專(zhuān)利名稱(chēng)：面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種地下管線層析成像系統(tǒng)，尤其是指ー種應(yīng)用于不同深度的地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，屬于地下管線精細(xì)探測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，大城市的土地資源變得緊缺，地下空間的開(kāi)發(fā)則成為必然趨勢(shì)。但城市地下空間開(kāi)發(fā)利用是ー項(xiàng)極為復(fù)雜的工作，城市地下空間結(jié)構(gòu)繁雜，地下管線分布密如蜘網(wǎng)，需要多學(xué)科、多門(mén)類(lèi)的技術(shù)服務(wù)。有效合理的利用城市地下空間資源的最基礎(chǔ)最重要的工作，就是探明城市地下空間的結(jié)構(gòu)屬性及地下管線分布，然后才能準(zhǔn)確有效的規(guī)劃地下空間的開(kāi)發(fā)和利用。因此，精確探明城市復(fù)雜的地下管線的空間分布位置就顯得尤為重要。 現(xiàn)有工程中，通常采用電磁管線定位儀和探地雷達(dá)等儀器對(duì)地下管線的分布位置進(jìn)行探測(cè)。從原理上來(lái)說(shuō)，這些常規(guī)的測(cè)量方法存在以下缺陷第一，可探測(cè)的地下管線埋設(shè)的深度較淺，通常不超過(guò)5米；第二，探測(cè)精度易受電磁場(chǎng)和鐵磁物體的干擾，因?yàn)樵诔鞘兄写嬖趶?qiáng)電磁干擾源，包括高壓線、鋼筋混凝土路面、通訊基站等，故探測(cè)效果較差;第三，對(duì)于地下管線的探測(cè)往往只能定性，而難以做到準(zhǔn)確定量的精確探測(cè)；第四，利用每ー種探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè)的方法都只適用于某一類(lèi)材質(zhì)的管線測(cè)量，比如金屬管道，因此缺乏通用性。鑒于以上所描述的在現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和限制，在對(duì)城市地下空間進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，亟需ー種自主、抗干擾的地下管線三維探測(cè)技術(shù)，精確提供地下管線分布的三維圖像信息，并且該技術(shù)能夠適用于各種材質(zhì)和埋設(shè)深度的地下管線的探測(cè)。因此，可以借鑒醫(yī)學(xué)上的CT掃描理論，使用地下層析成像技術(shù)來(lái)詳細(xì)探測(cè)調(diào)查地下空間的物性參數(shù)。目前，所述的地下層析成像技術(shù)在干擾環(huán)境小、探測(cè)目標(biāo)大的石油勘探、煤田勘探、礦產(chǎn)勘探中已經(jīng)得到廣泛的推廣和運(yùn)用，并取得了良好的效果。但是，將該地下層析成像技術(shù)應(yīng)用于對(duì)城市地下管線進(jìn)行探測(cè)成像時(shí)，尚有兩個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題仍需解決第一，需要大幅度的降低城市環(huán)境干擾(例如電磁干擾、噪聲干擾等)對(duì)成像儀器的影響；第二，如何實(shí)現(xiàn)高分辨率的地下層析成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，探測(cè)深度廣，精確提供地下管線分布的高分辨率的三維圖像信息，并且適用于各種材質(zhì)和埋設(shè)深度的地下管線的探測(cè)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，包含地面可控震源，其通過(guò)釋放能量形成向地下傳播的弾性波；彈性波檢波器陣列，包含若干分別設(shè)置在地面或埋設(shè)在地下的弾性波檢波器，采集經(jīng)由地下管線反射后的弾性波反射信息；以及多道地震儀，其分別和每個(gè)彈性波檢波器通過(guò)電纜連接，接收由彈性波檢波器陣列所采集的弾性波反射信息，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后形成地下管線分布的三維圖像信息。所述地面可控震源為能提供不同頻率的多分量高頻可控震源。所述埋設(shè)在地下的若干弾性波檢波器，是埋設(shè)在地下約O. 5米深處的孔洞內(nèi)。所述彈性波檢波器為多分量弾性波檢波器，包含多級(jí)相互連接的多分量檢波器單元；每個(gè)所述多分量檢波器単元包含設(shè)置在殼體內(nèi)的檢波器組件和氣囊組件；所述氣囊組件包含氣囊和包裹在該氣囊外部的多層收縮套，且每個(gè)多分量檢波器単元的氣囊與相鄰多分量檢波器単元的氣囊之間通過(guò)氣管連接。所述每個(gè)弾性波檢波器與多道地震儀之間采用多通道信號(hào)采集線連接。