岩土参数识别方法、装置及岩土工程检测仪

摘要

本发明涉及岩土参数识别方法、装置及岩土工程检测仪，属于岩土勘察技术领域。本发明利用标准道对各深度的测点处的震动数据进行相关对比，实现波形初至时间的自动识别，降低了人为干扰，提高了识别出的岩土参数特征的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土勘察技术领域，尤其涉及到岩土参数识别方法、装置及岩土工程检测仪。

背景技术

随着国内基础建设、工程建设项目的推进，岩土勘察行业蓬勃发展，对岩土勘察仪器提出了更高的要求和需求。岩土工程参数测量仪检测岩土参数的原理是在地表或者钻孔中采用脉冲源激震，该震源会在介质中产生振动，并沿着介质向外传播，通过岩土中测点处的检测器接收上述震动信号，并对其传播特征进行分析，进而判断岩土参数特征。

但基于震动信号识别岩土参数时，通常只能手动拾取相应初至，具有较大的人为随机性，从而降低了岩土勘察仪器识别出的岩土参数特征的可靠性。

发明内容

为了解决现有的岩土参数识别方法只能手动拾取相应初至，导致识别出的岩土参数特征的可靠性低的缺陷，本发明提供了一种岩土参数识别方法、装置及岩土工程检测仪。

第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种岩土参数识别方法，包括：

在位于岩土中不同深度的测点处接收震源发出的地震波，得到每个测点对应的震动数据，其中，每个震动数据包含不同时刻对应的数据点，数据点用于表征测点处接收的地震波的波形特征；

根据各个震动数据的波形特征，从各个震动数据中选取目标震动数据作为标准道，获取标准道的初至时间，并将各个震动数据中除标准道外的每个震动数据各自确定为数据道，其中，每个数据道分别对应单个测点；

对于每个数据道，计算标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数，将互相关系数中数值最大的互相关系数对应的时刻，确定为数据道对应的时间差，其中，互相关系数用于表征两个数据点的相似度，互相关系数对应的时刻用于表征两个数据点对应的时刻的差值；

对于每个数据道，根据标准道的初至时间、以及数据道对应的时间差，确定数据道的初至时间；

根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数。

本发明的有益效果是：利用标准道对各深度的测点处的震动数据进行相关对比，实现波形初至时间的自动识别，降低了人为干扰，提高了识别出的岩土参数特征的可靠性。

进一步，根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数，包括：

对于每个测点，计算测点对应的初至时间与测点的相邻位置的测点对应的初至时间的差值，得到测点对应的初至时间的梯度；

对于每个测点，计算测点对应的初至时间的梯度与测点的相邻位置的测点对应的初至时间的梯度的差值，得到测点对应的差异系数；

基于各个测点对应的差异系数和各个测点的深度，将测点划分为多个地层；

对于每个地层，根据地层对应的测点的深度和测点对应的初至时间，计算地层对应的层速度；

将各个地层对应的层速度、以及各个测点对应的初至时间确定为岩土参数。

采用上述改进方案的有益效果是：根据获取的初至时间计算各测点对应的差异系数，从而实现对各测点的自动分层及各层对应的相关参数计算，进一步降低了人为干扰，提高数据的可靠性。

进一步，该方法还包括：

获取各个地层的地层厚度；

对于每个地层，根据地层对应的测点的深度和测点对应的初至时间，计算地层对应的层速度，包括：

计算地层的地层厚度和地层的相邻位置的地层的地层厚度的差值，得到地层对应的地层厚度差值；

计算地层对应的顶面测点对应的初至时间和地层的相邻位置的地层对应的顶面测点对应的初至时间的差值，得到地层对应的初至时间差值，其中，顶面测点为同一地层对应的测点中深度最小的测点；

