一种时间反转隧道掘进机精细成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种时间反转隧道掘进机精细成像方法及系统，基于观测数据，构建伪谱能量函数，获取不良地质体回波方位信息；以反射信号方位扫描信息为先验信息，修正格林函数对于不同成像方位的权重，增强方位向相互接近的异常体的分辨能力，得到精细成像结果。本发明专利技术能够为为阵列声波超前地质探测精细成像提供较准确的速度分布，实现了米级

【技术实现步骤摘要】
一种时间反转隧道掘进机精细成像方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道成像
，具体涉及一种时间反转隧道掘进机精细成像方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]隧道掘进机施工过程中，由于多个米级
‑
亚米级不良地质体的并存条件，导致相邻较近的异常地质体的旅行时差异小，易造成反射信号串扰叠加，导致探测结果成像精度不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种时间反转隧道掘进机精细成像方法及系统，本专利技术能够为为阵列声波超前地质探测精细成像提供较准确的速度分布，实现了米级
‑
亚米级异常体较准确成像。
[0005]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：一种时间反转隧道掘进机精细成像方法，包括以下步骤：基于观测数据，构建伪谱能量函数，获取不良地质体回波方位信息；以反射信号方位扫描信息为先验信息，修正格林函数对于不同成像方位的权重，增强方位向相互接近的异常体的分辨能力，得到精细成像结果。
[0006]作为可选择的实施方式，构建伪谱能量函数的具体过程包括：构建伪谱函数：其中为不同方位扫描下的相位延迟大小，为信号子空间对应的向量，通过对不同角度延迟信号估计伪谱能量强度，伪谱能量强度高的位置表明该方向性存在异常地质体。
[0007]作为可选择的实施方式，获取不良地质体回波方位信息的具体过程包括：将目标位置的方位估计加入到改进的格林函数中，通过构建的伪谱函数对目标反射体方向进行估计：KR为频率域数据的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，获取特征值较大对应向量的信号子空间和特征值较小对应向量的噪声子空间。
[0008]作为可选择的实施方式，修正格林函数对于不同成像方位的权重的具体过程包括，将格林函数以方位进行表示，伪谱函数能量强度越大方位其权重越大。
[0009]作为进一步的，不同成像方位的权重为对应伪谱函数能量归一化值。
[0010]作为可选择的实施方式，得到精细成像结果的过程包括畸变校正后的反射矩阵和时间反转算子，表达成像函数。
[0011]作为进一步的，成像函数为：作为进一步的，成像函数为：为畸变矫正后的矩阵表示为的含方位角的变量。
[0012]作为进一步的，对于通过对数据选择一定的时间宽度，实现最大探测深度范围内的逐深度扫描成像结果。
[0013]一种时间反转隧道掘进机精细成像系统，包括：回波方位信息表示模块，被配置为基于观测数据，构建伪谱能量函数，获取不良地质体回波方位信息；精细成像模块，被配置为以反射信号方位扫描信息为先验信息，修正格林函数对于不同成像方位的权重，增强方位向相互接近的异常体的分辨能力，得到精细成像结果。
[0014]一种隧道掘进机，包括处理器，所述处理器加载并执行所述的方法中的步骤。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出以反射信号方位扫描信息为先验信息，通过修正格林函数对于不同成像方位的权重，实现方位加权的时间反转算子精细成像方法。首先，基于接收数据信息提取回波方位并将方位约束信息加入到格林函数之中，增强方位向相互接近的异常体的分辨能力，实现米级
‑
亚米级不良地质体的精细成像，为隧道阵列声波超前地质精细探测对异常地质体的解译方面提供理论基础和保障。
[0016]为使本专利技术的上述目的、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。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1是本专利技术的不同方位异常地质体模型；图2是本专利技术的目标体扫描方位图；图3是本专利技术的不同方位扫描权重因子分布；图4是本专利技术的亚米级溶洞精细成像结果。
