一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于水库底泥探测技术领域，尤其是基于数据融合的水库底泥密度探 测系统。
【背景技术】
[0002] 水库底泥特征的识别设及多种检测方法，数据量较大，若将不同的探测和测量结 果综合起来，采用一定的数据融合方法，则能较好地识别底泥特征，节省人力物力，达到快 速精确地识别。
[0003] 目前水库底泥探测方法包括底泥取样、声波探测、钻孔勘探等多种方法。水库底泥 取样使用的取样设备有抓斗式、箱式、冷冻式、重力式等取样设备。水下底泥声波探测设备 主要有：多波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声响设备，它们具有相似的工作原理：由声 学换能器向探测水体发射声波，声波遇到水底（海底）或障碍物后产生反射和散射回波，声 学换能器接收到回波信号后，处理单元根据回波振幅和相位计算声波旅行时间，再根据勘 测水体的声速剖面计算声波的实际传播距离，然后根据发射开角，及运动传感器的姿态参 数计算回波信号的位置和水深值，同时也记录下回波的振幅和强度信息。数据融合技术， 包括对各种信息源给出的有用信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成，W便辅助人们进 行探测、分析、态势判定、规划、验证、诊断等。抓斗式、箱式、冷冻式、重力式等取样设备主要 存在两大问题；取样时对样品的扰动问题和取样时样品泄漏问题，会导致所取样品检测结 果偏差较大，不能很好的代表底泥的真实特性。
[0004] 利用浅地层剖面仪进行声波探测，适用水深范围大，并且穿透库区底泥厚度大， 但是只能在遇到水底（海底）或障碍物后产生反射回波，回波信息表征了遇到不同介质物 体的交界面，但是无法具体量化得出不同位置底泥的密度数据，无法利用声波信息推求渺 积泥沙的密度特征。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型要解决的技术问题是提供了一种基于数据融合的水库底泥密度探测 系统，使用本实用新型的系统自动识别库底地层反射信号，结合低扰动取样测试结果，判断 库底地层密度等参数，达到底泥取样更准确，密度探测更高效。
[0006] 本实用新型提供了一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统，所述系统包括取 样设备、测试设备和分析设备，其中，所述取样设备用于获取底泥样品；所述测试设备用于 获取底泥样品的波速与深度的关系，密度与深度的关系、反射信号主频与深度的关系；所述 分析设备通过分析计算密度与深度、波速、反射信号主频之间的关系，得到所述底泥样品的 密度。
[0007] 进一步，所述取样设备为基于重力式活塞技术的低扰动取样设备，包括导流装置、 触发装置、取样装置，所述取样装置的衬管是透明PC管，内径为90mm、管长为10m。
[000引进一步，所述测试设备包括浅地层剖面仪、发射换能器、接收换能器和密度试验仪 器，所述发射换能器与所述浅地层剖面仪的发射信号参数一致。
[0009] 进一步，所述浅地层剖面仪的工作频率为2-20曲Z，能够探测的水库底泥厚度为 O-lOOm，工作水深范围0-500m。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：
[0011] (1)使用低扰动取样设备，能够获取较长的库区底泥原状样品，相对钻孔勘探取 样、重力式取样、抓斗式取样，提高了效率，降低了成本，减轻了取样工作对样品的扰动影 响，能够获得更准确的底泥物理特性参数。
[0012] (2)使用浅地层剖面仪进行声波扫描，声波发射频率较低，产生的声波电脉冲能量 较大，具有较强的穿透力，能够有效穿透水底数十米的地层，而且探测效率高、准确性高。
[0013] (3)利用室内试验获得库区底泥波速的数据和密度数据，将两种数据拟合为不同 的函数曲线，找出二者的相关关系，对函数进行合理拓展，可W推求出所取样品深度W下底 泥的密度特性，从而获得库区底泥较深深度下密度特性参数。
[0014] (4)利用浅地层剖面仪扫描的声波数据和建立的曲线进行比对，利用信号频谱特 征快速识别地层参数，有利于库区底泥层理分析。
[0015] (5)形成一套高效水库底泥密度探测方法，此方法适用水库范围广，可W推广应用 至其他众多水库，提高了水库底泥探测效率，为水库治理开发提供重要的基础资料。
【附图说明】
[0016] 图1为取样过程示意图；
[0017] 图2为室内声波速度测试示意图。
【具体实施方式】
[001引本实用新型的目的是基于数据融合技术提出的数据处理方法，集成低扰动取样 设备取样检测数据和浅地层剖面仪声波探测数据，形成一套高效水库底泥探测方法，从而 能够快速获取水库底泥的密度和结构，可为更加深入地分析研究水沙运移规律提供基础资 料，对深水水库防洪排沙具有重大意义。
[0019] 下面结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。
[0020] 近年来黄河水利科学研究院借鉴深海渺积物保真取样原理，改造并研制出基 于重力式活塞技术的低扰动柱状深水库区取样设备；杨勇，张庆霞，陈豪，郑军所著 "深水水库低扰动取样设备设计及性能分析[C]第五届黄河国际论坛论文，2012. 09 ; 杨勇，郑军，陈豪所著"深水水库低扰动取样设备机械设计".水利水电科技进 展，2012, 32 (S2) : 18-19 ;设计的取样设备内径90mm、管长10m。原理为：取样装置主体自由 下落，在自重和惯性的作用下插入渺积物中，取样装置下端采用爪黃结构来切断并托住渺 积物。由于活塞产生的吸力使取样装置内壁与样品之间的摩擦力平衡抵消，该样，在取样装 置内便充满了低扰动的渺积物样品。在=口峡库区进行的深水取样初步试验表明，对于软 质河床渺积泥沙，能够取得厚度3m W上的原状柱状样品，但是对于硬质渺积泥沙，由于± 颗粒摩擦角较大，并且渺积泥沙密实度较大，导致取样效果不理想。
