[发明专利]一种高精度相控阵弹性波隧道三维地质超前预报方法

权利要求书

1.一种高精度相控阵弹性波隧道三维地质超前预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在隧道掌子面前方，按逐渐靠近隧道掌子面的方向，依次平行选择采集断面、第1触发断面DM₁，第2触发断面DM₂,...,第w触发断面DM_w；

其中，在采集断面的拱顶中心点位置、隧道拱腰左侧位置和隧道拱腰右侧位置各布置一台三分量检波器；因此，三台三分量检波器采用三维观测模式布置；

在任意的第u触发断面DM_u，u＝1,2,...,w，选取三个激发点，分别为：第1激发点P_u1、第2激发点P_u2和第3激发点P_u3；其中，第1激发点P_u1为拱顶中心点激发点，第2激发点P_u2为拱腰左侧激发点，第3激发点P_u3为拱腰右侧激发点；三个激发点采用三维观测模式布置；第u触发断面DM_u的任意激发点表示为第v激发点P_uv，v＝1,2,3；

每个激发点布置地震冲击震源；

步骤2，各个地震冲击震源和各个所述三分量检波器均无线连接到主站；各个地震冲击震源分别与各个所述三分量检波器无线连接；

步骤3，确定隧道异常体探测目标；

步骤4，按从第1触发断面DM₁，第2触发断面DM₂,...,第w触发断面DM_w的方向，并且，对于任意第u触发断面DM_u，按从第1激发点P_u1、第2激发点P_u2和第3激发点P_u3的方向，依次在各个触发断面的激发点采用地震冲击震源进行激发，激发的震源子波经地下介质散射以及反射后，由采集断面的三分量检波器检测，并上传至主站；

其中，对于任意的第u触发断面DM_u的第v激发点P_uv，采用以下方式，通过地震冲击震源进行激发：

步骤4.1，在激发点P_uv构造面向隧道顶的平面直角坐标系XOZ，其中，原点O在激发点P_uv位置；X轴与隧道轴向平行，并指向掌子面方向；Z轴为：第u触发断面DM_u在激发点P_uv位置的切向方向，并指向隧道顶方向；

在XOZ平面，根据激发点P_uv与隧道异常体探测目标之间的方位关系，确定需要聚焦震源能量的角度使聚焦震源能量的方向指向隧道异常体探测目标；其中，k＝1,2,...,b；即：可确定b个需要聚焦震源能量的角度

然后，在XOZ平面，通过原点O作一条射线v_uvk，使射线v_uvk与X轴的夹角等于角度其中，射线v_uvk即为XOZ平面上需要形成等效相控阵震源的阵列组合射线；

步骤4.2，从原点O沿射线v_uvk方向，依次选取n个激发子点，分别表示为：S₁,S₂,...,S_n；其中，激发子点S₁到原点O的距离为d₁，激发子点S₂到激发子点S₁的距离为d₂，依此类推，激发子点S_n到激发子点S_n-1的距离为d_n；因此，对于任意的激发子点S_i，i＝1,2,...,n，其对应的移动距离为d_i；

冲击震源在原点O激发后，经过延迟时间τ′₁后，在激发子点S₁进行激发；在激发子点S₁激发后，经过延迟时间τ′₂后，在激发子点S₂进行激发；依此类推，在激发子点S_n-1激发后，经过延迟时间τ′_n后，在激发子点S_n进行激发；因此，对于任意的激发子点S_i，i＝1,2,...,n，其相对于前一个相邻激发子点S_i-1的延迟时间为τ′_i；

其中，激发子点S_i相对于前一个相邻激发子点S_i-1的延迟时间τ′_i通过以下方式确定：

步骤4.2.1，根据XOZ平面与隧道异常体探测目标之间的方位关系，确定需要聚焦震源能量的方位角θ′；其中，θ′为震源主波束能量方向与XOZ平面的夹角；

步骤4.2.2，根据下式，求出相邻冲击震源间的延迟计算时间τ_i：

其中：

k为波数；

f为冲击震源的频率；

v_i为波速；

步骤4.2.3，针对噪声的干扰，在对等效相控阵人工地震冲击震源应用延时叠加的同时，引入动态震源编码策略，从而最终实现针对发射信号直接进行去耦合消噪的高精度相控阵弹性波隧道三维地质超前预报方法；

具体的，由于随机延时Δτ_i大于1/(4λ)的冲击震源叠加会造成等效相位阵冲击震源波形畸变，因此给定Δτ的变化范围：0≤|Δτ_i|≤1/(4λ)；其中，λ为冲击震源的波长；

在0≤|Δτ_i|≤1/(4λ)范围内随机选取随机延时Δτ_i，并去除随机延时Δτ_i之间的相关性，得到无相关性的Δτ₁,Δτ₂,...,Δτ_n；

步骤4.2.4，根据步骤4.2.2得到的延迟计算时间τ_i，以及步骤4.2.3得到的随机延时Δτ_i，根据下式，得到激发子点S_i相对于前一个相邻激发子点S_i-1的延迟时间τ′_i：

τ′_i＝τ_i+Δτ_i

步骤4.3，对于每个激发点P_uv，在确定射线v_uvk后，冲击震源在原点O激发后，经过延迟时间τ′₁，移动距离d₁，从而移动到激发子点S₁，在激发子点S₁激发；然后，经过延迟时间τ′₂，移动距离d₂，从而移动到激发子点S₂，在激发子点S₂激发；依此类推，在激发子点S_n-1激发；然后，经过延迟时间τ′_n后，移动距离d_n，从而移动到激发子点S_n，在激发子点S_n激发；

由此在射线v_uvk不同激发子点位置处产生相同频率以及波形的地震子波，经叠加后形成等效相控阵震源，以等效相控阵震源作为激发进行三维地质超前预报；

其中，步骤4.2.3中，通过以下方法，得到无相关性的Δτ₁,Δτ₂,...,Δτ_n：

对随机延时变量Δτ随机采样n次，依次得到随机采样值为：X_1,1,X_1,2,...,X_1,n；X_1,1,X_1,2,...,X_1,n形成向量X＝(X_1,1,X_1,2,...,X_1,n)^T；其中，上标T代表矩阵的转秩；

令Z_1,n是一个所有元素都为1的1×n的向量；

根据下式，计算得到T₀＝(Δτ₁,Δτ₂,...,Δτ_n)^T

其中：D为中间矩阵；

由此得到无相关性的Δτ₁,Δτ₂,...,Δτ_n。