CN109752756A - 探测浅埋物体的地表激励装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了探测浅埋物体的地表激励装置和方法，包括：该装置包括传感器阵列、激振器和固定装置，传感器阵列包括多个传感器；多个传感器依次设置在地表上，激振器设置在地表，并通过螺栓或固定夹具与固定装置相连接，多个传感器构成的测线与激振器的水平振动方向垂直；该方法包括通过激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和探测目标，反射得到地表振动信号；通过传感器采集地表振动信号；对地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置，可以抑制除横波外的其它模式的地震波的干扰，并且不受环境因素的影响，实现对埋地物体的准确定位，采集准确率高。

Description

探测浅埋物体的地表激励装置和方法

技术领域

本发明涉及物探技术领域，尤其是涉及探测浅埋物体的地表激励装置和方法。

背景技术

声学方法是埋地物体探测的重要方法之一，特别针对非金属物体或者含水量高的土壤环境有着独特优势。传统的声学方法已在深埋物体探测中广泛应用，然而该方法对浅埋物体探测的效果并不理想。原因是：其一，地表声源将激发多种模式的地震波，包括体波(即纵波和横波)与表面波，各种模式的声波波速不同，传播方式也不同，导致地表传感器采集的信号是多种模式的直达波信号以及反射波信号的叠加，因此无法正确成像；其二，地表土壤环境复杂，填土质地和土壤中水饱和程度将改变声波的传播特性，甚至于导致模式转换，进而影响探测准确度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供探测浅埋物体的地表激励装置和方法，可以抑制除横波外的其它模式的地震波的干扰，并且不受环境因素的影响，实现对埋地物体的准确定位，采集准确率高。

第一方面，本发明实施例提供了探测浅埋物体的地表激励装置，所述装置包括传感器阵列、激振器和固定装置，所述传感器阵列包括多个传感器；

所述多个传感器依次设置在地表上，所述激振器设置在地表，并通过螺栓或固定夹具与所述固定装置相连接，所述多个传感器构成的测线与所述激振器的水平振动方向垂直。

进一步的，所述固定装置包括底座和多个固定部件，所述底座与所述多个固定部件相连接。

进一步的，所述固定装置还包括多个连接部件，所述连接部件包括所述螺栓，所述固定部件通过所述螺栓与所述底座相连接。

进一步的，所述固定部件通过焊接的方式与所述底座相连接。

进一步的，所述激振器产生的激励信号的频率的高频上限对应的波长的一半不小于所述固定装置中所述底座的宽度。

进一步的，所述底座包括凸起和水平尺安放槽。

进一步的，所述固定部件的形状包括棒状、棱柱状和棱片状。

进一步的，所述固定部件的直径小于10毫米，所述固定部件底部的面积小于4平方毫米。

进一步的，所述传感器包括地震检波器和加速度计。

第二方面，本发明实施例提供了探测浅埋物体的地表激励方法，应用于如上所述的探测浅埋物体的地表激励装置，所述探测浅埋物体的地表激励装置包括激振器和传感器，所述方法包括：

通过所述激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和探测目标，反射得到地表振动信号；

通过所述传感器采集所述地表振动信号；

对所述地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置。

本发明实施例提供了探测浅埋物体的地表激励装置和方法，包括：该装置包括传感器阵列、激振器和固定装置，传感器阵列包括多个传感器；多个传感器依次设置在地表上，激振器设置在地表，并通过螺栓或固定夹具与固定装置相连接，多个传感器构成的测线与激振器的水平振动方向垂直；该方法包括通过激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和探测目标，反射得到地表振动信号；通过传感器采集地表振动信号；对地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置，可以抑制除横波外的其它模式的地震波的干扰，并且不受环境因素的影响，实现对埋地物体的准确定位，采集准确率高。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、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

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的探测浅埋物体的地表激励装置示意图；

图2为本发明实施例二提供的固定装置侧视图；

图3为本发明实施例二提供的固定装置俯视图；

图4为本发明实施例三提供的探测浅埋物体的地表激励方法流程图；

图5为本发明实施例三提供的探测浅埋物体的测试结果示意图。

图标：

1-传感器；2-激振器；3-地表；4-探测剖面；5-探测目标；6-固定装置；61-底座；62-固定部件；63-连接部件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑地表在极坐标系(r,φ)中，r为坐标与原点的距离，φ为坐标点与极轴的夹角。现假设在距离原点r＝r₀的区域内受水平方向的激励，激励源半径为r₀，则地表的应力分布如公式(1)所示：

