专利名称：无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法
技术领域：
本发明属于隧道超前预报探测技术领域，具体涉及一种无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法。
背景技术：
目前，应用地震波(弹性波)反射法进行隧道地质超前预报，是最常用最有效的方法之一。具体的，地震波反射法为:人工激发地震波，当地震波向前传播遇到波阻抗界面时，一部分信号会被反射回来，被反射回来的信号有时称为回波信号；被安置在后方的检波器和信号采集系统采集并记录回波信号，通过对回波信号进行分析可以了解隧道工作面前方的工程地质、水文地质及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等，从而为提前采取支护措施提供可靠的地质依据，避免工程事故的发生。地震波反射法预报结果的精度和准确性主要取决于两个方面:1)如何对测试方法所使用的观测系统进行优化和改进，有效获得三维空间波动面数据，进而提高成像精度和质量；2)设计高精度仪器系统，提高采集信号的信噪比，研究信号去噪与分析处理技术，进一步有效抑制干扰信号，保证成像质量。现有技术中，为克服上述技术问题，提高预报结果的准确性，通常采用以下措施:I)加大震源的能量；2)降低探测信号的频率；3)提高A/D的位数(如采用32位的A/D)。但是，上述方法主要存在以下问题:1)当前国际上高位的A/D芯片的制造能力有限，而且当A/D位数提高到一定程度时，很难进一步提高信噪比；2)当降低探测信号(震源)频率时，可增加探测距离，但是会直接降低探测的分辨率；3)震源的能量受其炸药量的限制，当使用过量炸药时，会存在炸坏隧道的危险；而且使用炸炮作为震源会加大安全隐患，对长期从事炸炮的人员健康会带来严重危害等等。因此，研究如何有效的提高隧道超前预报探测方法的准确性，具有重要现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法，采用无线分布式仪器(24位A/D)和锤击震源工作方式，可以方便快速采集到高精度信号，并且能够保证工作安全开展；采用三点接收两侧锤击观测系统测试方式，可以有效获取三维空间弹性波场数据，进行高精度三维成像，同时可应用F-K 二维滤波方法，提高被探目标回波信号信噪比，有效消除来自其它方向的噪声信号。无线分布式隧道超前预报探测装置具有结构简化、能耗较少、生产成本低等优点，隧道超前预报探测系统及方法具有布置简单、探测精度高、测量效率高等优点。本发明采用的技术方案如下:本发明提供一种无线分布式隧道超前预报探测装置，包括控制操作终端、无线数据采集装置、地震反射波接收装置和地震波激发装置；所述地震波激发装置的输出端和所述地震反射波接收装置的输出端分别与所述无线数据采集装置的输入端连接；所述无线数据采集装置的输出端与所述控制操作终端的输入端连接。优选的，所述无线数据采集装置包括采集子装置、通信装置和供电电池；所述采集子装置和所述供电电池分别与所述通信装置的输入端连接；所述通信装置的输出端连接到所述控制操作终端。优选的,所述通信装置为802.llw1-fi通信装置；和/或所述采集子装置包括信号接收通道、信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路；所述信号接收通道的输入端分别与所述地震反射波接收装置的输出端和所述地震波激发装置的输出端连接，所述信号接收通道的输出端顺次通过所述信号调理电路、所述信号放大电路后与所述A/D转换电路的输入端连接；所述A/D转换电路的输出端与所述通信装置的输入端连接。优选的，所述地震反射波接收装置为三分量检波器；所述采集子装置包括4个所述信号接收通道:第一信号接收通道、第二信号接收通道、第三信号接收通道和第四信号接收通道；所述第一信号接收通道的输入端与所述地震波激发装置连接；所述第二信号接收通道、所述第三信号接收通道和所述第四信号接收通道分别与所述三分量检波器的X分量输出端、Y分量输出端和Z分量输出端连接。优选的，所述地震波激发装置为锤子。本发明还提供一种应用上述的无线分布式隧道超前预报探测装置的无线分布式隧道超前预报探测系统，包括所述控制操作终端、所述地震波激发装置、一台以上所述无线数据采集装置和一台以上所述地震反射波接收装置；所述无线数据采集装置和所述地震反射波接收装置成对设置；所述地震反射波接收装置的输出端与对应的所述无线数据采集装置的输入端连接；所述地震波激发装置的输出端与各台所述无线数据采集装置的输入端连接；各台所述无线数据采集装置的输出端分别连接到所述控制操作终端的输入端。