根据地层对应的地层厚度差值和地层对应的初至时间差值，计算地层对应的层速度。

采用上述改进方案的有益效果是：基于获取的地层厚度和初至时间，能够自动且合理地计算各地层的层速度。

进一步，地层的地层厚度通过以下方式得到：

将地层对应的测点中深度最大的测点确定为地层对应的底面测点；

计算地层对应的底面测点的深度与地层对应的顶面测点的深度的差值，得到地层对应的地层厚度。

采用上述改进方案的有益效果是：通过确定各地层的底面测点和顶面测点，能够自动且快速地得到各个地层的地层厚度。

进一步，对于每个数据道，标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数通过以下公式计算得到：

R

其中，R

采用上述改进方案的有益效果是：基于该互相关函数，能够确定各数据道与标准道之间地时间差，进而以标准道的初至时间为基准点，合理得到各数据道的初至时间。

第二方面，本发明提供了一种岩土工程检测仪，包括主控机，主控机用于执行如第一方面所述的岩土参数识别方法的全部或部分步骤。

进一步，还包括信号触发器、信号检测器、三级放大器和数据采集卡，信号触发器和信号检测器分别与三级放大器连接，三级放大器通过数据采集卡与主控机连接；

其中，信号检测器包括第一壳体、第二壳体、与数据采集卡连接的检波器、用于浅孔测量的第一导引头、以及用于深孔测量的第二导引头；

第一壳体的一端封闭形成封闭端，第一壳体的另一端设有开口形成开口端，第一壳体内填充有硅脂材料或蜡质材料的填充物，填充物内部设有检波器；

第二壳体的一端封闭形成封闭端，第二壳体的另一端设有开口形成开口端，第一壳体的开口端与第二壳体的封闭端螺纹连接，第一壳体与第二壳体的连接处设有密封环，第二壳体的开口端与第一导引头或第二导引头螺纹连接。

进一步，三级放大器包括两个16倍放大器和一个256倍放大器。

进一步，数据采集卡用于通过设定算法对三级放大器输出的信号进行去噪处理，设定算法包括陷波滤波算法、叠加去噪算法、奇异值分解降噪算法和带通滤波算法中的至少一项。

第三方面，本发明提供了一种岩土参数识别装置，包括：

采集模块，用于在位于岩土中不同深度的测点处接收震源发出的地震波，得到每个测点对应的震动数据，其中，每个震动数据包含不同时刻对应的数据点，数据点用于表征测点处接收的地震波的波形特征；

第一处理模块，用于根据各个震动数据的波形特征，从各个震动数据中选取目标震动数据作为标准道，获取标准道的初至时间，并将各个震动数据中除标准道外的每个震动数据各自确定为数据道，其中，每个数据道分别对应单个测点；

第二处理模块，用于对于每个数据道，计算标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数，将互相关系数中数值最大的互相关系数对应的时刻，确定为数据道对应的时间差，其中，互相关系数用于表征两个数据点的相似度，互相关系数对应的时刻用于表征两个数据点对应的时刻的差值；

第三处理模块，用于对于每个数据道，根据标准道的初至时间、以及数据道对应的时间差，确定数据道的初至时间；

识别模块，用于根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在终端设备上运行时，使得终端设备执行如第一方面所述的岩土参数识别方法的全部或部分步骤。

第五方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现如第一方面所述的岩土参数识别方法的全部或部分步骤。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种岩土参数识别方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种岩土工程检测仪的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种信号检测器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种三级放大器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种岩土参数识别装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。

以下结合附图描述本发明实施例的一种岩土参数识别方法。

参照图1所示，本发明提供了一种岩土参数识别方法，包括如下步骤S1至步骤S5。

在步骤S1中，在位于岩土中不同深度的测点处接收震源发出的地震波，得到每个测点对应的震动数据，其中，每个震动数据包含不同时刻对应的数据点，数据点用于表征测点处接收的地震波的波形特征。

可以理解的是，该数据点可以是振幅、频率、速度、波长、相位等波形特征，各测点可设置在岩土的地表或钻孔等位置。

在步骤S2中，根据各个震动数据的波形特征，从各个震动数据中选取目标震动数据作为标准道，获取标准道的初至时间，并将各个震动数据中除标准道外的每个震动数据各自确定为数据道，其中，每个数据道分别对应单个测点。

可以理解的是，应选择波形特征较好的震动数据作为标准道，以保证标准道的初至特征明显，便于后续提取标准道的初至时间。

作为一种可能的实施方式，可将噪声干扰低于设定阈值的震动数据确定为标准道，选择标准道中第一个波形起跳的位置作为初至时间，后续将以标准道的初至时间作为自动识别各个数据道的初至时间的标准，从而有利于后续实现对数据质量较差的部分测点的初至时间的自动拾取。