其中，为周向的应力，σ_r为径向的应力，P₀为声压波动幅值，函数F₁(r)和F₂(r)是应力随r变化的分布函数，由公式(2)和公式(3)表示为：

从而求取地表土壤在半无限大球坐标系中任意一点(R,θ,φ)的位移场，其中R代表坐标点距离原点的距离，θ与φ分别代表方位角与俯仰角。如公式(4)所示：

其中，i代表虚数单位，k₁、k₂分别代表压缩波和剪切波波数，m为压缩波和剪切波波速之比，u_R、u_θ、u_φ分别代表径向、平行于方位角方向和平行于俯仰角方向上的位移场。

对上式位移场结果求导，进一步得到地表水平激励下辐射的三种地震波能量通量密度指向性。可发现水平激励时，垂直于地表声源作用的平面内，所激发的横波的能量占比最大。因此，本申请通过在地表沿垂直于水平声源方向上布置传感器阵列，接收地表振动信号，从而可有效抑制除横波外的其它模式的地震波干扰。

为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的探测浅埋物体的地表激励装置示意图。

参照图1，该装置包括传感器阵列、激振器2和固定装置6，传感器阵列包括多个传感器1；

多个传感器1依次设置在地表3上，激振器2设置在地表3，并通过螺栓或固定夹具与固定装置6相连接，多个传感器1构成的测线与激振器2的水平振动方向垂直。

其中，传感器1包括地震检波器和加速度计。激振器2通过固定装置6固定在地表上。具体地，激振器2激发的激励信号在探测剖面4中辐射，分别经过地表3和探测目标反射两条路径传至地面的多个传感器1，同时，所激发的纵波和表面波在探测剖面4中辐射能量可忽略，从而提高传感器1拾取信号的信噪比，实现对探测物体的准确定位。

实施例二：

图2和图3分别为本发明实施例二提供的固定装置侧视图和俯视图。

参照图2和图3，固定装置6包括底座61和多个固定部件62，底座61与多个固定部件62相连接。

这里，固定部件数量的选取应满足：不干扰高频段信号、便于安装，在此基础上尽可能增加固定部件数量，以增加固定部件与土壤的接触面积。

固定部件62的数量通过土况与激振器的性能决定。将底座的长边定义为激振方向，底座的宽边定义为其垂直方向，其中，长边大于宽边。

固定装置6还包括多个连接部件63，连接部件63包括螺栓，固定部件62通过螺栓与底座61相连接。螺栓的型号为M4至M6。

固定部件62通过焊接的方式与底座61相连接。

这里，固定部件62与底座61的连接方式包括两种情况，第一种情况是固定部件62通过连接部件63与底座61相连接，固定部件62为螺栓，但不限于螺栓；第二种情况是固定部件62通过焊接的方式与底座61相连接。上述两种方式都可以将固定部件62与底座61相连接，从而实现对激振器的固定。

在本申请中，激振器产生的激励信号的频率的高频上限对应的波长的一半不小于固定装置中底座的宽度。激励信号的频率应在激振器的动态范围内。当底座长度超过水平横波波长时，应考虑更换更高额定输出的激振器或增加激振器单元个数。

底座61包括凸起和水平尺安放槽。

这里，激振器沿水平方向激振，且在正常工作时，其竖直分量的能量应不高于水平方向能量的2％。当激振器安装在固定装置6的底座61上时，应用水平尺确定固定装置6的底座61的上表面水平。凸起用来敲击产生激励信号。

