一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法及装备

本发明涉及地质超前预报，尤其涉及一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法及装备。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、盾构机以安全高效的特点成为地铁施工的主导工法，然而在实际盾构环境中常常面临孤石、岩溶、破碎带等灾害，引起地面失稳塌陷、建筑倾倒、盾构机卡机等灾害，造成严重人员伤亡和经济损失，因此在盾构机施工过程中准确探明灾害源十分必要。目前，主要通过搭载在盾构机上的声波探头对地质进行相控阵声波探测，来获取地质的三维图像，但是现有的相控阵方法，如zl 201911338546.7，一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法，通过一维线阵排列观测获得二维成像结果，并通过旋转补充前方不良地质信息，对于三维结果的二维解释会导致成像结果存在误差，另一方面，成像方法使用的波速为均匀波速，针对实际非均匀介质的情况同样会导致成像结果存在偏差，因此导致前方不良地质信息难以准确全面获得。

3、同时，现有方法对于声波探头的安装位置没有进行最优选择，导致获取的地质三维图像效果欠佳。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法及装备，通过对声波探头的安装位置进行选取，并按照选取的安装位置对声波探头进行安装，之后进行阵列声波探测，能够准确获得前方介质速度分布，实现盾构机掘进过程中不良地质的三维精细成像。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，提出了一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，包括：

4、利用安装于盾构机刀盘上的多个声波探头，对刀盘前方地质进行阵列声波探测，获得刀盘前方不良地质三维图像；

5、其中，通过声波探头优化模型确定声波探头在刀盘上的安装位置，声波探头优化模型以峰值旁瓣比最小为目标，包括根据声波探头安装位置构建的指向性函数，和根据指向性函数构建的峰值旁瓣比函数。

6、第二方面，提出了一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测装备，包括：

7、阵列声波探测主机，用于声波信号的编码发射，和声波信号的接收，并根据声波信号，构建获得刀盘前方不良地质三维图像；

8、多个安装于盾构机刀盘上的声波探头，用于将阵列声波探测主机发射的声波信号发出，对刀盘前方地质进行阵列声波探测，获得声波信号；

9、其中，通过声波探头优化模型确定声波探头在刀盘上的安装位置，声波探头优化模型以峰值旁瓣比最小为目标，包括根据声波探头安装位置构建的指向性函数，和根据指向性函数构建的峰值旁瓣比函数。

10、第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法所述的步骤。

11、第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法所述的步骤。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

13、1、本发明充分利用刀盘可布置空间，通过二维布设，可实现盾构机前方三维观测，以峰值旁瓣比作为探头布置位置优化指标，选取峰值旁瓣比最小时的声波探头安装位置，当声波探头按照该安装位置进行安装后，可实现声波能量在掘进面前方的能量聚焦，提升阵列声波探测方法的探测距离和分辨率。

14、2、本发明基于拉东变换的反射矩阵成像方法，可获得刀盘前方介质速度分布，基于此进行三维地质成像，提升不良地质的成像精度。

15、3、本发明探测占用时间短，可满足盾构施工过程前方高效探测的需求。

16、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，通过非线性优化方法对声波探头优化模型进行求解，获得声波探头在刀盘上的安装位置；声波探头按照该安装位置安装于盾构机刀盘上。

3.如权利要求1所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，对刀盘前方地质进行阵列声波探测，获得刀盘前方不良地质三维图像的过程为：

4.如权利要求3所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，通过反射矩阵方法，确定刀盘前方介质速度分布的过程为：

5.如权利要求4所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，选取扫描速度谱上垂向分辨率最高的位置对应的速度值为深度z处的速度。

6.如权利要求3所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，根据盾构机刀盘前方介质速度，计算每一深度处的反射矩阵；

7.如权利要求6所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法，其特征在于，通过每一深度处反射矩阵的主对角线值，获得每一深度处的成像结果。

8.一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测装备，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法的步骤。

技术总结
本发明公开的一种盾构搭载的阵列声波全自动地质精细探测方法及装备，包括：利用安装于盾构机刀盘上的多个声波探头，对刀盘前方地质进行阵列声波探测，获得刀盘前方不良地质三维图像；其中，通过声波探头优化模型确定声波探头在刀盘上的安装位置，声波探头优化模型以峰值旁瓣比最小为目标，包括根据声波探头安装位置构建的指向性函数，和根据指向性函数构建的峰值旁瓣比函数。能够准确获得前方介质速度分布，实现盾构机掘进过程中不良地质的三维精细成像。

技术研发人员：刘斌,公志飞,付超,陈磊,许新骥,曹弘毅
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16