锚杆长度无损测量方法与流程

本发明属于工程测量领域，尤其涉及一种锚杆长度无损测量方法。

背景技术：

锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的。锚杆的力学作用主要有悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、减跨作用、加固作用。

锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。但是锚杆长度达不到设计长度，锚固密实度差会造成锚杆支护巷道失稳，形成安全隐患。

常见的锚杆检测技术有拉拔承载力试验和锚杆无损检测试验。锚杆无损检测试验具有非破坏性和高效的优点，但同时也存在如下技术问题：

1.当锚杆较短时，直达波与反射波相互干涉，无法获得准确的长度信息；

2.为了获取分辨率较高的波形图，检测人员往往采用较高的采样频率，而锚杆往往较短，所以当采样频率较高，样本点数较少时会导致巴特沃斯滤波器滤波阶数过高，当滤波阶数n大＞20时则会造成滤波器不稳定；

3.锚杆无损检测获取的波形数据处理与分析主观影响大，需要技术员的强大知识储备与丰富经验。根据《锚杆锚固质量无损检测技术规程》jgj/t182和《水利水电工程锚杆无损检测规程》dl/t5424均对波形的判定没有明确规定，执行力较差，检测人员很难根据规程规范的要求对锚杆长度进行判断。尤其当锚杆没有严格按照规范施工时，锚杆锚固密实度差，会产生大量绕射波和反射波形成干扰波，无法区分。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种锚杆长度无损测量方法，以解决现有技术中锚杆长度无法准确获取的问题。该方法步骤如下：

锚杆长度无损测量方法，包括：

s100，基于应力波法获取多道锚杆检测的原始数据；

s200，对各道原始数据进行叠加；

s300，对叠加数据降频处理后进行巴特沃斯滤波；

s400，将滤波后数据的频率恢复为原始数据的频率；

s500，截取s400处理后数据中反射波的有效信息；

s600，输入反射波有效信息对s400处理后数据的叠加波形进行滑动互相关处理，并获取相似系数；

s700，利用相似系数波形图获取反射波初始位置；

s800，计算锚杆长度。

优选地，在步骤s100和s200之间，还包括：

对原始数据进行相位反转、初至校准和错误数据剔除。

优选地，步骤s300中还具有：

降频处理后求取滤波阶数n，如果n＞20则需要调整下采集参数；如果n＜20，则进行所述巴特沃斯滤波。

优选地，步骤s500的截取方法包括：

截取数据处理后可以分辨的完整反射波，并截取反射波波形前段的两到三个波峰或波谷。

优选地，步骤s600的利用滑动互相关算法对反射波形进行扫描的方法包括：

利用截取的反射波信息从整段波形的第一个采样点开始计算等个数采样点与反射波采样点的互相关值。

优选地，s700中反射波初始位置的获取方法包括：

基于相似系数波形图出现的多个波峰，第一个波峰处相似系数值为1，选取第一个波峰后且相似系数最接近1的点，其相对应的采样点即为反射波初始的位置，即可根据该位置计算反射波初始的时间。

优选地，s800中锚杆长度计算方法包括：

-利用室内模拟试验或现场试验确定杆体波速和杆系波速；

-确定杆端外露长度；

-利用杆体速度、杆系速度、杆端外露长度、初至时间和反射波初试时间计算锚杆长度。

本发明的有益效果：

本发明对原始数据依次进行叠加、滤波、恢复频率、截取、滑动互相关处理的方式，获取反射波初始位置，以计算锚杆长度，可以有效解决无法准确获得长度信息、滤波器不稳定和人员对处理结果主观影响的问题。

附图说明

图1是本发明锚杆长度无损测量方法的流程示意图（在单次运行中右列位于左列下方）；

图2是本发明锚杆长度无损测量方法的6道原始数据；

图3是本发明锚杆长度无损测量方法的未处理直接叠加后的波形图；

图4是本发明锚杆长度无损测量方法的经过相位反转、和初至校准后的叠加波形图及频谱特征；

图5是本发明锚杆长度无损测量方法的经过降频处理后的波形图及频谱特征；

图6是本发明锚杆长度无损测量方法的经滤波处理后的波形图及频谱特征；

图7是本发明锚杆长度无损测量方法的恢复原有采集频率后的波形图；

图8是本发明锚杆长度无损测量方法的相似系数波形图。

具体实施方式

本实施例中锚杆长度无损测量方法是由数据处理方法和数据分析方法两部分组成的。数据处理方法旨在于对应力波锚杆无损检测数据进行除噪，一方面剔除错误数据，另一方面为数据分析提供更多的高质量数据样本。数据分析方法旨在依据处理后数据进行量化分析，更加准确的计算出锚杆长度。

数据处理方法，包括：

-通过应力波锚杆无损检测获取原始数据；

-将多道原始数据进行线性叠加；

-将叠加后的数据进行傅里叶变化，获取频谱；

-将叠加后的数据进行降频处理；

-将降频后数据通过巴特沃斯滤波器进行滤波；

-恢复原有数据采集频率。

上述数据处理方法，由于数据采集时获取的多道数据存在相位相反、初至时间不同、信息错误等问题，所以在叠加前应排除原始数据中位相反、初至时间不同、信息错误等问题。为此，对通过应力波锚杆无损检测获取原始数据进行数据处理，包括：

