[发明专利]一种基于声波反射的埋地管线探测装置及方法

权利要求书

1.一种基于声波反射的埋地管线探测装置，其特征在于，包括：安装在地面的信号发生器、功率放大器、激振器、耙式振动台、若干个三轴地震检波器，以及安装在上位机上的信号处理器；其中，若干个三轴地震检波器构成检波器阵列，所述激振器与检波器阵列连线构成测线方向；

所述信号发生器，用于采用波形调制产生两种调制信号：短时冲击信号和长时扫频信号；

所述功率放大器：用于对信号发生器产生的调制信号进行功率放大；

所述激振器：用于接收所述功率放大器的信号，产生地震波：竖直方向和水平方向的振动；

所述耙式振动台：用于将激振器产生的地震波耦合进土壤中；

所述三轴地震检波器：用于接收与测线水平方向、与测线垂直方向以及与地面垂直方向的反射声波信号；

所述信号处理器：用于处理三轴地震检波器接收的声波信号，对信号进行滤波、时延估计和成像分析，最后通过图像得到埋地管线的位置。

2.根据权利要求1所述的基于声波反射的埋地管线探测装置，其特征在于，所述短时冲击信号为持续时间短、频带宽、空间分辨量高的信号；所述长时扫频信号的频率范围为50Hz-1000Hz，信号持续时间为5s-10s。

3.根据权利要求1所述的基于声波反射的埋地管线探测装置，其特征在于，所述耙式振动台包含多个齿，个数为6-8个，齿间距小于半个波长，齿的高度为10cm-20cm。

4.根据权利要求1所述的基于声波反射的埋地管线探测装置，其特征在于，所述三轴地震检波器的频率与信号发生器产生的信号相同。

5.根据权利要求1所述的基于声波反射的埋地管线探测装置，其特征在于，所述反射声波信号为土壤中传播的剪切波。

6.一种基于权利要求1-5之一所述的装置实现的基于声波反射的埋地管线探测方法，所述方法包括：

步骤1)测量地层表面波的传波速度cr，然后推算土层中剪切波的速度；

其中，v表示土壤泊松比；

步骤2)所述信号发生器产生调制信号，经功率放大器进行放大后驱动激振器振动，通过耙式振动台将激振信号耦合到土壤中，所述检波器阵列接收经埋地管线反射的回波信号；

步骤3)设定激振信号附近的检波器信号为参考检波器信号，并与检波器阵列接收的信号进行互相关运算，获得互相关函数；

步骤4)扫描测线下方土壤区域，绘制反演互相关图像，寻找埋地管线位置。

7.根据权利要求6所述的基于声波反射的埋地管线探测方法，其特征在于，所步骤3)的具体实现过程为：

激振信号耦合到土壤中进行传播，经管线反射后被布置在土壤表面的检波器阵列接收，对参考检波器信号和检波器阵列接收的信号按下式进行互相关运算，得到互相关函数：

式中，τ为第i个检波器和参考检波器的时间差，F^-1表示傅里叶逆变换，ψ(f)表示广义互相关加权系数，S_1i(f)为第i个检波器和参考检波器接收信号的互功率谱密度函数。

8.根据权利要求7所述的基于声波反射的埋地管线探测方法，其特征在于，所步骤4)的具体实现过程为：

步骤4-1)将测线下方土壤区域按一定步长划分网格，此网格大小为管线探测的最高空间分辨率；然后按从左到右、从上到下的顺序扫描所有网格，通过公式(4)计算每个网格对应的声波传播时间：

式中：x为网格的横坐标，y为网格的纵坐标，x_s为激振器的横坐标，x_i为第i个检波器的横坐标；

步骤4-2)将求得的t_i代入公式(3)得到互相关函数值R_xy，将所有网格点的互相关函数值R_xy构造生成二维图像，图中能量最大值为管线所在位置。