示例性地，对于测点A对应的震动数据A1、测点B对应的震动数据B1和测点C对应的震动数据C1，A1和A2均具有较好的波形特征，从A1和A2中任选一个，如选择A1作为标准道，则得到对应A的标准道A1，对应B的数据道B1和对应C的数据道C1。

在步骤S3中，对于每个数据道，计算标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数，将互相关系数中数值最大的互相关系数对应的时刻，确定为数据道对应的时间差，其中，互相关系数用于表征两个数据点的相似度，互相关系数对应的时刻用于表征两个数据点对应的时刻的差值。

可选的，在一个实施例中，对于每个数据道，标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数通过以下公式计算得到：

R

其中，t、τ表示时刻，R

在步骤S4中，对于每个数据道，根据标准道的初至时间、以及数据道对应的时间差，确定数据道的初至时间。

作为一种可能的实施方式，数据道的初至时间＝标准道的初至时间+数据道对应的时间差。

在步骤S5中，根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数。

可选的，在一个实施例中，根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数的实现过程包括：

对于每个测点，计算测点对应的初至时间与测点的相邻位置的测点对应的初至时间的差值，得到测点对应的初至时间的梯度；

对于每个测点，计算测点对应的初至时间的梯度与测点的相邻位置的测点对应的初至时间的梯度的差值，得到测点对应的差异系数；

基于各个测点对应的差异系数和各个测点的深度，将测点划分为多个地层；

对于每个地层，根据地层对应的测点的深度和测点对应的初至时间，计算地层对应的层速度；

将各个地层对应的层速度、以及各个测点对应的初至时间确定为岩土参数。

在该实施例中，测点对应的初至时间的梯度为相邻两个测点的初至时间的差值，例如，将测点按照深度从小至大排列，有第一测点X1、第二测点X2和第三测点X3，则X2对应的初至时间的梯度可以是X2对应的初至时间减去X1对应的初至时间得到的差值，也可以是X3对应的初至时间减去X2对应的初至时间得到的差值，本实施例对此不作限定。

作为一种可能的实施方式，对于按照深度从小至大排列的测点，按照排列顺序依次判断各测点对应的差异系数，若差异系数不小于阈值(如0.05)，则将该差异系数对应的测点与该测点的前一个测点划分为不同的地层，若差异系数小于阈值，则将该差异系数对应的测点与该测点的前一个测点划分为同一地层。

其中，对各测点按照深度顺序进行比较时，根据比较顺序的不同(如深度从大至小或深度从小至大的顺序)，可仅根据第二个或倒数第二个测点对应的差异系数确定第一个或最后一个测点与其相邻的测点是否属于同一地层，即将第二个或倒数第二个测点对应的差异系数等同于第一个或最后一个测点对应的差异系数，从而省略对第一个或最后一个测点对应的差异系数及初至时间的梯度的计算操作。

可选的，在一个实施例中，该方法还包括：

获取各个地层的地层厚度；

对于每个地层，根据地层对应的测点的深度和测点对应的初至时间，计算地层对应的层速度的实现过程包括：

计算地层的地层厚度和地层的相邻位置的地层的地层厚度的差值，得到地层对应的地层厚度差值；

计算地层对应的顶面测点对应的初至时间和地层的相邻位置的地层对应的顶面测点对应的初至时间的差值，得到地层对应的初至时间差值，其中，顶面测点为同一地层对应的测点中深度最小的测点；

根据地层对应的地层厚度差值和地层对应的初至时间差值，计算地层对应的层速度。

可选的，地层对应的层速度＝地层对应的地层厚度差值/地层对应的初至时间差值。

可选的，在一个实施例中，地层的地层厚度通过以下方式得到：

将地层对应的测点中深度最大的测点确定为地层对应的底面测点；

计算地层对应的底面测点的深度与地层对应的顶面测点的深度的差值，得到地层对应的地层厚度。

示例性地，将地层按深度从小至大排列，第二个地层对应的地层厚度差值＝第三个地层的地层厚度-第二个地层的地层厚度，此时第二个地层对应的初至时间差值＝第三个地层的初至时间-第二个地层的初至时间。