优选的，所述无线数据采集装置的数量为三台，包括第一无线数据采集装置、第二无线数据采集装置和第三无线数据采集装置；所述地震反射波接收装置的数量为三台，包括第一地震反射波接收装置、第二地震反射波接收装置和第三地震反射波接收装置；所述第一无线数据采集装置与所述第一地震反射波接收装置连接；所述第二无线数据采集装置与所述第二地震反射波接收装置连接；所述第三无线数据采集装置与所述第三地震反射波接收装置连接；位于掌子面后方的已开挖隧道的同一隧道截面设置第一安装位置、第二安装位置和第三安装位置；所述第一安装位置位于所述隧道截面的左侧壁；所述第二安装位置位于所述隧道截面的右侧壁；所述第三安装位置位于所述隧道截面的顶壁；所述第一地震反射波接收装置安装在所述第一安装位置；所述第二地震反射波接收装置安装在所述第二安装位置；所述第三地震反射波接收装置安装在所述第三安装位置。优选的，所述第一无线数据采集装置安装在距所述第一安装位置设定距离的所述隧道截面的左侧壁；所述第二无线数据采集装置安装在距所述第二安装位置设定距离的所述隧道截面的右侧壁；所述第三无线数据采集装置安装在距所述第三安装位置设定距离的所述隧道截面的顶壁。优选的，所述第一安装位置距离隧道底面的垂直距离为I米；所述第二安装位置距离隧道底面的垂直距离为I米；所述第三安装位置位于隧道顶点位置；和/或
所述隧道截面位于所述掌子面后方35米处；和/或还包括由多个震源标记点组成的第一组震源标记点和第二组震源标记点；所述第一组震源标记点设置在所述左侧壁且与所述第一安装位置位于同一水平高度；所述第二组震源标记点设置在所述右侧壁且与所述第二安装位置位于同一水平高度。本发明还提供一种应用上述的无线分布式隧道超前预报探测系统的无线分布式隧道超前预报探测方法，包括以下步骤:SI，使用所述地震波激发装置分别在各个所述震源标记点激发地震波；同时，触发安装在同一隧道截面的各台所述无线数据采集装置同步计时；S2，SI所激发的地震波分成两路，第一路地震波直接被各台所述无线数据采集装置采集，然后经所述无线数据采集装置处理后发送给所述控制操作终端；第二路地震波经所述掌子面及其前方波阻抗界面反射后产生回波；所述回波经各台所述地震反射波接收装置采集后发送给所述无线数据采集装置；所述无线数据采集装置再将所述回波发送给所述控制操作终端；S3，所述控制操作终端对接收到的所述第一路地震波和所述回波进行处理，超前预报隧道工作面前方的地质情况。本发明的有益效果如下:本发明提供一种无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法，采用无线分布式仪器(24位A/D)和锤击震源工作方式，可以方便快速采集到高精度信号，并且能够保证工作安全开展；采用三点接收两侧锤击观测系统测试方式，可以有效获取三维空间弹性波场数据，进行高精度三维成像，同时可应用F-K 二维滤波方法，提高被探目标回波信号信噪t匕，有效消除来自其它方向的噪声信号。无线分布式隧道超前预报探测装置具有结构简化、能耗较少、生产成本低等优点，隧道超前预报探测系统及方法具有布置简单、探测精度高、测量效率高等优点。
图1为本发明提供的无线分布式隧道超前预报探测系统的原理示意图；图2为本发明提供的无线分布式隧道超前预报探测系统的布置示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细说明:如图1-2所示，本发明提供一种无线分布式隧道超前预报探测装置，包括控制操作终端、无线数据采集装置、地震反射波接收装置和地震波激发装置；地震波激发装置的输出端和地震反射波接收装置的输出端分别与无线数据采集装置的输入端连接；无线数据采集装置的输出端与控制操作终端的输入端连接。下面分别介绍控制操作终端、无线数据采集装置、地震反射波接收装置和地震波激发装置:(一 )控制操作终端控制操作终端包括笔记本电脑或平板电脑，其中，频幕分辨率为1024*768以上，CPU的主频为2GHz以上，内存IG以上。主要用于接收、保存、处理地震波信号数据。
