数，包括动弹性模量、动刚性模量/动剪切模量、动拉梅系数、动体积模量、动泊松比。
[0135][0136][0137]
gd＝ρv
s2
×
10-3
ꢀꢀ
(公式5)
[0138][0139][0140]
式中：ed为动弹性模量(mpa)；gd为动刚性模量或动剪切模量(mpa)；λd为动拉梅系数(mpa)；kd为动体积模量(mpa)；μd为动泊松比；ρ为岩石密度(g/cm3)。
[0141]
将计算得到的力学参数按照相应激发传感器和接收传感器位置进行绘制，并以不同颜色或者同一颜色的深浅来表示力学参数大小，就可以得到测试岩体在同一深度环境模拟条件下的全方位力学参数分布情况；依次类推，可以得到不同深度环境模拟条件下的力学参数分布情况，进而给出实时演化力学参数图像。
[0142]
图10提供了基于图4给出的激发传感器和接收传感器排布下(其中p波接收传感器和s波接收传感器交替安装)得到的动弹性模量ed的实时演化示意图。从图中可以清楚的看出随着荷载加载变化，测试岩体不同位置的动弹性模量ed的变化情况，这将为不同深地条
件下岩石受力和变形对应的力学参数变化分析提供有效数据支持。
[0143]
上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。