[0019]具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0020]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0021]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0022]对于复杂的岩体介质而言，横向相邻较近的异常地质体的反射回波信号到达时间相近，即来自同一反射目标的信号可能经过了不同的传播路径，由惠更斯原理可知此时的不同信号所用旅行时明显不同。
[0023]为了进一步提高成像结果的方位分辨精度，本专利技术引入了方位扫描方法改进格林函数，格林函数为：其中，为虚拟源位置，z为某个成像点深度，为聚焦点，空间格林函数虚拟源位置向某个成像点深度z平面上任一聚焦点的虚拟聚焦，为选定的数据成像频点，V0是岩体介质波速。
[0024]将目标位置的方位估计加入到改进的格林函数中，通过式（2）对目标反射体方向进行估计（1）KR为频率域数据的协方差矩阵。然后对协方差矩阵进行特征值分解，获取特征值较大对应向量的信号子空间和特征值较小对应向量的噪声子空间。在此基础上，构建伪谱函数Ps为：（2）其中为不同方位扫描下的相位延迟大小，为信号子空间对应的向量。通过对不同角度延迟信号估计伪谱能量强度，伪谱能量强度高的位置表明该方向性存在异常地质体。
[0025]而时间反转算子具有多径补偿器效果，例如，对于激励的脉冲信号而言，其空间一点上声场强度表示为：（3）其中S（w）表示激励信号的频率域表达，激发点为zii，接收点为zjj，r为激发点和接收点间水平的距离，t为信号的传播时间，则接收点信号的时间反转则可以表示为，将其带入式（1）则有：（4）
其中表示为复数域的共轭，由傅里叶变化的性质可知，复数域的共轭在时间域表示为时间上的反转。将时间反转信号作为新的激励源则可以得到反转后激励信号S处的声场强度为：（5）其中表示为zii位置激励信号经过时间翻转后在z位置接收信号的过程，当接收位置z与zii重合时，从上式可以发现时间翻转算子实现了匹配滤波功能，其中传递函数为。因此信号时间经反转算子运算后能够获得增强的聚焦效果。
[0026]为了验证方位角估计的有效性，本专利技术设计了模型如图1所示，距离掌子面前10m位置处，掌子面中间20
°
和
‑
20
°
方位上存在两个直径为0.8m溶洞。背景围岩波速为3000m/s，溶洞和隧道空腔波速为340m/s，隧道空腔高度10m，长5m。
[0027]在此基础上，对处理后的数据进行延迟扫描，获取目标地质体回波方位如图2所示，从图中可以发现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间反转隧道掘进机精细成像方法，其特征是，包括以下步骤：基于观测数据，构建伪谱能量函数，获取不良地质体回波方位信息；以反射信号方位扫描信息为先验信息，修正格林函数对于不同成像方位的权重，增强方位向相互接近的异常体的分辨能力，得到精细成像结果。2.如权利要求1所述的一种时间反转隧道掘进机精细成像方法，其特征是，构建伪谱能量函数的具体过程包括：构建伪谱函数：其中为不同方位扫描下的相位延迟大小，为信号子空间对应的向量，通过对不同角度延迟信号估计伪谱能量强度，伪谱能量强度高的位置表明该方向性存在异常地质体。3.如权利要求1所述的一种时间反转隧道掘进机精细成像方法，其特征是，获取不良地质体回波方位信息的具体过程包括：将目标位置的方位估计加入到改进的格林函数中，通过构建的伪谱函数对目标反射体方向进行估计：KR为频率域数据的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，获取特征值较大对应向量的信号子空间和特征值较小对应向量的噪声子空间。4.如权利要求1所述的一种时间反转隧道掘进机精细成像方法，其特征是，修正格林函数对于不同成像方位的权重的具体过程包括，将格林函数以方位进行表示，伪谱函数能量强度越大...

【专利技术属性】
技术研发人员：许新骥，公志飞，刘斌，李铎，付超，陈磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：