固定部件62的形状包括棒状、棱柱状和棱片状。

固定部件62的直径小于10毫米，固定部件62底部的面积小于4平方毫米。

实施例三：

图4为本发明实施例三提供的探测浅埋物体的地表激励方法流程图。

参照图4，应用于如上所述的探测浅埋物体的地表激励装置，探测浅埋物体的地表激励装置包括激振器和传感器，该方法包括以下步骤：

步骤S101，通过激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和埋地物体，反射得到地表振动信号；

步骤S102，通过传感器采集所述地表振动信号；

步骤S103，对地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置。

本申请中安装有与激振器连接，用于激发横波的固定装置，通过该固定装置，将激振器与地表连接为一个整体，通过地表振动，有效激发单一的横波并将振动耦合至地表土壤中。

固定装置的埋地部分由三棱不锈钢腿组成；每一棱由顶部宽7mm，底部宽2mm，高度为30mm(对于砂土应为50mm)的直角梯形组成，厚度为2mm；三个棱片焊接在长为35mm(对于砂土应为55mm)直径为5mm的不锈钢柱上，相互夹角为60度；柱顶部露出部分为M5螺纹，便于固定于激振器外壳或基座。

用于水平激励的基座由一块钢板(61x31x5mm)构成，在正面部分的中心以及四个角有台形凸起，供装配锤敲击；基座正面四周有六个安装螺孔，用以连接激振器外壳，背面均匀分布八个M5螺孔，用以固定三棱腿。

实测中，选择了没有埋地物体的绿地，选用了六个三轴加速度计，选用三次锤击信号作为测试信号，分析距离声源2.5～3m处的两个加速度计的横波分量，得到如图5所示的测试结果。由图5可知，横坐标为互相关时间延迟，纵坐标为互相关幅度，图(a)、图(b)和图(c)分别是第一、第二与第三次敲击信号的互相关结果，图(d)为三次敲击完整信号的互相关结果，其中，对三次敲击的完整信号进行互相关时，幅度进行了归一化。本申请所使用的方法能够正确采集到横波信号，经分析可知，横波波速为113m/s，地表波波速为105m/s。

本发明实施例提供了探测浅埋物体的地表激励装置和方法，包括：该装置包括传感器阵列、激振器和固定装置，传感器阵列包括多个传感器；多个传感器依次设置在地表上，激振器设置在地表，并通过螺栓或固定夹具与固定装置相连接，多个传感器构成的测线与激振器的水平振动方向垂直；该方法包括通过激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和探测目标，反射得到地表振动信号；通过传感器采集地表振动信号；对地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置，可以抑制除横波外的其他模式的地震波的干扰，并且不受环境因素的影响，实现对埋地物体的准确定位，采集准确率高。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的探测浅埋物体的地表激励方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的探测浅埋物体的地表激励方法的步骤。

本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述装置包括传感器阵列、激振器和固定装置，所述传感器阵列包括多个传感器；

所述多个传感器依次设置在地表上，所述激振器设置在地表，并通过螺栓或固定夹具与所述固定装置相连接，所述多个传感器构成的测线与所述激振器的水平振动方向垂直。

2.根据权利要求1所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述固定装置包括底座和多个固定部件，所述底座与所述多个固定部件相连接。

3.根据权利要求2所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述固定装置还包括多个连接部件，所述连接部件包括所述螺栓，所述固定部件通过所述螺栓与所述底座相连接。

4.根据权利要求2所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述固定部件通过焊接的方式与所述底座相连接。

5.根据权利要求3或4所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述激振器产生的激励信号的频率的高频上限对应的波长的一半不小于所述固定装置中所述底座的宽度。

6.根据权利要求5所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述底座包括凸起和水平尺安放槽。

7.根据权利要求6所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述固定部件的形状包括棒状、棱柱状和棱片状。

8.根据权利要求7所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述固定部件的直径小于10毫米，所述固定部件底部的面积小于4平方毫米。

9.根据权利要求1所述的探测浅埋物体的地表激励装置，其特征在于，所述传感器包括地震检波器和加速度计。

10.一种探测浅埋物体的地表激励方法，其特征在于，应用于权利要求1至权9任一项所述的探测浅埋物体的地表激励装置，所述探测浅埋物体的地表激励装置包括激振器和传感器，所述方法包括：

通过所述激振器产生的激励信号在探测剖面中辐射，分别经过地表和探测目标，反射得到地表振动信号；

通过所述传感器采集所述地表振动信号；

对所述地表振动信号的横波进行分析，确定探测目标的位置。