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专利名称：检测岩石类构件弹性波速度的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及ー种检测岩石类构件弾性波速度的方法以及检测岩石类构件的系统。
背景技术：
岩石弾性波速度是研究岩体中弾性波传播规律、以及研究岩体各种物理力学參数动测方法的重要參数之一，也是评价岩土工程建设质量的重要參数。现有弹性波速度的检测方法是在岩块两端布置换能器，通过声波发射仪的触发电路产生脉冲信号(正弦脉冲或矩形脉冲)，脉冲信号经发射换能器向岩块内发射弾性波，弹性波在岩体内传播并为接收换能器所接收，经放大电路放大，实现模数转换，再由仪器记录接收波形信号，通过读出首波到达时间At，由下式计算出波速v，v= AL/At，AL为被测岩块长度。然而，现有技术在现场检测过程中，有时会因为背景噪声干扰大，使首波与噪声信号混叠，甚至首波被完全淹没在噪声信号中，因此，这种情况下，就会难以判断弾性波的首波到达时间。而且，现有技术在检测较长岩石类构件吋，由于弹性波传播长距离后的幅度衰减较大，所以造成在接收信号中不易判别弹性波首波的问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种检测岩石类构件弹性波速度的方法，其在现场噪音干扰大的情况下能够精确地检测出岩石弾性波速度，而且在针对较长距离构件时也能够检测出弹性波的到达时间。为实现上述目的，本发明提供了一种检测岩石弾性波速度的方法。该方法包括发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合，用线性调频编码信号激励该发射换能器，所述接收换能器接收到检测信号Srodt ;对匹配滤波信号Smatah与所述检测信号s_k做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号Smdipmss (η);其中，匹配滤波信号Smatah是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；根据所述脉冲压缩信号Smdipmss(η)的峰值时间At计算得到弾性波的首波到达时间。此外，本发明还提供一种检测岩石类构件的系统。该系统包括发射换能器，其在线性调频编码信号的激励，将该线性调频编码信号转换成振动信号，井向岩石类构件发射该振动信号；接收换能器，其接收来自岩石类构件的弾性波，将该弹性波转换成检测信号Srock ;运算设备，其用于对匹配滤波信号Smatah与所述检测信号s_k做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号s_p_(n)，其中，匹配滤波信号Smatah是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果(I)本发明利用线性调频信号的宽时、宽带特性及良好的压缩特性，在接收端通过脉冲压缩(压缩后的信号的信噪比较高)，判断压缩信号的単一主瓣峰值时间，从而精确地检测出岩石弾性波速度；(2)本发明的发射换能器发射出的发射信号具有宽时、宽带特性，从而决定了信号的能量较大，因此能够穿透长距离的被检构件；(3)本发明采用的方法可使发射信号的特征与噪音信号的特征存在明显的差异，从而容易判别出弹性波的首波；(4)由于本方法可使压缩后的信号主瓣较窄，并且幅度较高，所以能够精确判读出弹性波的到达时间；(5)相对于常规声波仪器的高电压激励(大于100V)，本发明采用的脉冲压缩方法用较低电压激励换能器就可得到信噪比和主瓣幅值较高的检测信号，从而增加了检测距离。


图I为现有技术采用脉宽为10 μ s的矩形脉冲检测20cm岩样的接收信号；图2为本发明实施例的线性调频编码信号波形图；图3为线性调频编码信号频谱图；图4为发射换能器与接收换能器直接对接时线性调频编码信号激励中心频率为500KHZ的接收换能器后得到的匹配滤波信号波形图；图5为线性调频编码信号检测长度为20cm岩样时得到的接收信号Srodt波形图；图6为Smateh与S_k进行相关压缩运算后得到的脉冲压缩信号波形图；图7为本发明检测岩石类构件弾性波速度的系统。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进ー步的详细描述。图7显示的是本发明实施例检测岩石类构件弾性波速度的系统，其包括控制设备，其包括信号发生器、信号发射通道、信号接收通道，用于产生信号以及信号的存储和显示；发射换能器，其受到来自所述控制设备的信号发射通道的线性调频编码信号的激励，将该线性调频编码信号转换成振动信号，井向岩石类构件发射该振动信号；接收换能器，其接收来自岩石类构件的弾性波，将该弹性波转换成检测信号S_k ;运算设备，其用于对匹配滤波信号Smatah与所述检测信号Srodt做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号(η)，其中，匹配滤波信号Smatah是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；显示器，其用于显示脉冲压缩信号Sramimss(η)的波形。 其中，尽量选取适合现场检测条件且谐振频带较宽的发射换能器和接收换能器，此处的谐振频带为土(发射换能器或接收换能器主频X 20%)。本发明的实施例将编码技术与脉冲压缩方法相结合，在发射端通过调制编码信号激励，使具有一定宽带特征的发射换能器发射经过调制的大时宽Τ、大带宽B的线性调频信号，本发明实施例采用的线性调频信号的基本波形是调频余弦波，随着时间的增加，线性调频信号的频率呈线性增加，然后，在接收端对接收信号进行匹配滤波(即压缩，也即实数域内的相关函数计算)，得到主瓣宽度为(1/Β)的单一峰值的压缩信号(也可称为窄脉冲信号)。其中，脉冲压缩方法利用全波信息判别弹性波首波的到达时间，脉冲压缩技术能将时域上比较长的调频信号压缩到很短的时间段之内。本发明实施例的具体实现过程如下
