岩土工程介质的信号处理方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供的岩土工程介质的信号处理方法，该处理方法通过获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测点的波形能量值，根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度值。本发明提供的岩土工程介质信号处理方法、装置及系统，以实际工程检测需要为背景，明确了缺陷深度对响应波形能量的影响，能够低成本、简单及精确地检测复杂岩土工程介质的内部缺陷深度。
【专利说明】
岩土工程介质的信号处理方法、装置及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土工程检测技术领域，尤其是涉及一种岩土工程介质信号处理方 法、装置及系统。
【背景技术】
[0002] 随着岩土工程的不断发展，混凝土被广泛应用于矿山井巷、交通隧道、水工隧洞及 各类岩土洞室等，若混凝土结构内部存在缺陷，如裂缝，就会具有很大的危险性，造成巨大 的经济损失。对混凝土结构内部裂缝等缺陷进行快速有效无损检测，尤其对裂缝边缘、裂缝 大小和裂缝深度等信息的有效检测是岩土工程领域的一项重要需求，对岩土工程结构健康 诊断至关重要。
[0003] 目前，岩土工程结构的无损检测方法得到广泛应用，其检测数据的分析方法与结 构内钢筋分布、厚度分布、围岩类别、地下水、结构的基本物理、力学指标，地形地貌，地质、 构造等复杂介质分布有着密切的关系。无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法及 超声波法等。回弹法是最常用的一种无损检测方法，但回弹法只能测得结构表面的质量状 况，其内部质量信息却无法得知;雷达法对结构内部缺陷可以准确定位，但受钢筋低阻屏蔽 的影响较大，尤其是钢筋密度较大时难以得到钢筋背后的反射影像，而且雷达无法提供强 度方面的信息;冲击回波法可测得结构内部缺陷及构件的厚度，但其纵向分辨率较低，检测 精度受结构内部的钢筋和含水量影响较大;超声波对穿测试，虽然可以得到材料整体的纵 波速度参数，但无法应用于地下岩土工程的检测。
[0004] 虽然，击映像法作为岩土工程领域新近出现的一种无损检测方法，能对混凝土结 构物内部裂缝等缺陷进行快速有效的检测，得到越来越广泛的应用，在岩土工程结构检测 的应用方面已得到了极大的重视。但是，目前该方法需要对频谱振幅分布、时频数据持时分 布及速度路径等进行处理，数据庞大，计算过程复杂，耗时较长。
[0005] 如何简单、精确地检测复杂岩土工程介质的内部缺陷深度，是本领域技术人员亟 需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种岩土工程介质信号处理方法、装置及系统，能够低成本、简单 及精确地检测复杂岩土工程介质的内部缺陷深度。
[0007] 第一方面，本发明提供一种岩土工程介质的信号处理方法，其具体说明如下：
[0008] 本发明提供一种岩土工程介质的信号处理方法，具体步骤如下：
[0009] 步骤S1，获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度 波形数据，弹性波信号的冲击点位于所述测线方向上、且与检测点相距设定距离；
[0010]步骤S2,根据表面法线方向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测点的 波形能量值；
[0011]步骤S3,根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度值。
[0012]进一步地，在步骤S2中，确定同一测线上各检测点的波形能量值，具体公式如下：
[0014]其中，Fi为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量， N为测线上的检测点个数，仏为第i个检测点的波形无量纲能量值。
[0015]基于上述任意岩土工程介质的信号处理方法实施例，进一步地，在步骤S3中，确定 同一测线上的缺陷深度值，具体包括:在波形能量值大于设定阈值时，匹配波形能量值对应 的缺陷深度值。
[0016] 进一步地，波形能量值与深度值呈递减型指数关系。
[0017] 基于上述任意岩土工程介质的信号处理方法实施例，进一步地，在步骤S3之后，该 信号处理方法还包括:根据检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，沿测线方向，偏移半个 设定距离，获取精确缺陷平面位置。