所述多道地震儀包含依次連接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、微控制器和數(shù)據(jù) 顯示模塊；所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊為A/D轉(zhuǎn)換器，接收各個(gè)弾性波檢波器采集到的弾性波反射信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成弾性波反射數(shù)字信號(hào)，并對(duì)彈性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加；所述數(shù)據(jù)濾波模塊濾除弾性波反射數(shù)字信號(hào)中的噪音干擾；所述微控制器對(duì)濾波后的弾性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算得到地下管線分布位置的三維信息；所述數(shù)據(jù)顯示模塊為液晶顯示器，顯示由微控制器計(jì)算得到的地下管線分布位置的三維圖像信息。所述數(shù)據(jù)濾波模塊包含依次連接的高壓線陷波模塊，低切濾波模塊和高截濾波模塊。所述多道地震儀還包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，其與所述微控制器連接，存儲(chǔ)探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。所述多道地震儀還包含長(zhǎng)距離通訊模塊，其與所述微控制器連接，向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳輸探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。所述地下管線層析成像系統(tǒng)還包含與所述多道地震儀連接的GPS設(shè)備，獲得地下管線的相對(duì)于地理坐標(biāo)的絕對(duì)三維信息。本發(fā)明所提供的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，在探測(cè)過(guò)程中能有效屏蔽城市中各種較強(qiáng)的電磁干擾和噪聲干擾；地下探測(cè)深度廣，能實(shí)現(xiàn)地下O. 5 40米范圍內(nèi)的地下管線分布的精確探測(cè)，生成地下管線分布的高分辨率三維圖像信息，并且該地下管線層析成像系統(tǒng)適用于各種材質(zhì)和埋設(shè)深度的地下管線的探測(cè)。


圖I為本發(fā)明中的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖2為本發(fā)明中的多道地震儀的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合圖I 圖2，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。如圖I所示，為本發(fā)明所提供的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該地下管線層析成像系統(tǒng)包含地面可控震源I，其通過(guò)釋放能量形成向地下傳播的弾性波；彈性波檢波器陣列2，包含若干分別設(shè)置在地面或埋設(shè)在地下的弾性波檢波器21，采集經(jīng)由地下管線反射后的弾性波反射信息；以及多道地震儀3，其分別和每個(gè)彈性波檢波器21通過(guò)電纜連接，接收由彈性波檢波器陣列2所采集的弾性波反射信息，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后形成地下管線分布的三維圖像信息。
其中，所述地面可控震源I采用輕便的多分量高頻可控震源，其是ー種用于工程探測(cè)和淺層地震勘探 成像的激震信號(hào)源；能夠根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的不同路面條件，提供各種不同頻率的可控震動(dòng)源，以達(dá)到最佳的激發(fā)效果；并且能夠同時(shí)控制產(chǎn)生多個(gè)震源，即同時(shí)向地下發(fā)射并傳播多個(gè)彈性波。本實(shí)施例中，所述地面可控震源I采用的掃描信號(hào)為Chirp信號(hào)(線性調(diào)頻信號(hào)，具有尖銳的模糊度函數(shù)，既有一定的分辨率，又有較高的容限)，該Chirp信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)激震器，隨后激振器通過(guò)和地面致密耦合的基板向地下同時(shí)發(fā)射四個(gè)彈性波。弾性波在地下傳播過(guò)程中如遇到地下管線則會(huì)反射回地面，使得其傳播信息被弾性波檢波器陣列2中最接近其的彈性波檢波器21所接收。所述彈性波檢波器陣列2中埋設(shè)在地下的若干弾性波檢波器21，是埋設(shè)在地下約
O.5米深處的孔洞內(nèi)。每個(gè)所述的彈性波檢波器21均采用多分量彈性波檢波器，包含多級(jí)相互連接的多分量檢波器単元。每個(gè)多分量檢波器単元中包含設(shè)置在殼體內(nèi)的檢波器組件和氣囊組件；所述每個(gè)多分量檢波器単元的殼體之間相互連接。所述氣囊組件包含氣囊和包裹在該氣囊外部的多層收縮套，且每個(gè)多分量檢波器単元的氣囊與相鄰多分量檢波器単元的氣囊之間通過(guò)氣管連接，當(dāng)所述多分量弾性波檢波器21被埋設(shè)在地下孔洞內(nèi)后，通過(guò)氣管向各個(gè)多分量檢波器単元的氣囊充氣使其鼓起，從而與孔洞內(nèi)壁緊貼而實(shí)現(xiàn)固定。由于本發(fā)明所采用的多分量弾性波檢波器21包含若干単元的檢波器組件，因此其能夠接收采集數(shù)倍的共反射點(diǎn)的弾性波反射信息，這種疊加后接收的彈性波反射信息大大提高了分辨率和信噪比，從而能夠有效提高城市地下弾性波的采集效率和采集質(zhì)量。