权利要求
1.一种检测岩石类构件弾性波速度的方法，其特征在于 所述方法包括如下步骤 发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合， 用线性调频编码信号激励该发射换能器， 所述接收换能器接收到检测信号Srodt ； 对匹配滤波信号Smatdl与所述检测信号s_k做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号Srampress(η);其中，匹配滤波信号Smatah是在所述发射换能器与所述接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号； 根据所述脉冲压缩信号Sramimss(η)的峰值时间At计算得到弾性波的首波到达时间。
2.一种检测岩石类构件弾性波速度的系统，其包括 发射换能器，其在线性调频编码信号的激励下，将该线性调频编码信号转换成振动信号，井向岩石类构件发射该振动信号； 接收换能器，其接收来自所述岩石类构件的弾性波，将该弹性波转换成检测信号Sradt ； 运算设备，其用于对匹配滤波信号Smatdl与所述检测信号S_k做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号Scotpmss(η)，其中，所述匹配滤波信号Smatdl是在所述发射换能器与所述接收换能器直接对接的情况下，所述接收换能器接收到的信号。
3.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述发射换能器和所述接收换能器的谐振带宽范围为土(发射换能器或接收换能器主频X20%)。
4.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述发射换能器的中心频率与线性调频编码信号的中心频率f0 —致。
5.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述线性调频编码信号的脉冲宽度T与带宽B的乘积大于10且小于100。
6.根据权利要求2所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于线性调频编码信号的带宽选在换能器的一 6dB带宽范围内。
7.根据权利要求2-6中任一所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述匹配滤波信号Smatah的长度M1满足关系式=M1 > Mtl，其中，M0表示线性调频编码信号的长度。
8.根据权利要求2-6中任一所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述接收换能器接收到的所述检测信号S_k的长度M2满足关系式=M2 > M11 Λ L · sample,rate/vestimatf；,其中，AL为被测岩块长度，sample_rate为采样频率，Vestimate为波速估计值。
9.根据权利要求7所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述接收换能器接收到的所述检测信号SMek的长度M2满足关系式M2 > M1+ Δ L · sample_rate/vestimate，其中，为被测岩块长度，sample_rate为采样频率，Vestimate为波速估计值。
10.根据权利要求9所述的检测岩石类构件弾性波速度的系统，其特征在于所述波速估计值的范围为(1400-6000)米/秒。
全文摘要
本发明涉及一种检测岩石类构件弹性波速度的方法和系统。该方法包括发射换能器通过所述岩石类构件与接收换能器耦合，用线性调频编码信号激励该发射换能器，所述接收换能器接收到检测信号Srock；对匹配滤波信号Smatch与所述检测信号Srock做实数域内的相关函数运算，得到单一峰值的脉冲压缩信号scompress(n)；其中，匹配滤波信号Smatch是在发射换能器与接收换能器直接对接的情况下所述接收换能器接收到的信号；根据所述脉冲压缩信号Scompress(n)的峰值时间Δt计算得到弹性波的首波到达时间。本发明解决了现有技术在背景噪声大的情况下难以判别弹性波首波的问题；本发明能够精确地检测出岩石弹性波速度，而且在针对较长距离构件时也能够检测出弹性波的首波。
文档编号G01N29/07GK102645267SQ201210135350
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者李长征 申请人:中国科学院声学研究所