上述实施例提供的岩土参数识别方法，利用标准道对各深度的测点处的震动数据进行相关对比，实现波形初至时间的自动识别，降低了人为干扰，提高了识别出的岩土参数特征的可靠性。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号，如S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图2所示，本发明实施例提供的一种岩土工程检测仪，包括主控机15，主控机15用于执行如上述实施例所述的岩土参数识别方法的步骤。

进一步，如图2和图3所示，还包括信号触发器11、信号检测器12、三级放大器13和数据采集卡14，信号触发器11和信号检测器12分别与三级放大器13连接，三级放大器13通过数据采集卡14与主控机15连接；

其中，信号检测器12包括第一壳体9、第二壳体3、与数据采集卡14连接的检波器、用于浅孔测量的第一导引头2、以及用于深孔测量的第二导引头1；

第一壳体9的一端封闭形成封闭端，第一壳体9的另一端设有开口形成开口端，第一壳体9内填充有硅脂材料或蜡质材料的填充物8，填充物8内部设有检波器；

第二壳体3的一端封闭形成封闭端，第二壳体3的另一端设有开口形成开口端，第一壳体9的开口端与第二壳体3的封闭端螺纹连接，第一壳体9与第二壳体3的连接处设有密封环4，第二壳体3的开口端与第一导引头2或第二导引头1螺纹连接。

在该实施例中，信号触发器11在接收震源触发信号后控制仪器中各器件开始工作，信号检测器12采集测点处接收的地震波并输出模拟电信号，该模拟电信号经过三级放大器13进行三级放大后被转为数字信号，经过数据采集卡14的去噪、叠加等多种处理后被存储下来并输入至主控机15，主控机15通过对各深度测点的相关对比，自动识别波形的初至位置，计算岩土各参数并自动进行分层，降低了人为干扰，提高数据的可靠性，可以满足150m以内的深钻孔的岩土参数测量。

作为一种可能的实施方式，如图3所示，第一壳体9内部充填硅脂，且壳体采用高强度不锈钢材质，将检波器保护在壳体的内部硅脂或蜡质材料中，避免水侵入，其中，检波器包括依次连接的X向检波器5、Y向检波器6和Z向检波器7，且Z向检波器7还接有用于输出信号的信号传输线10。

其中，第二壳体3右侧的外侧设置2道密封环和螺纹以连接第一壳体9，第二壳体3的内侧掏空一半并设置螺纹以与第一导引头2或第二导引头1连接。

基于上述结构的第一壳体9和第二壳体3可以实现对第一壳体9内部空腔的密封，使得信号检测器12耐压达到2MPA以上，且内部空腔内灌注高粘度高凝固点的硅脂材料或蜡质材料，使其与壳体之间的波阻抗差异较小，降低了微弱信号的反射系数，增大信号的透射系数，提高了透射到检波器的振动信号的能量，保障微弱振动信号的传入和接收，提高测量信号的信噪比和数据质量，且配备的2种导引头，能够分别满足浅孔测量需求和深孔测量需求，更适应于井下的复杂条件。

进一步，三级放大器13包括两个16倍放大器和一个256倍放大器。

在该实施例中，如图4所示，三级放大器13采用三级模拟信号放大器，其中第一、二级放大器(16倍放大器)分别可以对输入的模拟信号实现1、2、4、8、16倍的放大处理，第三级放大器(256倍放大器)可以对输入的模拟信号实现1、4、16、64、256倍放大，三个放大器逐次放大以实现所需要的不同放大倍数，最大可以对原始信号放大65536倍。

在工作时通过对三级放大器13输入不同的控制命令实现对不同放大倍数的调整，涉及到的开关变化分别为：111、211、311、411、511、521、114、214、115、215、315、415、515、525、535、545、555等开关选项，其分别对应于1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384、32768、65536等17种放大选项；该放大器具有高放大倍数和低噪声电平的特征，在实现深孔中微、弱信号数据采集中能够满足高精度、高增益的需求。