[0018] 本发明提供的岩土工程介质的信号处理方法，通过获取同一测线上弹性波信号的 表面法线方向速度或加速度波形数据，即可确定该弹性波信号的波形能量值。若波形能量 值越大，则缺陷深度越浅。根据某一点的波形能量值，匹配该波形能量值对应的缺陷深度 值。该岩土工程介质的信号处理方法以实际工程检测需要为背景，明确了缺陷深度及相对 位置关系对响应波形能量的影响，能够快速、简便地确定缺陷深度。根据弹性波信号在复杂 岩土工程介质中传播特性的差异，通过分析采集到的响应能量变化评价复杂岩土工程介质 的空间分布状态，计算简便、可靠且精确度高，能够提高数据处理效率。
[0019] 第二方面，本发明提供一种岩土工程介质的信号处理装置，其具体说明如下：
[0020] 本发明提供一种岩土工程介质的信号处理装置，该岩土工程介质的信号处理装置 包括数据接收模块、能量计算模块和深度获取模块。数据接收模块用于获取同一测线上各 检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，弹性波信号的冲击点位于 测线方向上、且与检测点相距设定距离。能量计算模块用于根据表面法线方向速度或加速 度波形数据，确定同一测线上各检测点的波形能量值。深度获取模块用于根据波形能量值， 确定同一测线上的缺陷深度值。
[0021] 进一步地，在确定同一测线上各检测点的波形能量值时，能量计算模块采用的具 体公式如下：
[0023]其中，Fi为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量， N为测线上的检测点个数，仏为第i个检测点的无量纲能量值。
[0024]基于上述任意岩土工程介质的信号处理装置实施例，进一步地，在确定同一测线 上的缺陷深度值时，深度获取模块具体用于:在波形能量值大于设定阈值时，匹配波形能量 值对应的缺陷深度值。
[0025]进一步地，本实施例岩土工程介质的信号处理装置还包括平面位置模块，平面位 置模块用于根据检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，再沿测线方向，偏移半个设定距 离，获取精确缺陷平面位置。
[0026]本发明提供的岩土工程介质的信号处理装置，在数据接收模块获取各点弹性波信 号的表面法线方向速度或加速度波形数据之后，能量计算模块即可确定同一测线上各检测 点的波形能量值，深度获取模块最终确定同一测线上的缺陷深度值。该岩土工程介质的信 号处理装置根据弹性波信号在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过分析采集到的响 应能量变化评价复杂岩土工程介质的空间分布状态，计算简便、可靠且精确度高，能够提高 数据处理效率。
[0027]第三方面，本发明提供一种岩土工程介质的信号处理系统，其具体说明如下：
[0028]本发明提供一种岩土工程介质的信号处理系统，该系统包括至少一个位于测线上 的检波器、测量仪器和处理器，检波器用于检测敲击介质表面时产生的弹性波信号，测量仪 器用于记录由检波器检测的弹性波信号，处理器用于获取同一测线上各检测点的弹性波信 号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，弹性波信号的冲击点位于测线方向上、且与 检测点相距设定距离，根据表面法线方向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测 点的波形能量值，根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度值。
[0029]本发明提供的岩土工程介质的信号处理系统，根据弹性波信号在复杂岩土工程介 质中传播特性的差异，通过分析采集到的响应能量变化评价复杂岩土工程介质的空间分布 状态。检波器和测量仪器分别检测、记录在检测点的弹性波信号。处理器获取弹性波信号中 的表面法线方向速度或加速度波形数据，根据表面法线方向速度或加速度波形数据，确定 同一测线上各检测点的波形能量值，根据波形能量值，确定同一测线上各检测点对应的缺 陷深度值。计算简便、可靠，精确度高。
[0030] 因此，本发明提供的岩土工程介质的信号处理方法、装置及系统，能够低成本、简 单及精确地检测复杂岩土工程介质的内部缺陷深度。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明提供的第一个岩土工程介质的信号处理方法流程图；
[0032] 图2是本发明提供的第二个岩土工程介质的信号处理方法流程图；
[0033]图3是本发明提供的第三个岩土工程介质的信号处理方法流程图；
[0034]图4是本发明提供的岩土工程介质的信号处理系统构成示意图；
[0035]图5是本发明提供的岩土工程介质的信号处理装置示意图；
[0036]图6是本发明提供的岩土工程介质冲击响应工作状态示意图；
[0037]图7是本发明提供的岩土工程介质弹性波信号表面法线方向速度时程曲线图； [0038]图8a~图8f是本发明提供的各工况位置不意图；
