[發(fā)明專利]利用地質(zhì)雷達(dá)空間掃描實(shí)現(xiàn)三維探測(cè)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010345017.6
• 申請(qǐng)日: 2020-04-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111474542B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇建坤;張維平;李萬(wàn)寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司
• 主分類號(hào): G01S13/88
• 分類號(hào): G01S13/88;G01S13/89
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務(wù)所 11337
• 代理人: 席小東

1.一種利用地質(zhì)雷達(dá)空間掃描實(shí)現(xiàn)三維探測(cè)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立直角坐標(biāo)系，沿隧道開(kāi)挖方向?yàn)閅方向，豎直向上為Z方向，水平向右為X方向；

步驟2，以隧道開(kāi)挖方向?yàn)橄蚯胺较颍瑢⒖尚D(zhuǎn)的地質(zhì)雷達(dá)天線裝置放置在隧道掌子面后方，地質(zhì)雷達(dá)天線裝置的中心點(diǎn)A的位置坐標(biāo)為(x₀,y₀,z₀)；

步驟3，設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)天線裝置的初始控制參數(shù)，包括：掃描速率；其中，掃描速率的單位為道/秒，或道/米；

步驟4，使地質(zhì)雷達(dá)天線裝置繞Z軸旋轉(zhuǎn)，從而不斷調(diào)節(jié)地質(zhì)雷達(dá)天線裝置的天線脈沖傾角，使天線脈沖傾角從0度到90度依次變化，即：天線脈沖傾角依次為γ₁,γ₂,...,γ_n-1,γ_n；其中，天線脈沖傾角為天線發(fā)出的電磁脈沖與Y軸正方向的夾角；

其中：

γ₁代表初始狀態(tài)時(shí)，天線脈沖傾角為0度，此時(shí)，天線發(fā)出的電磁脈沖射線為水平狀態(tài)，與Y軸平行，并朝向隧道掌子面；

γ_n代表終止?fàn)顟B(tài)，天線脈沖傾角為90度，此時(shí)，天線發(fā)出的電磁脈沖射線為垂直向上狀態(tài)，與Z軸平行；

γ₂到γ_n-1代表天線脈沖從初始狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)變化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)的n-2個(gè)過(guò)渡狀態(tài)的傾角，天線脈沖傾角在0度到90度之間，各天線脈沖傾角從小到大排列，此時(shí)，天線發(fā)出的電磁脈沖射線為傾斜向上狀態(tài)；

當(dāng)天線脈沖調(diào)節(jié)到任意的天線脈沖傾角γ_i時(shí)，其中，i＝1,2,...,n，均執(zhí)行以下檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄步驟：

天線發(fā)射電磁脈沖，同時(shí)，天線脈沖按照步驟3設(shè)置的掃描速率，繞Y軸旋轉(zhuǎn)一周，并同時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，由此得到第i個(gè)數(shù)據(jù)記錄文件；其中，第i個(gè)數(shù)據(jù)記錄文件由m道數(shù)據(jù)記錄組成，并且，按掃描先后順序，將所述m道數(shù)據(jù)記錄分別記為：第i₁道數(shù)據(jù)記錄、第i₂道數(shù)據(jù)記錄,…,第i_m道數(shù)據(jù)記錄；其中，每道數(shù)據(jù)記錄通過(guò)以下方式形成：天線按照當(dāng)前傾角發(fā)射電磁脈沖，并記錄不斷接收到的反射波的單程走時(shí)t和電場(chǎng)強(qiáng)度E，由此形成橫坐標(biāo)為單程走時(shí)t、縱坐標(biāo)為電場(chǎng)強(qiáng)度E的數(shù)據(jù)記錄曲線；

步驟5，因此，每種天線脈沖傾角下，均得到對(duì)應(yīng)的一個(gè)數(shù)據(jù)記錄文件，由于共有n個(gè)天線脈沖傾角，因此，共得到n個(gè)數(shù)據(jù)記錄文件；

對(duì)n個(gè)數(shù)據(jù)記錄文件進(jìn)行分析，得到三維空間每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值以及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)信息，方法如下：

步驟5.1，對(duì)于天線脈沖傾角γ_i時(shí)采集到的第i_j道數(shù)據(jù)記錄，其中，j＝1,2,...,m，為橫坐標(biāo)為單程走時(shí)t、縱坐標(biāo)為電場(chǎng)強(qiáng)度E的數(shù)據(jù)記錄曲線；