[0021] 本实用新型是通过低扰动取样设备得到水库底泥样品（又称为试块），经过浅地 层剖面仪测试得到底泥物性随深度变化规律，进一步经过浅地层剖面仪进行声学测试，得 到声传播特性的衰减变化函数，将该函数应用到浅地层剖面仪器的测试数据的分析，预测 微弱反射层是否存在，在不存在反射层情况下，其底泥物性符合原位测试结果预测函数。
[0022] 低扰动取样设备取得原状样品为圆柱状样品，直径小于或等于90mm，长度小于或 等于8m，样品被装在衬管中，衬管是透明PC管，易于切割分段，能用肉眼清晰辨别取出样品 分层、颜色和性状。
[0023] 水库底泥声波探测扫描工作使用的是浅地层剖面仪，其工作频率为2-20曲Z，能够 探测库区底泥厚度为O-lOOm，工作水深范围0-500m。
[0024] 基于数据融合的水库底泥探测方法，主要包括如下步骤：
[0025] 步骤一、试验船只携带浅地层剖面仪，记录一条测线上扫描的声波数据，根据声波 扫描数据转换所显示的水库底部地形，在测线上选定相对平坦位置作为低扰动取样工作 的测点；
[0026] 步骤二、如图1所示，低扰动取样设备主要由导流装置、触发装置、取样装置等部 分组成。试块的获取大致分为：下放过程、触发过程、取样过程和回收过程四个阶段，当取样 设备下放到距离河底还有一段距离时，平衡重块先触及河床，杠杆失去平衡，触发释放机构 动作，取样装置主体自由下落，在自重和惯性的作用下插入渺积物中，取样装置下端采用爪 黃结构来切断并托住渺积物。由于活塞产生的吸力使取样装置内壁与样品之间的摩擦力平 衡抵消，该样，在取样装置内便充满了低扰动的底泥样品。试验船只携带取样设备在水库选 定好的测点进行低扰动取样工作，所取样品保存在衬管中，将衬管密封好送回试验室；
[0027] 步骤S、如图2所示，底泥样品的厚度1。，水箱内加水，固定发射换能器和接收换 能器（测试过程中试块和换能器均浸在水中），发射换能器发射信号，记录接收换能器接收 时间ti，得到水的波速v，=li/ti。发射换能器和接收换能器之间放置试样，在底泥样品两 侦U，用穿透法检测，得到声波穿透试块的传播时间*2,则试块的波速为Vt=iy(t2-12/V，-13/ V，)。所取底泥样品深度为，将样品分为n块，每块的厚度为dz，进行底泥样品的声学测试， 得到声波速度数据，并将波速数据拟合为深度Z的函数Vi (Z)，将拟合函数Vi (Z)在深度Z > Zi区间进行拓展；
[002引步骤四、对上述样品通过密度试验仪器进行底泥样品密度测试，并将密度数据拟 合为深度Z的函数P 1 (Z)，将拟合函数在深度Z > Zi区间进行拓展；
[0029] 步骤五、声波穿透法检测每块样品的吸收函数；发射换能器发射线性调频信号 (LFM) Sifm，该信号与浅地层剖面仪的发射信号参数一致，接收信号为Sf (i = 1?n)，则采 样试块的响应函数3
【主权项】
1. 一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统，所述系统包括取样设备、测试设备和 分析设备，其特征在于；所述取样设备用于获取底泥样品；所述测试设备用于获取底泥样 品的波速与深度的关系，密度与深度的关系、反射信号主频与深度的关系；所述分析设备通 过分析计算密度与深度、波速、反射信号主频之间的关系，得到所述底泥样品的密度。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述取样设备为基于重力式活塞技术的 低扰动取样设备，包括导流装置、触发装置、取样装置，所述取样装置的衬管是透明PC管， 内径为90mm、管长为10m。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述测试设备包括浅地层剖面仪、发 射换能器、接收换能器和密度试验仪器，所述发射换能器与所述浅地层剖面仪的发射信号 参数一致。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述浅地层剖面仪的工作频率为 2-20曲Z，能够探测的水库底泥厚度为O-lOOm，工作水深范围0-500m。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统，所述系统包括取样设备、测试设备和分析设备，其中，所述取样设备用于获取底泥样品；所述测试设备用于获取底泥样品的波速与深度的关系，密度与深度的关系、反射信号主频与深度的关系；所述分析设备通过分析计算密度与深度、波速、反射信号主频之间的关系，得到所述底泥样品的密度，所述测试设备包括浅地层剖面仪、发射换能器、接收换能器和密度试验仪器。使用本实用新型的系统自动识别库底地层反射信号，结合低扰动取样测试结果，判断库底地层密度等参数，达到底泥取样更准确，密度探测更高效。
【IPC分类】G01N9-24, G01B17-02
【公开号】CN204286983
【申请号】CN201420183045
【发明人】张雷, 郑军, 李长征, 李永强, 杨勇, 郭巧玲, 陈豪, 刘英红, 康丙东
【申请人】黄河水利委员会黄河水利科学研究院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年4月15日