基于分布式声波传感的浅地层异物探测识别装置及方法

本发明涉及地下异物探测识别领域，尤其涉及一种基于分布式声波传感的浅地层异物探测识别装置及方法。

背景技术：

1、浅地层地下异物指地下浅层土壤或地下结构中存在的不同于周围环境的物体或特征，该物体或特征包括岩石体、地下垃圾、污染物质、水源、地下管道。浅地层地下异物将影响建筑物稳定性、增加工程施工成本、环境安全保护、破坏地下管道设施，威胁工程施工的安全进程。地下异物探测通常采用地球物理方法进行探测，目前的多种探测系统其精度和深度均有待提升。因此为确保工程建设的顺利进行，减少额外成本和延迟，发展浅地层地下异物探测的方法具有十分重要的意义。

2、目前针对地下异物探测的方法主要有磁法探测、电磁法探测、地质雷达法探测和放射测量法探测。磁法探测是基于地下异物对地磁场的影响，这些异物通常具有不同于周围地质材料的磁性特性，当存在磁性差异的异物时，它们会扭曲周围的地磁场，导致地磁异常。通过测量地磁场的强度和方向，磁法勘测可以检测和定位地下异物。电磁法探测地下异物的原理为基于地下物质对电磁场的响应，当电磁波通过地下介质时，其传播速度和方向会受到介质电导率和介电常数的影响，而地下异物通常引起电磁参数的变化，从而产生电磁异常。通过测量电磁波在地下传播的特性，包括电磁场的幅度和相位，以及频率响应，电磁法可以探测和定位地下异物。

3、磁法探测和电磁法探测都能够对浅地层地下异物进行一定的探测定位，但也存在各自的局限性。磁法探测只能针对存在于地下的具有磁性的异物或地质体进行探测，对于非磁性物质探测效果较差，并且磁法数据容易受到地面人造磁场干扰，进行探测时需要进行数据校正。电磁法探测数据解释相对复杂，需要考虑地下介质导电率和介电常数分布，并且对于高导电率或高介电常数的地质环境不适用。使用以上两种方法需要根据具体的地质条件、勘探物体特性来选择合适的方法。

4、地质雷达法探测是通过发射高频电磁波并接收其反射信号来探测地下结构和异物。在操作中，地质雷达系统会发射电磁波，这些波穿透地表并与地下的不同材料或异物发生交互。当电磁波遇到地下材料界面、空隙或异物时，它们会发生反射、折射和吸收，这些反射信号会被接收并用于生成地下图像或剖面。通过分析反射信号的时延、强度和频率等特征，进而识别地下异物的性质、深度和位置。然而地质雷达法需要逐点测量，在大范围地下区域的调查中效率较低，探测范围有限，并且由于地质雷达生成的数据量大且复杂，数据处理比较困难。

5、放射测量法是利用射线或粒子穿透地下介质并检测其衰减来探测地下异物的方法，是通过向地下发射射线或粒子(如γ射线、中子)，这些射线在穿越地下不同物质时会发生吸收或散射，进而在地表或探测器上形成特定的能谱或强度分布。通过分析射线或粒子在地下介质中的相互作用，确定地下异物的位置、密度、成分等信息。放射测量法需要使用放射性同位素或粒子束，存在辐射安全隐患；数据处理复杂，且结果解释可能存在复杂性。此外，放射测量法对地下介质的特定物理属性敏感，可能无法检测非放射性异物。

6、近年来，分布式声波传感技术因环境适应性强，抗电磁干扰，易于安装，采集密度大等优点发展迅速，在大地检测领域如地震监测、油气勘探、管道入侵方面应用广泛。常规的地下异物探测方法普遍存在分辨率不高、环境适应性不强、数据处理复杂的问题，并且无法对浅地层异物种类进行精确定位识别。

7、如何实现对浅地层地下异物的种类识别，提高浅地层异物定位精度以及种类识别能力，减轻潜在地质风险，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于分布式声波传感的浅地层异物探测识别装置及方法，针对地质工程中的浅地层地下异物，在浅地层预埋振动增敏型光缆，通过震源系统发射主动源信号，采用高灵敏、高精度和高空间分辨率的分布式光缆声波传感方法获取振动信号进行探测，对光缆沿线的浅地层速度结构进行速度成像，提高了浅地层异物探测的精度及分辨率，并结合人工智能实现了对浅地层地下异物的定位以及异物的种类识别。

2、技术方案：本发明基于分布式声波传感的浅地层异物探测识别装置包括振动增敏光缆、分布式声波传感解调仪、震源系统、振动数据处理单元、速度结构反演单元和人工智能定位识别单元；

3、振动增敏光缆内有纤芯，纤芯外包裹振动增敏包层，振动增敏包层和护套之间填充振动低损宾汉体填充凝胶，在护套上增设光缆-砂土耦合增强翅片；

4、振动增敏光缆与分布式声波传感解调仪连接；分布式声波传感解调仪采集光缆振动数据后传输至振动数据处理单元；振动数据处理单元与速度结构反演单元连接；人工智能定位识别单元与振动数据处理单元和速度结构反演单元连接。