同時(shí)，由于本發(fā)明中在地面和地下均大量設(shè)置多分量弾性波檢波器，從而實(shí)現(xiàn)多次覆蓋，多次收發(fā)，采集海量的地下弾性波傳播信息，并接收經(jīng)由地下管線反射后的弾性波信息，及其有利于后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理，并生成精確的地下管線三維圖像信息。所述每個(gè)弾性波檢波器21與多道地震儀3之間采用多通道信號(hào)采集線連接；所述多通道信號(hào)采集線連接采用屏蔽材料加工，具有良好的抗沖擊和防水性能，可有效屏蔽城市中的各種電磁干擾以及震動(dòng)干擾等。如圖2所示，所述多道地震儀3包含依次連接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊31、數(shù)據(jù)濾波模塊32、微控制器33和數(shù)據(jù)顯示模塊34。所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊31采用高精度A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換器，接收各個(gè)彈性波檢波器采集到的弾性波反射信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成弾性波反射數(shù)字信號(hào)，同時(shí)對(duì)彈性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加，可有效抑制隨機(jī)噪音干擾，提高信號(hào)信噪比。本實(shí)施例中，所采用的高精度A/D轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行32位(bit)的數(shù)據(jù)疊加。所述數(shù)據(jù)濾波模塊32用于濾除弾性波反射數(shù)字信號(hào)中的各類(lèi)城市噪音干擾，包括移動(dòng)汽車(chē)、高壓線以及振動(dòng)的機(jī)器等，從而進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量和分辨率。所述數(shù)據(jù)濾波模塊32包含依次連接的高壓線陷波模塊321 :用于消除電網(wǎng)エ頻干擾信號(hào)和高壓線電磁干擾信號(hào)，即用于消除頻率在50/60HZ及其諧波的干擾信號(hào)；低切濾波模塊322 :用于有效壓制地滾波信號(hào)和遠(yuǎn)處交通帶來(lái)的干擾信號(hào)；高截濾波模塊323 :用于有效降低風(fēng)噪。所述微控制器33采用型號(hào)為NIOS II的高性能微控制器，其對(duì)濾波后的弾性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，運(yùn)用彈性波射線軌跡推算原理，通過(guò)反演運(yùn)算，計(jì)算得到地下管線分布位置的三維信息。所述數(shù)據(jù)顯示模塊34采用高分辨率的液晶顯示器，顯示由微控制器33計(jì)算得到的地下管線分布位置的三維圖像信息。本實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)顯示模塊34采用與普通計(jì)算機(jī)兼容的、日光下可見(jiàn)的高分辨率640
480的液晶顯不器。所述多道地震儀3還包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35，其與所述微控制器33連接，用于存儲(chǔ)當(dāng)前幾日內(nèi)探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。所述多道地震儀3還包含長(zhǎng)距離通訊模塊36，其與所述微控制器33連接，可向遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)5傳輸探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中，所述長(zhǎng)距離通訊模塊36采用RS485串行接ロ。所述地下管線層析成像系統(tǒng)還包含與所述多道地震儀3連接的GPS (全球定位系 統(tǒng))設(shè)備4，從而可獲得地下管線的相對(duì)于地理坐標(biāo)的絕對(duì)三維信息。本發(fā)明所提供的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，在探測(cè)過(guò)程中能有效屏蔽城市中各種較強(qiáng)的電磁干擾和噪聲干擾；地下探測(cè)深度廣，能實(shí)現(xiàn)地下O. 5 40米范圍內(nèi)的地下管線分布的精確探測(cè)，生成地下管線分布的高分辨率三維圖像信息，并且該地下管線層析成像系統(tǒng)適用于各種材質(zhì)和埋設(shè)深度的地下管線的探測(cè)。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，包含 地面可控震源(1)，其形成向地下傳播的彈性波； 彈性波檢波器陣列(2)，包含若干分別設(shè)置在地面或埋設(shè)在地下的彈性波檢波器(21)，采集經(jīng)由地下管線反射后的彈性波反射信息； 多道地震儀(3)，其分別和每個(gè)彈性波檢波器(21)通過(guò)電纜連接，接收由彈性波檢波器陣列(2)所采集的彈性波反射信息，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后形成地下管線分布的三維圖像信肩、O