[0039] 图9是本发明提供的各工况响应波形图；
[0040] 图10是本发明提供的缺陷深度与平均振幅值关系图。
【具体实施方式】
[0041] 下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是 用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0042]第一方面，本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理方法，其具体说明如下： [0043]本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理方法，结合图1，具体步骤如下：
[0044] 步骤S11，获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速 度波形数据，弹性波信号的冲击点位于测线方向上、且与检测点相距设定距离；
[0045] 步骤S12,根据表面法线方向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测点的 波形能量值；
[0046] 步骤S13,根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度值。
[0047]本发明提供的岩土工程介质的信号处理方法，通过获取同一测线上弹性波信号的 表面法线方向速度或加速度波形数据，即可确定该弹性波信号的波形能量值。若波形能量 值越大，则缺陷深度越浅。根据某一点的波形能量值，匹配该波形能量值对应的缺陷深度 值。该岩土工程介质的信号处理方法以实际工程检测需要为背景，明确了缺陷深度及相对 位置关系对响应波形能量的影响，能够快速、简便地确定缺陷深度。根据弹性波信号在复杂 岩土工程介质中传播特性的差异，通过分析采集到的响应能量变化评价复杂岩土工程介质 的空间分布状态，明确获得如空洞、地下水或浆液等缺陷的深度值，计算简便、可靠且精确 度高，能够提高数据处理效率。
[0048]优选地，在本实施例岩土工程介质的信号处理方法中，确定同一测线上各检测点 的波形能量值，结合图2，具体公式(1)如下：
⑴
[0050]其中，Fi为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量， N为测线上的检测点个数，仏为第i个检测点的波形无量纲能量值。针对实际工况，确定多条 测线，并采集每条测线上各个弹性波信号表面法线方向速度或加速度的平均能量，确定该 测线上各个检测点的平均值。针对每个检测点，确定其波形能量值，即可精确获得每个检测 点的相对变化状况。
[0051]基于上述任意岩土工程介质的信号处理方法实施例，优选地，结合图3,确定同一 测线上各检测点对应的缺陷深度值具体包括:在波形能量值大于设定阈值时，匹配波形能 量值对应的缺陷深度值。波形能量值与深度值呈递减型指数关系。如在混凝土内部存在缺 陷，若缺陷位置越浅，波形能量值越高;若缺陷位置越深，波形能量值越低。在每个检测点的 波形能量值超过阈值时，则表明该检测点存在缺陷，匹配该波形能量值对应的缺陷深度值， 该阈值可根据经验值或实验仿真确定。根据波形能量值与缺陷深度值的对应关系，在获得 精确检测点的波形能量值之后，即可获得该检测点的缺陷深度值。具体地，在获得各检测点 的波形能量值之后，若存在缺陷表现，则可以根据实际位置，绘制三维空间分布图，其中X轴 为测线所在线，Y轴为在水平面垂直于测线的方向，Z轴为垂直方向的深度，与弹性波信号的 表面法线方向一致，以便工程人员直观获取缺陷位置，方便快捷。
[0052]基于上述任意岩土工程介质的信号处理方法实施例，优选地，该信号处理方法还 包括:根据检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，沿测线方向，偏移半个设定距离，获取精 确缺陷平面位置。在平面上，若存在缺陷表现，根据记录的检测点的坐标，即可初步获得缺 陷平面位置，弹性波信息在不同的介质表面反射，沿测线方向，偏移半个设定距离，即可获 取精确缺陷平面位置。工程人员即可获取该缺陷点的平面位置，结合深度值，即可获得该缺 陷相对测线的具体位置。
[0053]第二方面，本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理装置，其具体说明如下： [0054]本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理装置，该岩土工程介质的信号处理装 置包括数据接收模块41、能量计算模块42和深度获取模块43。数据接收模块41用于获取同 一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，弹性波信号的 冲击点位于测线方向上、且与检测点相距设定距离。能量计算模块42用于根据表面法线方 向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测点的波形能量值。深度获取模块43用于 根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度值。