-对相位相反的原始数据进行相位翻转；

-对初至时间不同的原始数据在时间轴进行移动；

-对信息错误的数据进行剔除。

上述数据处理方法，当锚杆较短时，由于采样频率/采样点数比值过大，导致巴特沃斯滤波器阶数n过大，导致滤波器不稳定，所以在滤波前应排除滤波器不稳定的问题。为此，对通过对叠加后的数据进行数据处理，包括：

-将叠加后数据进行巴特沃斯滤波器处理，计算叠加后数据滤波阶数n；

-当滤波阶数n大于20时，对叠加后数据进行降频处理(控制滤波阶数小于20即可，滤波阶数大于20滤波器容易崩溃)；

-对降频后数据进行巴特沃斯滤波器处理，计算叠加后数据滤波阶数n，且滤波阶数n小于20。

上述数据处理方法，由于叠加数据进行降频处理，滤波后会导致数据分辨率降低，所以应排除数据分辨率较低的问题。为此，对降频处理的叠加数据进行数据处理，包括：

-对滤波后数据进行恢复原有采集频率。

数据分析方法，该数据分析程序是在matlab中实现，调整参数就是改变程序中的数值，包括：

-对原始数据进行数据处理；

-截取发射波信息；

-利用滑动互相关算法对整段波形进行扫描；

-获取相似系数波形图；

-确定反射波位置；

-计算锚杆长度。

上述数据分析方法，由于锚杆较短直达波和反射波相互干涉，或锚杆前段灌浆不密实，不密实区域绕射波或反射波和直达波相互干涉，造成直达波难以完整区分，所以应排除杆底反射波或不密实处绕射波或反射波进入截取的波段。为此，对反射波截取的数据分析包括：

-截取数据处理后可以分辨的完整直达波(通过excel数据截取例如第25~90个采样点的数据)；

-截取数据处理后波形前段的两到三个波峰或波谷。

利用滑动互相关算法对整段波形进行扫描，包括：

-提取截取的直达波信息；

-利用截取的直达波信息从整段波形的第一个采样点开始计算等个数采样点与直达波采样点的互相关值，即为相似系数i0；

-逐一计算相似系数，获得相似系数i0、i1、i2、。。。in；

-绘制相似系数波形图。

上述数据分析方法，当不能截取完整直达波时，由于仅截取部分直达波信息，相似系数波形图会出现多个波峰，且第一个波峰处相似系数值为1，应选取第一个波峰后且相似系数最接近1的点，其相对应的采样点即为反射波初始的位置，即可根据相应位置计算反射波初始的时间。

上述数据分析方法，其中锚杆长度的计算方法是：

-利用室内模拟试验或现场试验确定杆体波速和杆系波速；

-确定杆端外露长度；

-利用杆体速度、杆系速度、杆端外露长度、初至时间和反射波初试时间计算锚杆长度。

依据上述数据处理方法和数据分析方法，可总结出如下锚杆无损检测数据处理分析方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

-采用应力波锚杆无损检测获取多道原始数据。

-对多道原始数据进行叠加；

-对叠加数据进行降频处理并进行巴特沃斯滤波；

-滤波后恢复原有采集频率；

-对数据处理后的数据截取反射波有效信息；

-输入反射波有效信息对叠加波形进行滑动互相关处理，并获取相似系数；

-利用相似系数波形图获取反射波初始位置；

-计算锚杆长度。

这里需要说明的是，在多道原始数据叠加前应，应对相位相反、初至位置不同、信息错误的原始数据进行相位反转、初至校准和错误数据提出的处理。

在一种具体的实施方式中，如图2所示，第3道数据初至相对其他道有延迟，第6道数据相位相对其他道相反，不经处理直接叠加后如图3所示，对第3道数据初至校准后，第6道数据相位反转后叠加数据如图4所示，处理后数据比不经处理叠加后叠加数据波形明显更加清晰。

这里需要说明的是，在进行巴特沃斯数字滤波时，应注意滤波阶数n应小于20，当滤波阶数n大于20时，应重新调整下采样参数，时滤波阶数n小于20。

在一种具体的实施方式中，如图7所示，经巴特沃斯数字滤波后波形更加清晰，高频信号得到有效压制。

这里需要说明的是，相似系数波形图中会出现多个波峰，且第一个波峰相似系数值为1，应选择第一个波峰后相似系数最接近1的采样点为反射波起始位置。

在一种具体实施方式中，如图8所示，相似系数波形图第一个波峰值为1，且第四个波峰值为0.98最接近1，该点为第653个采样点，即第653个采样点为反射波初始位置。利用杆体波速、杆系波速、锚杆外露长度、采样间隔和采样点位置即可计算锚杆长度。

以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在发明的保护范围内。