一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法与流程

本发明是一种管波探测信号处理方法，尤其涉及一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法。

背景技术：

1、“喀斯特”一词来源于南斯拉夫的一个地名，喀斯特地貌主要是指石灰岩受到地下水的溶蚀作用和伴随的机械作用形成的各种地貌。在水的作用下，该种地貌区域往往存在着各种大小不一的溶洞，形象的称为“串状溶洞”。在喀斯特地貌区域工程建设过程中，溶洞的存在会引起建筑地基失稳、建筑物下沉或者倒塌等风险，因此必须对地下溶洞情况进行探明并进行对应的处理，如注浆加固。

2、目前针对喀斯特地区溶洞的处理方法常采用钻芯法，钻芯法是一种直观有效的探测方法，但是其成本高昂、探测范围有限；管波探测法作为新兴的一种探测方法目前越来越收到重视，该种方法主要原理为在填充满液体的孔内采用发生探头发射低频、高能量的脉冲信号，发射探头产生振动与孔液作用，将在孔液与孔壁上产生管波，管波传播一段距离后，随着地质情况的变化会产生反射波，反射波被同步位于发射探头附近的接收探头所接收并通过电子记录仪输出管波探测时间剖面图，对管波探测时间剖面图进行分析，即可获得钻孔附近的溶洞分布情况。但是目前针对管波探测结果的分析多是根据管波探测时间剖面图的测线的幅值变化进行分析，此类分析方法存在明显的问题，容易受到干扰因素的影响，误差较大，再加之在喀斯特地貌区域溶洞情况复杂多变，该种分析方法明显不能够满足现场的需求。因此需要研发一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，最大限度的减少不确定因素的干扰，呈现信号的本质特征，以便于对信号进行准确的解释分析，保证后续工程的顺利进行。

技术实现思路

1、本发明的目的，在于提供一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，相对于传统的信号处理方法具有抗干扰性强、误差小等优点。

2、本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

3、s101，对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质钻探孔位进行管波探测，获得管波探测时间剖面结果；

4、s102，采用小波阈值去噪法对管波探测时间剖面结果进行降噪获得降噪后管波探测时间剖面；

5、s103，对降噪后管波探测时间剖面采用均值滤波法进行处理，处理后获得直达管波波形，将去噪后管波探测时间剖面减去直达管波波形获得反射管波波形；

6、s104，对反射管波波形采用频率-波数阈二维滤波和傅里叶变换，获得上行反射管波波形和下行反射管波波形；

7、s105，对降噪后管波探测时间剖面的每条测线的重心频率进行计算，基于计算结果获得重心频率-深度图；

8、s106，对直达管波波形进行首波定位，获得每道管波的到达时间，绘制时间-深度图；

9、s107，计算每条测线的反射系数，基于计算结果绘制反射系数-深度曲线；

10、s108，根据获得的重心频率-深度曲线、时间-深度曲线和反射系数-深度曲线对管波探测结果进行定量解释。

11、进一步，上述s102中，小波阈值降噪法阈值选择为rigsure，阈值函数选择为软阈值函数，计算公式为式(1)所示，

12、

13、式中，ωj,k为小波系数；为量化后的小波系数；sign为符号函数；λ为阈值。选择方法为rigsure。

14、进一步，上述s103中，均值滤波方法以某一深度为中心，读取n条最相邻的测线数据，以振幅均值为该深度的振幅取值，构建幅值-时间曲线为该点的滤波结果，改变深度点重复进行，全部深度点完成后即可获得直达管波波形，其中n为均值滤波参数取值范围为10～20。

15、进一步，上述s105中，重心频率的计算公式为式(2)，

16、

17、式中，fc为重心频率，p(f)为信号的功率谱。

18、进一步，上述s107中，反射系数的计算公式为式(3)所示，

19、

20、式中，k为反射系数，a(ω)为直达管波幅频谱，b(ω)上行反射管波幅频谱。本发明的有益效果是:

21、相对于现有技术，本发明为一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，相对于传统的信号处理方法具有抗干扰性强、误差小等优点。

技术特征：

1.一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，其特征在于：所述2)中小波阈值降噪法阈值选择为rigsure，阈值函数选择为软阈值函数，计算公式为式(1)所示，

3.根据权利要求1所述的一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，其特征在于：所述3)中，均值滤波方法以某一深度为中心，读取n条最相邻的测线数据，以振幅均值为该深度的振幅取值，构建幅值-时间曲线为该点的滤波结果，改变深度点重复进行，全部深度点完成后即可获得直达管波波形，其中n为均值滤波参数取值范围为10～20。

4.根据权利要求1所述的一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，其特征在于：所述5)中重心频率的计算公式为式(2)，

5.根据权利要求1所述的一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，其特征在于：所述7)中反射系数的计算公式为式(3)所示，

技术总结
本发明公开了一种针对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号处理方法，适用于地质勘探领域，该方法主要通过对喀斯特地貌竖向串状溶洞地质管波探测信号首先进行小波阈值去噪法处理以去除噪音，在进行均值滤波以获得直达管波波形和反射管波波形，对反射管波波形进行二维滤波和傅里叶变换以获得上行反射管波波形和下行反射管波波形，最终对波形进行分析获得时间‑深度曲线、重心频率‑深度曲线和反射系数‑深度曲线以用于对管波探测结果进行定量解释。本发明提出的管波信号处理方法相对于传统的管波信号处理方法，具有抗干扰性强、误差小等优点，同时在喀斯特地貌竖向串状溶洞地质条件下具有更好的适用性。

技术研发人员：黄国忠,杨征,刘宇峰,杨双弟,万昕,王惠鸿,曹玉红
受保护的技术使用者：中交四航局第一工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14