[0055]本实施例提供的岩土工程介质的信号处理装置，在数据接收模块41获取各点弹性 波信号的表面法线方向速度或加速度波形数据之后，能量计算模块42即可确定同一测线上 各检测点的波形能量值，深度获取模块43最终确定同一测线上的缺陷深度值。该岩土工程 介质的信号处理装置根据弹性波信号在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过分析采 集到的响应能量变化评价复杂岩土工程介质的空间分布状态，计算简便、可靠且精确度高， 能够提高数据处理效率。
[0056]优选地，在确定同一测线上各检测点的波形能量值时，能量计算模块42采用具体 公式(1)如下：
(1)
[0058]其中，Fi为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量， N为测线上的检测点个数，A:为第i个检测点的波形无量纲能量值。能量计算模块42采用如 上公式计算各个检测点的波形能量值，精确获得每个检测点的相对变化状况，计算简便、快 捷，精确度高。
[0059]基于上述任意岩土工程介质的信号处理装置实施例，优选地，在确定同一测线上 的缺陷深度值时，深度获取模块43具体用于:在波形能量值大于设定阈值时，匹配波形能量 值对应的缺陷深度值。在有缺陷表现时，深度获取模块43根据波形能量值和缺陷深度值的 匹配关系，确定缺陷深度值。该能量计算模块42能够快速确定各个检测点的波形能量值，为 后续缺陷深度值的获取，提供有效信息支持，提高数据处理效率。
[0060] 优选地，本实施例岩土工程介质的信号处理装置还包括平面位置模块，平面位置 模块用于根据检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，沿测线方向，偏移半个设定距离，获 取精确缺陷平面位置。在平面上，若存在缺陷表现，平面位置模块可初步获得缺陷平面位 置，弹性波信息在不同的介质表面反射，沿测线方向，偏移半个设定距离，即可获取精确缺 陷平面位置。工程人员即可获取该缺陷点的平面位置，再结合深度值，即可获得该缺陷相对 测线的具体位置。
[0061] 第三方面，本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理系统，其具体说明如下：
[0062] 本实施例提供一种岩土工程介质的信号处理系统，结合图5,该系统包括至少一个 位于测线上的检波器51、测量仪器52和处理器53,检波器51用于检测敲击介质表面时产生 的弹性波信号，测量仪器52用于记录由检波器51检测的弹性波信号，如图6所示，检波器51 检测弹性波信号冲击点经过缺陷61反射的信号。如在测线上设置一个检波器，然后在检波 器设定距离的地方敲击介质表面，同时用测量仪器记录由检波器接受到的冲击弹性波信 号，完成了一个点的数据采集后。再将检波器和冲击点都向前移动，按同样的方法采集下一 个点的数据，直至整条测线的数据被采集完。处理器53用于获取同一测线上各检测点的弹 性波信号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，如图7所示，其中X〇为相邻检测点的间 隔距离。弹性波信号的冲击点位于测线方向上、且与检测点相距设定距离，根据表面法线方 向速度或加速度波形数据，确定同一测线上各检测点的波形能量值，根据波形能量值，确定 同一测线上的缺陷深度值。根据缺陷的实际位置，绘制缺陷三维空间分布图。
[0063]为了进一步明确波形能量值和缺陷深度值之间的关系，采用平均振幅响应方法， 具体说明如下：
[0064] 结合图8a~图8f，将裂缝深度设置为5cm、10cm、15cm、20cm、30cm五种工况，依次为 工况1~5。将无裂缝缺陷存在时，介质模型均匀状态下的响应波形，作为对比工况，为工况 6。缺陷平面大小为20cm*2〇 Cm，平面位置位于模型正中心。锤击震源位于模型表面，缺陷边 缘正上方，检测点取距离锤击点长度方向（x方向）〇. 2m处节点，响应波形为节点表面法线方 向速度或加速度时程曲线。根据不同工况下的缺陷深度，建立三维有限元数值模型，计算 后，在接收点获得响应波形信号，如图9所示。图中最后一道为对比波形，从图中可以看出， 相同震源、相同偏移距下，随着裂缝缺陷深度的增加，接收点的响应波形振幅明显降低，反 映在波形能量上则依次减小。根据数值模拟的响应波形结果，计算响应波形能量，并归一化 处理，作为冲击响应能量值，得到归一化后的响应波形能量值与缺陷深度值的曲线，如图10 所示。从而得到结论，缺陷深度越浅，冲击回波强度越大，缺陷深度越深，返回能量越小，两 者呈现指数关系下降。
