一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法，该装置包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块。本发明专利技术所公开的测量装置，将编码激励技术应用在岩石纵横波声速测量中，可在不损失分辨率的情况下提高观测波形的信噪比；可针对不同岩性的岩石选择不同的激励电压，通过高压激励的方式提高发射信号的幅度，进一步增强观测波形的信噪比；采用纵横波一体式超声探头，可在同一环境下测量岩石的纵波、横波速度，无需反复拆装探头，避免传统设备因更换探头带来的环境因素干扰，同时提高了测量效率。同时提高了测量效率。同时提高了测量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法


[0001]本专利技术属于超声波岩石测量领域，特别涉及该领域中的一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法，用于岩石试件的纵横波速度超声检测。

技术介绍

[0002]岩石的声学特性(弹性模量、声速和衰减系数等)是岩石材料的重要参数，它与岩石内部结构和岩石强度有很大相关性。在实验室中，一般是通过超声透射法研究岩石结构和弹性参数关系，即在岩体试件一端发射超声波脉冲，在另一端利用接收换能器接收透射信号，然后分析记录到的波形数据研究其声学参数的变化。但在实际测试中，由于换能器带宽限制、背景噪声干扰、耦合不佳以及岩石频率衰减等原因，会导致接收信号信噪比低、超声波穿透能力不足，从而造成信息识别上的困难。
[0003]解决上述问题的方法通常是提高发射信号幅度和有效信号的信噪比。大多数超声岩石声速测量装置通过提高激励电压来实现发射信号幅度的提升。考虑到超声换能器承受的极限电压值，以及激励电压增加会加大硬件驱动电路的设计难度，因此，当前测量装置的激励电压大多集中在200V—400V之间。
[0004]编码激励技术是一种能够提升有效信号信噪比的方法，广泛应用于医学超声成像、雷达系统以及无损检测等领域。该方法利用小功率的信号发生器发射编码信号，就能得到与高功率单脉冲信号相同的信噪比和分辨率。考虑到岩石超声检测问题的复杂性，将编码激励技术引入岩石超声检测领域还存在很多具体问题，如岩石频率相关衰减问题、岩石内部的复杂结构引起的波的非线性传播问题等对编码激励技术压缩性能的影响。虽然有部分研究人员开展了相关的工作，对编码信号在岩石中的传播及其脉冲压机制进行了研究和探讨，但是目前还没有超声岩石声速测量装置将编码激励技术应用于实际的岩石声学特性测量过程。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题就是为了能够在不同条件的岩石超声测量中获取较高的信噪比，提高岩石测量精度，从提高发射信号幅度和有效信号信噪比两方面入手，为实验室岩体试件超声测量提供一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其改进之处在于：包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块；其中主控模块与编码调制模块、发射模块、数据采集模块和数据处理模块电连接，主控模块根据数据处理模块发来的用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；编码调制模块对主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号并发送给发射模块；发射模块根据上述的相位编码信号产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体
发射探头，使纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和A/D转换，得到透射波原始波形，并将其经主控模块上传给数据处理模块。
[0008]进一步的，主控模块采用ZYNQ
‑
7020作为主控芯片。
[0009]进一步的，编码调制模块采用spartan6作为主芯片。
[0010]进一步的，发射模块的激励电压最大达到800V。
[0011]进一步的，发射模块包括高压MOS组合管、继电器和DC可调高压模块；高压MOS组合管包括N
‑
MOS管、P
‑
MOS管和驱动芯片EL7222，发射模块将相位编码信号转换为N
‑
MOS管和P
‑
MOS管的控制信号，N
‑
MOS管导通时发射正高压激励信号，P
‑
MOS管导通时发射负高压激励信号；主控模块通过继电器控制发射模块切换纵波通道和横波通道；主控模块通过DC可调高压模块设定发射模块的激励电压。
[0012]进一步的，数据采集模块采用14位高速ADC，采样率达65MPS。
[0013]一种测量方法，使用上述的测量装置，其改进之处在于，包括如下步骤：
[0014]步骤1，将纵横波一体发射探头和纵横波一体接收探头分别贴放于岩石相对的两侧，用户在数据处理模块设定编码和激励电压，选择纵、横波通道，上述设定和选择通过用户指令形式下发给主控模块；
[0015]步骤2，主控模块根据用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；
[0016]步骤3，由编码调制模块将主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号s(t)，并发送给发射模块，相位调制函数表示如下：
[0017][0018]上式中，表示线性卷积，δ()表示方波，t表示时间，T表示终止时刻，0≤t≤T，p(t)为子脉冲函数，c为编码，N为编码长度；
[0019]步骤4，发射模块按照相位调制后的相位编码信号驱动高压MOS组合管，产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波；
[0020]步骤5，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块；
[0021]步骤6，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和A/D转换，得到透射波原始波形r(t)并发送给主控模块；
[0022]步骤7，主控模块将透射波原始波形r(t)上传给数据处理模块，由数据处理模块进行脉冲压缩后得到脉冲压缩波形h(t)，脉冲压缩通过匹配滤波器使信噪比最大化，匹配滤波器的脉冲响应函数表示如下：
[0023]h(t)＝w
·
s(τ
d
‑
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]上式中：w为增益因子，τ
d
为激励信号的持续时间，s(τ
d
‑
t)表示τ
d
‑
t时刻的相位编码信号；
[0025]步骤8，数据处理模块获取脉冲压缩波形h(t)后，利用贝叶斯信息准则自动拾取脉冲压缩波形的初至，并由此计算出被测岩石的波速，贝叶斯信息准则的计算公式如下：
[0026]BIC(q0)＝q0ln(var{X(1,q0)})+(M
‑
q0‑
1)ln(var{X(q0+1,M)})
‑
q0ln(M)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]上式中：BIC表示观测波形数据的贝叶斯信息值，其最小的点为初至的准确位置，X表示观测波形数据，M是观测波形的采样点数，q0表示初至位置，var表示方差。
[0028]本专利技术的有益效果是：
[0029]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块；其中主控模块与编码调制模块、发射模块、数据采集模块和数据处理模块电连接，主控模块根据数据处理模块发来的用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；编码调制模块对主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号并发送给发射模块；发射模块根据上述的相位编码信号产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头，使纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和A/D转换，得到透射波原始波形，并将其经主控模块上传给数据处理模块。2.根据权利要求1所述基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：主控模块采用ZYNQ
‑
7020作为主控芯片。3.根据权利要求1所述基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：编码调制模块采用spartan6作为主芯片。4.根据权利要求1所述基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：发射模块的激励电压最大达到800V。5.根据权利要求1所述基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：发射模块包括高压MOS组合管、继电器和DC可调高压模块；高压MOS组合管包括N
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MOS管、P
‑
MOS管和驱动芯片EL7222，发射模块将相位编码信号转换为N
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MOS管和P
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MOS管的控制信号，N
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MOS管导通时发射正高压激励信号，P
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MOS管导通时发射负高压激励信号；主控模块通过继电器控制发射模块切换纵波通道和横波通道；主控模块通过DC可调高压模块设定发射模块的激励电压。6.根据权利要求1所述基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其特征在于：数据采集模块采用14位高速ADC，采样率达65MPS。7.一种测量方法，使用权利要求5所述的测量装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将纵横波一体发射探头和纵...

【专利技术属性】
技术研发人员：茹聪，董兴蒙，路艳齐，王永豪，夏济根，翟宇文，武振鹏，
申请(专利权)人：中国电波传播研究所中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：