在所述數(shù)據(jù)記錄曲線中，按采樣規(guī)則設(shè)共選取u個(gè)探測(cè)點(diǎn)，按單程走時(shí)由小而大的順序，將u個(gè)采樣點(diǎn)依次記為：P₁、P₂…P_u；

步驟5.2，對(duì)于任意的采樣點(diǎn)P_w，w＝1,2,…,u，設(shè)其三維空間坐標(biāo)值為(x_w,y_w,z_w)，通過(guò)查找所述數(shù)據(jù)記錄曲線，得到對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E為E_w；

地質(zhì)雷達(dá)天線發(fā)射的電磁脈沖的行程為：地質(zhì)雷達(dá)天線裝置的中心點(diǎn)為A，其發(fā)射的電磁脈沖首先在空氣中傳播，然后穿過(guò)圍巖表面的B點(diǎn)后再進(jìn)入到隧道圍巖內(nèi)傳播，當(dāng)傳播到F點(diǎn)后形成反射波，并最終被檢測(cè)記錄；

采樣點(diǎn)P_w為B點(diǎn)到F點(diǎn)傳播路徑上的某個(gè)點(diǎn)，通過(guò)下面方法計(jì)算得到采樣點(diǎn)P_w的三維空間坐標(biāo)值：

1)根據(jù)下式計(jì)算電磁波在空氣中的傳播時(shí)間t₀：

t₀＝L₀/c

其中：

c為電磁波在空氣中的傳播速度；

L₀為：電磁脈沖在空氣中傳播的單程距離，即：A點(diǎn)到B點(diǎn)的直線距離；

2)根據(jù)下式計(jì)算電磁波在隧道圍巖中的傳播速度ν_介：

其中：

ε_r為圍巖相對(duì)介電常數(shù)；

3)通過(guò)下式計(jì)算雷達(dá)設(shè)備采集到的探測(cè)點(diǎn)深度D，即：探測(cè)點(diǎn)深度D為A點(diǎn)到采樣點(diǎn)P_w的距離：

D＝L₀+(t_w-t₀)ν_介

其中：t_w為通過(guò)分析數(shù)據(jù)記錄曲線，得到的電磁脈沖從A點(diǎn)到采樣點(diǎn)P_w的單程走時(shí)；

4)通過(guò)下式，計(jì)算得到采樣點(diǎn)P_w的三維空間坐標(biāo)值(x_w,y_w,z_w)：

x_w＝x₀+D?cosαcosβ

y_w＝y(tǒng)₀+D?sinα

z_w＝z₀-D?cosαsinβ

其中：

α為天線脈沖傾角的余角，即：90度減去天線當(dāng)前脈沖傾角γ_i的值；

β：天線脈沖旋轉(zhuǎn)角，即：在天線脈沖繞Y軸正方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周360度時(shí)，其三維軌跡為錐形結(jié)構(gòu)；設(shè)錐形端面的中心點(diǎn)為S點(diǎn)，假設(shè)天線脈沖旋轉(zhuǎn)到在錐形端面的交點(diǎn)為S1點(diǎn)時(shí)，S1點(diǎn)與S點(diǎn)的連線如果與Z軸正方向平行，則此時(shí)天線脈沖旋轉(zhuǎn)角為0度，當(dāng)天線脈沖旋轉(zhuǎn)到在錐形端面的交點(diǎn)為S2點(diǎn)時(shí)，S2點(diǎn)與S點(diǎn)的連線，與S1點(diǎn)與S點(diǎn)的連線的夾角即為當(dāng)前天線脈沖旋轉(zhuǎn)角β；

步驟6，因此，對(duì)于每個(gè)天線脈沖傾角狀態(tài)下的數(shù)據(jù)記錄文件，均分析得到與某個(gè)錐形端面直徑對(duì)應(yīng)的錐形表面的多個(gè)探測(cè)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)值，以及每個(gè)探測(cè)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度；

對(duì)于多種天線脈沖傾角狀態(tài)下的數(shù)據(jù)記錄文件，形成錐頂點(diǎn)位置相同、自內(nèi)向外嵌套的多個(gè)錐形表面的探測(cè)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)值以及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)三維空間中各個(gè)探測(cè)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)值以及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，形成表征地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像圖；根據(jù)所述三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像圖，對(duì)隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。