( 二)无线数据采集装置无线数据采集装置包括采集子装置、通信装置和供电电池；采集子装置和供电电池分别与通信装置的输入端连接；通信装置的输出端连接到控制操作终端。实际应用中，通信装置可以为802.llw1-fi通信装置。无线数据采集装置主要用于接收地震波信号数据和地震反射波信号数据，并将接收到的信号数据上传给控制操作终端。采集子装置包括信号接收通道、信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路；信号接收通道的输入端分别与地震反射波接收装置的输出端和地震波激发装置的输出端连接，信号接收通道的输出端顺次通过信号调理电路、信号放大电路后与A/D转换电路的输入端连接；A/D转换电路的输出端与通信装置的输入端连接。其中，A/D转换电路优选采用24位A/D转换电路，从而提高采集精度。针对同一个开挖隧道，可以在同一隧道截面安装多个无线数据采集装置，从而提高数据采集的精确性。在后续会介绍一种安装三个无线数据采集装置的具体实施例。(三)地震反射波接收装置地震反射波接收装置可以为检波器。为提高信号采集精度，地震反射波接收装置采用三分量检波器，包括X分量输出端、Y分量输出端和Z分量输出端。相对应的，为实现采集子装置和三分量检波器的连接，采集子装置包括4个信号接收通道:第一信号接收通道、第二信号接收通道、第三信号接收通道和第四信号接收通道；其中，第一信号接收通道的输入端与地震波激发装置连接；第二信号接收通道、第三信号接收通道和第四信号接收通道分别与三分量检波器的X分量输出端、Y分量输出端和Z分量输出端连接。通过该种连接方式，第一信号接收通道直接接收由地震波激发装置所产生的地震波信号；第二信号接收通道、第三信号接收通道和第四信号接收通道接收被三分量检波器检测到的地震波反射波信号。(四)地震波激发装置地震波激发装置用于产生地震波，例如:锤子。通过使用锤子多点敲击隧道侧壁，即产生了地震波。同时在锤子的锤头一端固定检波器。应用上述无线分布式隧道超前预报探测装置，本发明还提供一种无线分布式隧道超前预报探测系统，包括控制操作终端、地震波激发装置、一台以上无线数据采集装置和一台以上地震反射波接收装置；无线数据采集装置和地震反射波接收装置成对设置，即:一台无线数据采集装置唯一连接一台地震反射波接收装置；地震反射波接收装置的输出端与对应的无线数据采集装置的输入端连接；地震波激发装置的输出端与各台无线数据采集装置的输入端连接；各台无线数据采集装置的输出端分别连接到控制操作终端的输入端。下面介绍一种采用三台无线数据采集装置的实施例:如图2所示，三台无线数据采集装置，包括第一无线数据采集装置、第二无线数据采集装置和第三无线数据采集装置；地震反射波接收装置相应的也设置三台，包括第一地震反射波接收装置、第二地震反射波接收装置和第三地震反射波接收装置；其中，第一无线数据采集装置与第一地震反射波接收装置连接；第二无线数据采集装置与第二地震反射波接收装置连接；第三无线数据采集装置与第三地震反射波接收装置连接。位于掌子面I后方的已开挖隧道的同一隧道截面2设置第一安装位置3、第二安装位置4和第三安装位置5 ;第一安装位置位于隧道截面的左侧壁，距离隧道底面的垂直距离优选为I米；第二安装位置位于隧道截面的右侧壁，距离隧道底面的垂直距离优选为I米；第三安装位置位于隧道截面的顶壁；并且，该隧道截面优选位于掌子面后方35米处。第一地震反射波接收装置安装在第一安装位置；第二地震反射波接收装置安装在第二安装位置；第三地震反射波接收装置安装在第三安装位置。进一步的，第一无线数据采集装置安装在距第一安装位置设定距离的隧道截面的左侧壁，称为第一无线数据采集装置安置点6 ;第二无线数据采集装置安装在距第二安装位置设定距离的所述隧道截面的右侧壁，称为第二无线数据采集装置安置点7 ;第三无线数据采集装置安装在距第三安装位置设定距离的隧道截面的顶壁，称为第三无线数据采集装置安置点8。其中，设定距离可以为I厘米，地震反射波接收装置挨近无线数据采集装置应用膨胀螺丝固定在隧道侧壁上。当地震反射波接收装置为三分量检波器时，三台无线数据采集装置的第一信号接收通道串联后与地震波激发装置连接，分别等间隔串接固定在隧道截面的左侧壁、右侧壁以及顶端，形成信号采集系统。在隧道一侧壁激发地震波，可使三台无线数据采集装置同步触发计时，通过记录到的触发信号，可以对信号走时进行精确校正。针对同一次锤击，采用三个无线数据采集装置接收地震波信息和地震波回波信号，可以有效获取三维空间弹性波场数据，提高三维成像精度。在隧道截面与掌子面之间，可以设置由多个震源标记点9组成的第一组震源标记点和第二组震源标记点；第一组震源标记点设置在左侧壁且与第一安装位置位于同一水平面；第二组震源标记点设置在右侧壁且与第二安装位置位于同一水平面。