一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，首先将采集信号中将TBM机理论响应减去，祛除部分TBM响应，经过数学变换关系及相应信号处理，将瞬变电磁扩散场信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；其次采用信息独立分量分析算法进行TBM干扰分离,提取隧道瞬变电磁地质特征信号；最后利用Born近似反演实现地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释，完成TBM开挖隧道的瞬变电磁超前地质预报。本发明专利技术能够有效的提取掌子面前方低阻地质异常信息、压制TBM机干扰，有效解决TBM施工隧道中瞬变电磁法超前预报的关键问题。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法
本专利技术属于地球物理探测领域，特别涉及一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法。
技术介绍
我国西部地区的隧道及地下工程具有“埋深大、洞线长、地质复杂、地势险峻”的特点，主要采用全断面隧道掘进机(TunnelBoringMachine，TBM)进行开挖。但在TBM施工隧道中，由于大型金属设备的电磁响应干扰严重，致使瞬变电磁法超前预报在TBM施工隧道中的应用遇到了较大的困难。如何有效的提取掌子面前方低阻地质异常信息、压制TBM机干扰，成为瞬变电磁法超前预报能否成功应用于TBM施工隧道的关键问题。由于TBM机电磁响应强，并且在时间与频率上与地下介质响应有重合，传统的去噪方法很难取得良好效果。在瞬变电磁TBM干扰消除方面，研究人员尝试基于FDTD正演方法计算了含有TBM和地下异常的总响应、无TBM影响的纯异常响应以及纯TBM响应，在总场(含有TBM、地下异常的总响应)中直接减去TBM的响应，得到了纯地下异常的响应，基于数值模拟方法消除TBM干扰，在理论模型实现方面取得了较好的效果，但是该法依赖于对TBM的准确建模，直接减去与实际不符的理论TBM响应，容易引入新的异常或者掩盖真实地质灾害，造成错误预报，实际应用效果受到制约。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提供一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，解决TBM施工条件下瞬变电磁隧道超前预报的难题，满足隧道超前探测的要求。为了实现上述任务，本专利技术所采用如下的技术方案：一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，包括以下步骤：步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；步骤2，采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；步骤3，进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。进一步地，步骤1所述的TBM机理论响应的确定方法包括：根据TBM机的设计图纸，采用计算机建模的方式对TBM机的结构和零件的物质属性进行三维建模，在计算机中生成可供时域有限差分方法使用的隧道环境下的TBM三维模型，然后通过时域有限差分方法计算TBM机在隧道环境下的瞬变电磁回线源响应特征，即TBM机理论响应。进一步地，步骤1中所述的将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号的转换表达式为：上式中，x,y,z是空间坐标，t是时间变量，τ是虚拟时间变量，f(x,y,z,t)为瞬变电磁衰减信号，U(x,y,z,τ)为虚拟波场信号。进一步地，步骤1在进行虚拟波场信号转换时，首先对采集的瞬变电磁衰减信号设定时间窗口，并在采集的瞬变电磁衰减信号的时间序列上滑动所述的时间窗口，对每一次滑动后时间窗口内选取的瞬变电磁衰减信号按照式1进行波场反变换；其次，对所述采集的瞬变电磁衰减信号使用正则化的方法按照式1进行波场反变换；最后，将两次波场反变换的结果进行叠加，从而得到采集的瞬变电磁衰减信号的虚拟波场信号。进一步地，步骤2中所述的最小互信息独立分量分析算法采用互信息极小化判据，表示为：上式中，x是反变换后的虚拟波场信号，y是输出信号，yi是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，B是分离矩阵，logB|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。进一步地，步骤2中所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。进一步地，步骤3中所述的进行地下介质虚拟波场反演成像所采用的反演方法为Born近似法。进一步地，所述的进行地下介质虚拟波场反演成像的方法为：通过解下面的积分方程可以得到速度扰动，并获得地下介质的界面位置，以实现反演成像：上式中，Ui为入射场，Us为散射场，α(r)为空间速度扰动，C0(r)为介质背景速度，G(rg,r,ω)为均匀全空间背景速度模型格林函数，rs为激发源的位置，rg为接收点位置，ω是电磁场的频率。进一步地，所述的全域视电阻率定义，包括以下步骤：首先计算均匀全空间介质中回线源形成的瞬变电磁响应，然后不断改变均匀全空间的电阻率取值，获取对应的瞬变电磁响应，然后，不断改变均匀全空间的电阻率取值，获取对应的瞬变电磁响应，并分析瞬变电磁响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系；最后，利用反函数原理，将瞬变电磁响应关于均匀全空间电阻率的函数进行泰勒展开，并根据瞬变电磁响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系确定迭代计算的电阻率取值区间，实现全域视电阻率的迭代计算。