2.如權(quán)利要求I所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述地面可控震源(I)為能提供不同頻率的多分量高頻可控震源。
3.如權(quán)利要求I所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述埋設(shè)在地下的若干彈性波檢波器(21)，是埋設(shè)在地下0. 5米深處的孔洞內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述彈性波檢波器(21)為多分量彈性波檢波器，包含多級(jí)相互連接的多分量檢波器單元； 每個(gè)所述多分量檢波器單元包含設(shè)置在殼體內(nèi)的檢波器組件和氣囊組件； 所述氣囊組件包含氣囊和包裹在該氣囊外部的多層收縮套，且每個(gè)多分量檢波器單元的氣囊與相鄰多分量檢波器單元的氣囊之間通過(guò)氣管連接。
5.如權(quán)利要求4所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述每個(gè)彈性波檢波器(21)與多道地震儀(3)之間采用多通道信號(hào)采集線連接。
6.如權(quán)利要求I所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述多道地震儀(3)包含依次連接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(31)、數(shù)據(jù)濾波模塊(32)、微控制器(33)和數(shù)據(jù)顯示模塊(34); 所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(31)為A/D轉(zhuǎn)換器，接收各個(gè)彈性波檢波器采集到的彈性波反射信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成彈性波反射數(shù)字信號(hào)，并對(duì)彈性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加； 所述數(shù)據(jù)濾波模塊(32)濾除彈性波反射數(shù)字信號(hào)中的噪音干擾； 所述微控制器(33 )對(duì)濾波后的彈性波反射數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算得到地下管線分布位置的三維信息； 所述數(shù)據(jù)顯示模塊(34)為液晶顯示器，顯示由微控制器計(jì)算得到的地下管線分布位置的三維圖像信息。
7.如權(quán)利要求6所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)濾波模塊(32)包含依次連接的高壓線陷波模塊(321)，低切濾波模塊(322)和高截濾波模塊(323)。
8.如權(quán)利要求6所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述多道地震儀(3)還包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(35)，其與所述微控制器(33)連接，存儲(chǔ)探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求6所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述多道地震儀(3)還包含長(zhǎng)距離通訊模塊(36)，其與所述微控制器(33)連接，向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(5)傳輸探測(cè)到的地下管線的三維信息數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求I所述的面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述地下管線層析成像系統(tǒng)還包含與所述多道地震儀(3)連接的GPS設(shè)備(4)，獲得地下管線的相對(duì)于地理坐標(biāo)的 絕對(duì)三維信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向地下空間開(kāi)發(fā)的地下管線層析成像系統(tǒng)，包含地面可控震源，其通過(guò)釋放能量形成向地下傳播的彈性波；彈性波檢波器陣列，包含若干分別設(shè)置在地面或埋設(shè)在地下的彈性波檢波器，采集經(jīng)由地下管線反射后的彈性波反射信息；以及多道地震儀，其分別和每個(gè)彈性波檢波器通過(guò)電纜連接，接收由彈性波檢波器陣列所采集的彈性波反射信息，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后形成地下管線分布的三維圖像信息。本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，探測(cè)深度廣，精確提供地下管線分布的高分辨率的三維圖像信息，并且適用于各種材質(zhì)和埋設(shè)深度的地下管線的探測(cè)。
文檔編號(hào)G01V1/00GK102662191SQ20121018229
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者盧德軍, 李大海 申請(qǐng)人:上海通振建設(shè)工程有限公司