示例性地，如图4所示，当三级放大器13接收到控制命令521，则一级放大器的第5个放大功能对应的开关开启(16倍放大功能)，二级放大器的第2个放大功能对应的开关开启(2倍放大功能)，三级放大器的第1个放大功能对应的开关开启(1倍放大功能)，此时三级放大器13对输入的原始模拟信号进行16*2*1＝32倍放大。

进一步，数据采集卡14用于通过设定算法对三级放大器输出的信号进行去噪处理，设定算法包括陷波滤波算法、叠加去噪算法、奇异值分解降噪算法和带通滤波算法中的至少一项。

在该实施例中，数据采集卡14可以采用STM32高速数据采集卡，从而实现200kbsp采集速度。

可选的，为保障数据采集精度，对数据采集卡14提供了基于多方法的组合噪声衰减和提高信号信噪比技术的设定算法。该设定算法包括：对输入的原始信号利用陷波滤波去除工频，对去除工频后的信号进行多次叠加去噪，对去噪后的信号进行奇异值分解降噪，将降噪后的信号进行带通滤波后输出，从而提高信号的信噪比。

上述本实施例提供的岩土工程检测仪具有非常好的微小振动信号识别能力和抗干扰能力，可以满足150m及上的源距和深钻孔的岩土参数测量。

如图5所示，本发明实施例提供的一种岩土参数识别装置10，包括：

采集模块20，用于在位于岩土中不同深度的测点处接收震源发出的地震波，得到每个测点对应的震动数据，其中，每个震动数据包含不同时刻对应的数据点，数据点用于表征测点处接收的地震波的波形特征；

第一处理模块30，用于根据各个震动数据的波形特征，从各个震动数据中选取目标震动数据作为标准道，获取标准道的初至时间，并将各个震动数据中除标准道外的每个震动数据各自确定为数据道，其中，每个数据道分别对应单个测点；

第二处理模块40，用于对于每个数据道，计算标准道中的每个数据点与数据道中的每个数据点的互相关系数，将互相关系数中数值最大的互相关系数对应的时刻，确定为数据道对应的时间差，其中，互相关系数用于表征两个数据点的相似度，互相关系数对应的时刻用于表征两个数据点对应的时刻的差值；

第三处理模块50，用于对于每个数据道，根据标准道的初至时间、以及数据道对应的时间差，确定数据道的初至时间；

识别模块60，用于根据各个测点对应的初至时间，识别岩土参数。

可选的，识别模块60，具体用于对于每个测点，计算测点对应的初至时间与该测点的相邻位置的测点对应的初至时间的差值，得到测点对应的初至时间的梯度；对于每个测点，计算测点对应的初至时间的梯度与该测点的相邻位置的测点对应的初至时间的梯度的差值，得到测点对应的差异系数；基于各个测点对应的差异系数和各个测点的深度，将测点划分为多个地层；对于每个地层，根据地层对应的测点的深度和测点对应的初至时间，计算地层对应的层速度；将各个地层对应的层速度、以及各个测点对应的初至时间确定为岩土参数。

进一步，识别模块60，还用于获取各个地层的地层厚度；计算地层的地层厚度和该地层的相邻位置的地层的地层厚度的差值，得到地层对应的地层厚度差值；计算地层对应的顶面测点对应的初至时间和地层的相邻位置的地层对应的顶面测点对应的初至时间的差值，得到地层对应的初至时间差值，其中，顶面测点为同一地层对应的测点中深度最小的测点；根据地层对应的地层厚度差值和地层对应的初至时间差值，计算地层对应的层速度。

可选的，识别模块60，还用于将地层对应的测点中深度最大的测点确定为地层对应的底面测点；计算地层对应的底面测点的深度与地层对应的顶面测点的深度的差值，得到地层对应的地层厚度。

本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在终端设备上运行时，使得终端设备执行上述任一实施例的岩土参数识别方法的步骤。

如图6所示，本发明实施例提供的一种电子设备500，包括存储器510、处理器520及存储在存储器510上并在处理器520上运行的程序530，处理器520执行程序530时实现上述任一实施例的岩土参数识别方法的步骤。

其中，电子设备500可以选用电脑、手机等，相对应地，其程序530为电脑软件或手机App等，且上述关于本发明的一种电子设备500中的各参数和步骤，可参考上文中岩土参数识别方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。