一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统及方法

本发明属于隧道掘进超前地质预报，具体涉及一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统及方法。

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、近些年来，随着全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，tbm)被广泛应用于公路、铁路等交通隧道建设中，保证隧道前方不良地质准确预报也成为tbm隧道顺利施工的重点难题。孔中超前探测作为一种有效的勘探手段成为超前地质预报的重要方法。然而传统的孔中地震数据采集设备和方法通过水耦合且只进行单分量数据采集应用，从数据端对预报的准确性造成重要影响。

3、目前，想实现强耦合三分量数据采集还存在一些困难：

4、孔中环境复杂，由于传统孔中设备的检波器串沉于水中，对于检波器的姿态难以实现固定。且孔中水耦合使得前方地震波传至孔中时会经过水的传导，使得波长能量急剧衰减，因此数据获取无法保证准确性。不仅如此传统设备只进行单方向的测量，无法实现三分量的数据检测，且上位机与设备为有线连接，通讯较为不便，在实际应用中具有一定的局限性。

5、综上，要想能够实现高质量孔中三分量数据采集需要解决：检波器串孔中定位问题；水耦合信号衰减强问题；三分量检波器布置设计问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统及方法，本发明可以实现孔中检波器姿态实时调整、检波器与孔壁强耦合、孔中三分量数据采集以及数据长距离实时传输。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，包括控制主机、上位机和多个三分量检波器，其中：

4、各个三分量检波器在孔内壁的不同高度上并排设置，且每个三分量检波器具有一伸缩式支架，以调整检波器的姿态，所述三分量检波器内置陀螺仪，用于感知检波器在孔中的姿态和方位角；

5、所述控制主机布设在孔外的地面上，所述控制主机和各个检波器通信连接，用于获取检波器采集的孔中三分量数据；

6、所述上位机和控制主机通信，用于处理和分析各孔中三分量数据，并下发三分量检波器姿态调整指令。

7、作为可选择的实施方式，所述三分量检波器包括壳体，设置于壳体内的三分量位移传感器，所述壳体上设置的两个可伸缩支腿，以及在壳体内设置的陀螺仪，两个可伸缩支腿上下并排布设，通过调整两个可伸缩支腿的长度，调整三分量检波器的姿态。

8、所述控制主机响应于上位机的指令，根据掘进机位置调整检波器在管中的位置，使检波器与掘进机刀盘之间距离最短，采集信号最强。

9、作为进一步的实施方式，所述三分量位移传感器连接有信号线缆，所述信号线缆延伸至壳体外。

10、作为进一步的实施方式，所述信号线缆连接相邻的三分量检波器。

11、作为进一步的实施方式，位于顶部的三分量检波器的信号线缆连接控制主机。

12、作为进一步的实施方式，所述可伸缩支腿的端部具有一接触面，能够和孔壁抵接，实现强耦合。

13、作为进一步的实施方式，所述可伸缩支腿具有驱动机构。

14、作为进一步的实施方式，所述驱动机构为电动驱动装置、气动驱动装置或液压驱动装置。

15、作为可选择的实施方式，所述陀螺仪为三轴陀螺仪或者六轴陀螺仪。

16、基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

17、将各个三分量检波器连接好，依次放入孔内相应的高度上，并控制伸缩式支架动作，使其强耦合固定在相应高度的孔壁上；

18、连接控制主机和上位机，获取各个三分量检波器在孔中的姿态和方位角；

19、根据检测需求，确定各个三分量检波器的姿态调整需求，并控制伸缩式支架动作，调整三分量检波器的姿态，直至满足需求；

20、获取各个三分量检波器的信号。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、本发明可以实现孔中检波器姿态实时调整、检波器与孔壁强耦合、孔中三分量数据采集以及数据长距离实时传输。

23、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，包括控制主机、上位机和多个三分量检波器，其中：

2.如权利要求1所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述三分量检波器包括壳体，设置于壳体内的三分量位移传感器，所述壳体上设置的两个可伸缩支腿，以及在壳体内设置的陀螺仪，两个可伸缩支腿上下并排布设，通过调整两个可伸缩支腿的长度，调整三分量检波器的姿态。

3.如权利要求2所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述三分量位移传感器连接有信号线缆，所述信号线缆延伸至壳体外；所述信号线缆连接相邻的三分量检波器。

4.如权利要求1所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述控制主机响应于上位机的指令，根据掘进机位置调整检波器在管中的位置，使检波器与掘进机刀盘之间距离最短，采集信号最强。

5.如权利要求3或4所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，位于顶部的三分量检波器的信号线缆连接控制主机。

6.如权利要求2所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述可伸缩支腿的端部具有一接触面，能够和孔壁抵接，实现强耦合。

7.如权利要求6所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述可伸缩支腿具有驱动机构。

8.如权利要求7所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述驱动机构为电动驱动装置、气动驱动装置或液压驱动装置。

9.如权利要求1所述的一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统，其特征是，所述陀螺仪为三轴陀螺仪或者六轴陀螺仪。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种方位角自适应的孔中三分量振动观测系统及方法，包括控制主机、上位机和多个三分量检波器，各个三分量检波器在孔内壁的不同高度上并排设置，且每个三分量检波器具有一伸缩式支架，以调整检波器的姿态，所述三分量检波器内置陀螺仪，用于感知检波器在孔中的姿态和方位角；所述控制主机布设在孔外的地面上，所述控制主机和各个检波器通信连接，用于获取检波器采集的孔中三分量数据；所述上位机和控制主机通信，用于处理和分析各孔中三分量数据，并下发三分量检波器姿态调整指令。本发明可以实现孔中检波器姿态实时调整、检波器与孔壁强耦合、孔中三分量数据采集以及数据长距离实时传输。

技术研发人员：曹弘毅,孟庆阳,刘宝川,鲁登民,李尧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10