[0065]本实施例提供的岩土工程介质的信号处理系统，根据弹性波信号在复杂岩土工程 介质中传播特性的差异，通过分析采集到的响应能量变化评价复杂岩土工程介质的空间分 布状态。检波器51和测量仪器52分别检测、记录在检测点的弹性波信号。处理器53获取弹性 波信号中的表面法线方向速度或加速度波形数据，根据表面法线方向速度或加速度波形数 据，确定同一测线上各检测点的波形能量值，根据波形能量值，确定同一测线上的缺陷深度 值。计算简便、可靠，精确度高。
[0066]尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的 条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于实施方案，而归于权利要求 的范围，其包括每个因素的等同替换。
【主权项】
1. 一种岩土工程介质的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤Sl，获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度波形 数据，所述弹性波信号的冲击点位于所述测线方向上、且与检测点相距设定距离； 步骤S2,根据所述表面法线方向速度或加速度波形数据，确定所述同一测线上各检测 点的波形能量值； 步骤S3,根据所述波形能量值，确定所述同一测线的缺陷深度值。2. 根据权利要求1所述岩土工程介质的信号处理方法，其特征在于， 在步骤S2中，所述确定同一测线上各检测点的波形能量值，具体公式如下：其中，F1为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量，N为所 述测线上的检测点个数，A1为第i个检测点的波形无量纲能量值。3. 根据权利要求1所述岩土工程介质的信号处理方法，其特征在于， 在步骤S3中，所述确定同一测线上的缺陷深度值，具体包括： 在所述波形能量值大于设定阈值时，匹配所述波形能量值对应的缺陷深度值。4. 根据权利要求3所述岩土工程介质的信号处理方法，其特征在于， 所述波形能量值与所述深度值呈递减型指数关系。5. 根据权利要求1所述岩土工程介质的信号处理方法，其特征在于， 在步骤S3之后，该方法还包括： 根据所述检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，沿所述测线方向，偏移半个所述设定 距离，获取精确缺陷平面位置。6. -种岩土工程介质的信号处理装置，其特征在于，包括： 数据接收模块，用于获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或 加速度波形数据，所述弹性波信号的冲击点位于所述测线方向上、且与检测点相距设定距 离； 能量计算模块，用于根据所述表面法线方向速度或加速度波形数据，确定所述同一测 线上各检测点的波形能量值； 深度获取模块，用于根据所述波形能量值，确定所述同一测线上的缺陷深度值。7. 根据权利要求6所述岩土工程介质的信号处理装置，其特征在于， 在确定同一测线上各检测点的波形能量值时，具体公式如下：其中，F1为第i个检测点的弹性波信号的表面法线方向速度或加速度的平均能量，N为所 述测线上的检测点个数，A1为第i个检测点的波形无量纲能量值。8. 根据权利要求6和7所述岩土工程介质的信号处理装置，其特征在于， 在确定同一测线上的缺陷深度值时，所述深度获取模块具体用于： 在所述波形能量值大于设定阈值时，匹配所述波形能量值对应的缺陷深度值。9. 根据权利要求6所述岩土工程介质的信号处理装置，其特征在于，还包括： 平面位置模块，用于根据所述检测点的坐标，初步获取缺陷平面位置，沿所述测线方 向，偏移半个所述设定距离，获取精确缺陷平面位置。10. -种岩土工程介质的信号处理系统，其特征在于，包括： 至少一个位于测线上的检波器，用于检测敲击介质表面时产生的弹性波信号， 测量仪器，用于记录由检波器检测的弹性波信号，以及， 处理器，用于获取同一测线上各检测点的弹性波信号中的表面法线方向速度或加速度 波形数据，所述弹性波信号的冲击点位于所述测线方向上、且与检测点相距设定距离，根据 所述表面法线方向速度或加速度波形数据，确定所述同一测线上各检测点的波形能量值， 根据所述波形能量值，确定所述同一测线上的缺陷深度值。
【文档编号】G01N29/44GK105891339SQ201610211915
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】冯少孔, 车爱兰, 彭冬, 徐超
【申请人】南通筑升土木工程科技有限责任公司