一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报系统，包括依次连接的虚拟波场信号转换模块、干扰信号分离模块以及解释模块，其中：所述的虚拟波场信号转换模块用于将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；所述的干扰信号分离模块采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；所述的解释模块用于进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。本专利技术与现有技术相比，具有以下技术特点：1.本专利技术不仅得到了稳定的波场变换，又实现了波场的多分辨分析，在瞬变电磁波场变换的前提下，利用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰分离实现地质灾害特征信号提取与TBM强干扰压制，保证了TBM隧道中瞬变电磁隧道超前预报的有效应用。2.本专利技术将Born反演界面与视电阻率成像结果进行综合解释，近似实现虚拟波动方程逆散射反演，对掌子面前方地质体进行成像，有助于低阻异常的圈定，实现TBM隧道瞬变电磁超前预报，解决TBM施工条件下瞬变电磁隧道超前预报的难题，满足隧道超前探测的要求。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是独立分量算法的示意图；具体实施方式参照图1，本专利技术公开了一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，包括以下步骤：步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；步骤1.1，获取TBM机的理论响应本步骤首先根据市场现有主要型号TBM机的设计图纸，采用计算机建模的方式对TBM机的结构和零件的物质属性进行三维建模，在计算机中生成可供时域有限差分(FDTD)方法使用的隧道环境下的TBM三维模型；其次，通过FDTD方法计算TBM机在隧道环境下的瞬变电磁回线源响应特征，即TBM机理论响应。步骤1.2，稳定多分辨波场变换在采集信号中将TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信息。所谓瞬变电磁衰减信息的过矫正与欠处理分别指，在减去TBM机理论响应的过程中，不可避免的出现所减去的信息中含有不仅含有TBM机的理论响应而且还包括了地质信息以及TBM机的理论响应去除不彻底的两种情况。由于过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信息并不完全满足独立分量要求信号为零均值的假设，而地震波散射场满足独立分量分析的基本假设，因此通过数学变换关系，将瞬变场转换成满足波动方程的虚拟波场，满足独立分量分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；步骤2，采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；步骤3，进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。

【技术特征摘要】
1.一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；步骤2，采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；步骤3，进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。2.如权利要求1所述的隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，步骤1所述的TBM机理论响应的确定方法包括：根据TBM机的设计图纸，采用计算机建模的方式对TBM机的结构和零件的物质属性进行三维建模，在计算机中生成可供时域有限差分方法使用的隧道环境下的TBM三维模型，然后通过时域有限差分方法计算TBM机在隧道环境下的瞬变电磁回线源响应特征，即TBM机理论响应。3.如权利要求1所述的隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，步骤1中所述的将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号的转换表达式为：上式中，x,y,z是空间坐标，t是时间变量，τ是虚拟时间变量，f(x,y,z,t)为瞬变电磁衰减信号，U(x,y,z,τ)为虚拟波场信号。4.如权利要求2所述的隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，步骤1在进行虚拟波场信号转换时，首先对采集的瞬变电磁衰减信号设定时间窗口，并在采集的瞬变电磁衰减信号的时间序列上滑动所述的时间窗口，对每一次滑动后时间窗口内选取的瞬变电磁衰减信号按照式1进行波场反变换；其次，对所述采集的瞬变电磁衰减信号使用正则化的方法按照式1进行波场反变换；最后，将两次波场反变换的结果进行叠加，从而得到采集的瞬变电磁衰减信号的虚拟波场信号。5.如权利要求1所述的隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，其特征在于，步骤2中所述的最小互信息独立分量分析算法采用互信息极小化判据，表示为：上式中，x是反变换后的虚拟波场信号，y是输出信号，yi是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，B是分离矩阵，log|B|为分离矩阵信息度量，H(·)为信...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚志鹏，李貅，周建美，孙乃泉，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61