[發明專利]一種基于數據融合的水庫底泥密度探測方法和系統

有效

• 申請號: 201410149270.9
• 申請日: 2014-04-15
• 公開（公告）號: CN103884625B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 張雷;鄭軍;李長征;李永強;楊勇;郭巧玲;陳豪;劉英紅;康丙東
• 申請（專利權）人: 黃河水利委員會黃河水利科學研究院
• 主分類號: G01N9/24
• 分類號: G01N9/24;G01B17/02
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙)41117
• 代理人: 楊妙琴

技術領域

本發明屬于水庫底泥探測技術領域，尤其是基于數據融合的水庫底泥密度探測方法和系統。

背景技術

水庫底泥特征的識別涉及多種檢測方法，數據量較大，若將不同的探測和測量結果綜合起來，采用一定的數據融合方法，則能較好地識別底泥特征，節省人力物力，達到快速精確地識別。

目前水庫底泥探測方法包括底泥取樣、聲波探測、鉆孔勘探等多種方法。水庫底泥取樣使用的取樣設備有抓斗式、箱式、冷凍式、重力式等取樣設備。水下底泥聲波探測設備主要有：多波束測深系統、淺地層剖面儀和側掃聲吶設備，它們具有相似的工作原理：由聲學換能器向探測水體發射聲波，聲波遇到水底（海底）或障礙物后產生反射和散射回波，聲學換能器接收到回波信號后,處理單元根據回波振幅和相位計算聲波旅行時間,再根據勘測水體的聲速剖面計算聲波的實際傳播距離,然后根據發射開角,及運動傳感器的姿態參數計算回波信號的位置和水深值,同時也記錄下回波的振幅和強度信息。數據融合技術，包括對各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過濾、相關及合成，以便輔助人們進行探測、分析、態勢判定、規劃、驗證、診斷等。抓斗式、箱式、冷凍式、重力式等取樣設備主要存在兩大問題：取樣時對樣品的擾動問題和取樣時樣品泄漏問題，會導致所取樣品檢測結果偏差較大，不能很好的代表底泥的真實特性。

利用淺地層剖面儀進行聲波探測，適用水深范圍大，并且穿透庫區底泥厚度大，但是只能在遇到水底（海底）或障礙物后產生反射回波，回波信息表征了遇到不同介質物體的交界面，但是無法具體量化得出不同位置底泥的密度數據，無法利用聲波信息推求淤積泥沙的密度特征。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供了一種基于數據融合的水庫底泥密度探測方法和系統，使用本發明的方法或系統自動識別庫底地層反射信號，結合低擾動取樣測試結果，判斷庫底地層密度等參數，達到底泥取樣更準確，密度探測更高效。

本發明提供了一種基于數據融合的水庫底泥密度探測系統，所述系統包括取樣設備、測試設備和分析設備，其中，所述取樣設備用于獲取底泥樣品；所述測試設備用于獲取底泥樣品的波速與深度的關系，密度與深度的關系、反射信號主頻與深度的關系；所述分析設備通過分析計算密度與深度、波速、反射信號主頻之間的關系，得到所述底泥樣品的密度。

進一步，所述取樣設備為基于重力式活塞技術的低擾動取樣設備，包括導流裝置、觸發裝置、取樣裝置，所述取樣裝置的襯管是透明PC管，內徑為90mm、管長為10m。

進一步，所述測試設備包括淺地層剖面儀、發射換能器、接收換能器和密度試驗儀器，所述發射換能器與所述淺地層剖面儀的發射信號參數一致。

進一步，所述淺地層剖面儀的工作頻率為2-20kHz，能夠探測的水庫底泥厚度為0-100m，工作水深范圍0-500m。

本發明還提供了一種基于數據融合的水庫底泥密度探測方法，其中，所述方法包括：

步驟二、試驗船只攜帶取樣設備在水庫選定好的測點進行低擾動取樣工作，獲取的底泥樣品保存在襯管中，將襯管密封后送回試驗室；

步驟三、所取底泥樣品深度為,將樣品分為n塊，每塊的厚度為dz,進行底泥樣品的聲學測試，得到聲波速度數據，并將波速數據擬合為深度z的函數v₁(z)，將擬合函數v₁(z)在深度z＞z₁區間進行拓展；

步驟四、上述底泥樣品通過密度試驗儀器進行密度測試，并將密度數據擬合為深度z的函數ρ₁(z)，將擬合函數在深度z＞z₁區間進行拓展；

步驟五、聲波穿透法檢測每塊底泥樣品的吸收函數：發射換能器發射線性調頻信號（LFM）s_lfm，該信號與淺地層剖面儀的發射信號參數一致，接收換能器的接收信號為（i=1～n），則底泥樣品的響應函數為fft為傅里葉變換，由于反射信號為雙程傳播，不考慮反射系數的影響，則雙程旅行的試塊響應函數為:在深度*dz處如果有反射層，不考慮反射系數影響，則反射信號頻域函數為