5、本发明基于分布式声波传感的浅地层异物探测识别方法包括以下步骤：

6、(1)在纤芯外包裹振动增敏包层，在振动增敏包层和护套之间填充振动低损宾汉体填充凝胶，并在护套上增设光缆-砂土耦合增强翅片，制成振动增敏光缆；

7、(2)将振动增敏光缆浅埋在探测区域，检查振动增敏光缆的线路以及缆-土耦合性；

8、(3)将振动增敏光缆与分布式声波传感解调仪连接，设置分布式声波传感解调仪的采样参数；

9、(4)通过震源系统发射主动震源信号，分布式声波传感解调仪采集设定时间的振动增敏光缆的振动数据；

10、(5)分布式声波传感解调仪将采集到的振动数据传输至振动数据处理单元，振动数据处理单元对所述振动数据预处理并显现振动信号在光缆随时间的波形变化，通过异常波形得出浅地层异物所在光缆通道，进而判断地下异物的平面位置；

11、(6)振动数据处理单元将经过预处理的振动信号传输至速度结构反演单元，进行浅地层地下速度结构反演，获取探测区域的浅地层地下速度结构，根据异常横波速度分析浅地层异物所处地面深度，确定浅地层异物三维坐标；

12、(7)人工智能定位识别单元接收来自振动数据处理单元和速度结构反演单元的数据图像，采用浅地层异物图像降噪方法对数据图像降噪，并对得出的降噪图像进行二值化语义分割，将浅地层异物沿边界与降噪图像的背景进行分离；采用深度学习算法，根据不同浅地层异物的物体轮廓及弹性波响应特征训练目标检测的深度学习模型，对分割图像中浅地层异物进行种类识别。

13、步骤(1)中，在护套上增设光缆-砂土耦合增强翅片时，根据岩土介质、土体的密实度确定光缆-砂土耦合增强翅片的类型以及光缆-砂土耦合增强翅片的间距。

14、步骤(6)中，速度结构反演单元根据振动数据处理单元的振动信号，采用谱元法的全波形成像方法进行浅地层地下速度结构反演，获取探测区域的浅地层地下速度结构。

15、步骤(6)中，振动数据处理单元将经过预处理的振动信号传输至速度结构反演单元，采用光缆中段通道为虚拟源，与异常波形存在区域的通道进行互相关计算，并采用相位加权叠加方法对互相关结果进行叠加获得探测区域之间的互相关函数；利用相移法提取探测区域地下结构的面波频散曲线，使用蒙特卡洛方法的随机采样算法经过多次迭代反演出探测异常区域地下速度结构。

16、步骤(7)中，人工智能定位识别单元采用双边滤波的方法对振动数据处理单元和速度结构反演单元获取的地下异物波形速度图像中存在噪声的图像进行滤波，压制图像的噪音对浅地层异物目标的检测和边界识别的干扰；将去噪后的图像采用labelme工具沿图像中浅地层异物的边缘进行标注得到标签图，并建立图像检测数据集和语义分割数据集。

17、步骤(7)中，人工智能定位识别单元使用深度学习中yolo-v4网络，利用建立的图像检测数据集和语义分割数据集进行图像中浅地层异物目标的检测，通过输入不同类型浅地层异物的速度结构和成像特征来对建立的目标检测的深度学习模型进行训练，对浅地层异物种类进行识别。

18、步骤(7)中，采用基于人工智能地下结构面波成像的图像降噪、语义分割和浅地层异物精准种类识别方法对分割图像中浅地层异物进行种类识别。

19、步骤(1)中，振动增敏包层的材料由光缆材料和岩土体介质及密度特征掺杂的材料确定。

20、步骤(4)中，采用稀土超磁致伸缩震源激发系统激发主动震源信号。

21、工作原理：本发明采用包含振动低损宾汉体填充凝胶和振动增敏包层的分布式振动增敏光缆，并加装光缆-砂土耦合增强翅片，将光缆-砂土耦合增强翅片以一定间距布设在振动增敏光缆表面，提高光缆对地下振动信号的感知效果，研究光缆与不同岩土体以及不同尺度的异物的振动机理，实现高分辨率反演，并采用深度学习算法，根据不同浅地层异物的物体轮廓及弹性波响应特征，对分割图像中浅地层异物进行种类识别。

22、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、(1)本发明将振动增敏光缆与分布式光缆声波传感方法相结合，增设振动低损宾汉体填充凝胶和振动增敏包层材料，进而显著提高分布式光缆声波传感的测量灵敏度，进而更精确的获得振动信号从主动源至光缆范围内的地表岩土体特征，提高浅地层地下异物定位识别的精确度。

24、(2)本发明采用高频大功率的稀土超磁致伸缩超声波震源激发系统，并采用基于谱元法的全波形成像方法来对光缆沿线的地下三维速度结构进行成像，获得更高分辨率的精确地下结构信息，进而对浅地层地下异物进行定位。

25、(3)本发明采用基于人工智能地下结构面波成像的图像降噪、语义分割和浅地层异物精准种类识别方法对分割图像中浅地层异物进行种类识别，为地面施工项目以及浅地层地层安全提供更精确信息和安全保障。

26、(4)本发明结合人工智能算法并采用图像降噪和目标分割方法，实现对浅地层地下异物的种类识别，提高了浅地层异物定位精度以及种类识别能力，对地质资源的高效勘探和管理，减轻潜在地质风险，保证了地质工程设计的安全性和可行性。