应用无线分布式隧道超前预报探测系统，本发明提供的无线分布式隧道超前预报探测方法，包括以下步骤:SI，使用地震波激发装置分别在各个震源标记点激发地震波；S2，SI所激发的地震波分成两路，第一路地震波直接被无线数据采集装置采集，然后经无线数据采集装置处理后发送给控制操作终端；第二路地震波经掌子面及其前方波阻抗界面反射后产生回波；回波经地震反射波接收装置采集后发送给无线数据采集装置；无线数据采集装置再将回波发送给控制操作终端；S3，控制操作终端对接收到的第一路地震波和回波进行处理，超前预报隧道工作面前方的地质情况。作为一种具体实现方式，在开挖的隧道中，首先确定三维坐标方向:隧道的开挖方向为X坐标，掌子面的纵向为y坐标，掌子面的横向为Z坐标，设定隧道开挖方向的左侧壁底面距离掌子面35米的点为零点坐标(0，0，0);其次选取震源标记点，分别在隧道左右两侧壁距离地面I米高的位置。其中左壁的起始坐标和终止坐标分别为(0，1，0)和(35，1，O)，右壁的起始坐标和终止坐标分别为(0，1，Z)和(35，1，Z)，Z坐标根据掌子面的横向长度来确定，其中第一个震源标记点距离起始X坐标5米处，余下的15个震源标记点以2米的等间距标记；然后，选取检波器安置点并安装检波器及无线数据采集装置，左壁为起始点坐标(0,1,0)处,右壁亦是起始点坐标处,顶部标记点坐标(O, Y, Z/2),检波器在使用之前已经安装在保护壳中，只需要将保护壳用膨胀螺丝固定在标记点上即可，同时在附近用带钩膨胀螺丝安置并开启无线数据采集装置。最后开启控制操作终端，打开无线通信装置驱动软件，激活通信装置，打开采集软件，点击采集按钮，锤击后无数数据采集装置自动采集地震波信号。
本发明提供的无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法，采用无线分布式仪器(24位A/D)和锤击震源工作方式，可以方便快速采集到高精度信号，并且能够保证工作安全开展；采用三点接收两侧锤击观测系统测试方式，可以有效获取三维空间弹性波场数据，进行高精度三维成像，同时可应用F-K 二维滤波方法，提高被探目标回波信号信噪t匕，有效消除来自其它方向的噪声信号。无线分布式隧道超前预报探测装置具有结构简化、能耗较少、生产成本低等优点，隧道超前预报探测系统及方法具有布置简单、探测精度高、测量效率高等优点。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
权利要求
1.一种无线分布式隧道超前预报探测装置，其特征在于，包括控制操作终端、无线数据采集装置、地震反射波接收装置和地震波激发装置；所述地震波激发装置的输出端和所述地震反射波接收装置的输出端分别与所述无线数据采集装置的输入端连接；所述无线数据采集装置的输出端与所述控制操作终端的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的无线分布式隧道超前预报探测装置，其特征在于，所述无线数据采集装置包括采集子装置、通信装置和供电电池；所述采集子装置和所述供电电池分别与所述通信装置的输入端连接；所述通信装置的输出端连接到所述控制操作终端。
3.根据权利要求2所述的 无线分布式隧道超前预报探测装置，其特征在于，所述通信装置为802.llw1-fi通信装置；和/或 所述采集子装置包括信号接收通道、信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路；所述信号接收通道的输入端分别与所述地震反射波接收装置的输出端和所述地震波激发装置的输出端连接，所述信号接收通道的输出端顺次通过所述信号调理电路、所述信号放大电路后与所述A/D转换电路的输入端连接；所述A/D转换电路的输出端与所述通信装置的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的无线分布式隧道超前预报探测装置，其特征在于，所述地震反射波接收装置为三分量检波器； 所述采集子装置包括4个所述信号接收通道:第一信号接收通道、第二信号接收通道、第三信号接收通道和第四信号接收通道；所述第一信号接收通道的输入端与所述地震波激发装置连接；所述第二信号接收通道、所述第三信号接收通道和所述第四信号接收通道分别与所述三分量检波器的X分量输出端、Y分量输出端和Z分量输出端连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无线分布式隧道超前预报探测装置，其特征在于，所述地震波激发装置为锤子。
6.一种应用权利要求1-5任一项所述的无线分布式隧道超前预报探测装置的无线分布式隧道超前预报探测系统，其特征在于，包括所述控制操作终端、所述地震波激发装置、一台以上所述无线数据采集装置和一台以上所述地震反射波接收装置；所述无线数据采集装置和所述地震反射波接收装置成对设置；所述地震反射波接收装置的输出端与对应的所述无线数据采集装置的输入端连接；所述地震波激发装置的输出端与各台所述无线数据采集装置的输入端连接；各台所述无线数据采集装置的输出端分别连接到所述控制操作终端的输入端。
7.根据权利要求6所述的无线分布式隧道超前预报探测系统，其特征在于，所述无线数据采集装置的数量为三台，包括第一无线数据采集装置、第二无线数据采集装置和第三无线数据采集装置；所述地震反射波接收装置的数量为三台，包括第一地震反射波接收装置、第二地震反射波接收装置和第三地震反射波接收装置；所述第一无线数据采集装置与所述第一地震反射波接收装置连接；所述第二无线数据采集装置与所述第二地震反射波接收装置连接；所述第三无线数据采集装置与所述第三地震反射波接收装置连接； 位于掌子面后方的已开挖隧道的同一隧道截面设置第一安装位置、第二安装位置和第三安装位置；所述第一安装位置位于所述隧道截面的左侧壁；所述第二安装位置位于所述隧道截面的右侧壁；所述第三安装位置位于所述隧道截面的顶壁；所述第一地震反射波接收装置安装在所述第一安装位置；所述第二地震反射波接收装置安装在所述第二安装位置；所述第三地震反射波接收装置安装在所述第三安装位置。
8.根据权利要求7所述的无线分布式隧道超前预报探测系统，其特征在于，所述第一无线数据采集装置安装在距所述第一安装位置设定距离的所述隧道截面的左侧壁；所述第二无线数据采集装置安装在距所述第二安装位置设定距离的所述隧道截面的右侧壁；所述第三无线数据采集装置安装在距所述第三安装位置设定距离的所述隧道截面的顶壁。
9.根据权利要求7所述的无线分布式隧道超前预报探测系统，其特征在于，所述第一安装位置距离隧道底面的垂直距离为I米；所述第二安装位置距离隧道底面的垂直距离为I米；所述第三安装位置位于隧道顶点位置；和/或 所述隧道截面位于所述掌子面后方35米处；和/或 还包括由多个震源标记点组成的第一组震源标记点和第二组震源标记点；所述第一组震源标记点设置在所述左侧壁且与所述第一安装位置位于同一水平高度；所述第二组震源标记点设置在所述右侧壁且与所述第二安装位置位于同一水平高度。
10.一种应用权利要求6-9任一项所述的无线分布式隧道超前预报探测系统的无线分布式隧道超前预报探测方法，其特征在于，包括以下步骤: Si，使用所述地震波激发装置分别在各个所述震源标记点激发地震波；同时，触发安装在同一隧道截面的各台所述无线数据采集装置同步计时； S2，SI所激发的地震波分成两路，第一路地震波直接被各台所述无线数据采集装置采集，然后经所述无线数据采集装置处理后发送给所述控制操作终端；第二路地震波经所述掌子面及其前方波阻抗界面反射后产生回波；所述回波经各台所述地震反射波接收装置采集后发送给所述无线数据采集装置；所述无线数据采集装置再将所述回波发送给所述控制操作终端； S3，所述控制操作终 端对接收到的所述第一路地震波和所述回波进行处理，超前预报隧道工作面前方的地质情况。
全文摘要
本发明提供一种无线分布式隧道超前预报探测装置、系统及方法，该装置包括控制操作终端、无线数据采集装置、地震反射波接收装置和地震波激发装置；所述地震波激发装置的输出端和所述地震反射波接收装置的输出端分别与所述无线数据采集装置的输入端连接；所述无线数据采集装置的输出端与所述控制操作终端的输入端连接。采用无线分布式仪器(24位A/D)和锤击震源工作方式，可以方便快速采集到高精度信号，并且能够保证工作安全开展；采用三点接收两侧锤击观测系统测试方式，可以有效获取三维空间弹性波场数据，进行高精度三维成像，还具有结构简化、能耗较少、生产成本低、布置简单、探测精度高、测量效率高等优点。
文档编号G01V1/00GK103176204SQ201310048090
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者王运生, 刘浩 申请人:云南航天工程物探检测股份有限公司, 王运生