本发明公开了一种地下不良地质勘测数据采集分析系统及方法，该系统包括弹性波数据采集系统，其用于在工程现场进行孔内弹性波测试，这样具有主动激发弹性波波场，多深度多地层弹性波信号接收，数模转换和数据记录的功能；波形处理模块，其对不同深度测点的弹性波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，根据地层钻孔数据，计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形等。本发明能够根据弹性波在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过对采集到的弹性波进行波形图像转换和图像识别，查明不良地质体的空间分布，精准可靠。
1.一种地下不良地质勘测数据采集分析系统，其特征在于，其包括：弹性波数据采集系统，其用于在工程现场进行孔内弹性波测试，这样具有主动激发弹性波波场，多深度多地层弹性波信号接收，数模转换和数据记录的功能；
波形处理模块，其对不同深度测点的弹性波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，根据地层钻孔数据，计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形；
波形图像转换模块，其用于将处理得到的弹性波波形转换为图像，保留地下不良地质体的波形特征，识别地下不良地质体空间位置；运用模糊数学理论，大幅度减少计算机运算资源消耗，输出的文件类型供多种后处理程序使用；
弹性波数据采集系统包括弹性波发射模块、弹性波数据接收模块、弹性波数据记录模块，其中：弹性波发射模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔孔口激发弹性波波场，根据需要改变能量强度；
弹性波数据接收模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔内接收多深度多地层的弹性波信号，并实时传输各个传感器接收到的弹性波数据；
弹性波数据记录模块用于对接收到的弹性波数据进行数模转换，并根据预先设定的参数将数据记录到一个硬盘中；
所述波形处理模块包括波形噪音过滤模块、起跳延迟纠偏模块，其中：波形噪音过滤模块，其对弹性波数据采集系统记录得到的波形进行预处理，过滤地下不良地质勘探工程中常见的噪音，保证数据质量，提高地下不良构造勘探精度；
起跳延迟纠偏模块，其用于计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形，排列后得到弹性波波形剖面数据，从波形噪音过滤模块接收前处理后的波形，并输入地层条件进行计算和纠偏；其特征在于，所述弹性波发射模块内设有一个高精度加速度传感器，其用于接收弹性波激发点的振动信号，将信号向上传输至数据记录模块，以供推测起跳时间，缩短数据记录时间，减小数据文件所占空间；
所述弹性波数据记录模块包括地震仪、计算机，地震仪将各个类型传感器传输而来的模拟信号进行数模转换，并传输至计算机以供进一步处理记录；计算机接收数字信号，结合弹性波发射模块上传的激发信号来调整数据记录时间，形成数据文件，并保存至相应文件位置；
带通滤波模块，其用于削弱工程现场各类规律性噪声对数据质量的影响，使用时对高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度进行设置，具体参数应依据现场条件以及工程经验调整；
波形纠偏模块，其用于去除带通滤波模块无法修正的高度异常模型；对于传感器不正常工作、地层异常导致的高度异常波形，无法通过带通滤波的方式消除噪音，使用波形纠偏模块逐一处理；首先删除异常波形所在时域的弹性波数据，然后使用插值的方法补充该时域的弹性波数据，对于整列波形异常的，根据相邻测点数据生成修正的波形数据。
2.一种地下不良地质勘测数据采集分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，现场数据采集和记录，波形数据以ASCII码明文保存步骤二，数据的整理和传输，检查数据格式以确保数据处理程序能顺利运行；
步骤三，设置带通滤波器参数，包括高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度，参数应根据现场条件和工程经验确定；
步骤四，运行带通滤波器，重新保存波形数据文件，波形数据以ASCII码明文保存；
步骤五，检查波形数据有效性，包括是否保留有效信息以及波形是否失真，数据有效则转步骤六，数据普遍失真则转步骤三；
步骤六，检查是否存在高度异常波形，读取异常波形的传感器道号，起始时间和终止时间；
步骤九，判断高度异常波形是否全部修正，是则转步骤十，不是则转步骤六；
步骤十，读取钻孔地层信息，包括该钻孔所在地各地层深度、厚度、直达波波速；
步骤十一，计算该钻孔个深度测点首波起跳延迟的理论值；
步骤十二，根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形；
步骤十三，将处理后的零起跳延迟波形按照深度排列，形成波形排列，重新保存数据文件，以ASCII码明文保存；
步骤十四，读取各道波形振幅最大值，分别把处理得到的波形数据转换为峰值为1的波形，根据测点所处深度形成波形排列；
步骤十五，将该波形排列转换为计算机能够识别的位图图像；
步骤二十，设置勘测条件，勘测钻孔孔径不应过小，且孔内充满水，钻孔周围地表平整密实；
步骤二十一，检波器设置，采用速度型水声检波器，固有频率为100Hz，检测时需保持检波器和钻孔中水充分耦合；
步骤二十二，设置测量仪器，测量仪器是任何数字地震仪，二十四位模或数转换器和
5kHz以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可；
步骤二十三，设置激发设备，由重锤和加速度型激发器组合而成；
步骤二十四，波形处理，根据地层钻孔资料，获得该钻孔地层深度、厚度、直达波波速信息，从而计算得到不同深度测点首波起跳延迟的理论值，并根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形。
地下不良地质勘测数据采集分析系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种采集分析系统及方法，特别是涉及一种地下不良地质勘测数据采集分析系统及方法。
背景技术
[0002] 在工程建设中经常会遇到诸如溶洞、裂隙带和断层破碎带等不良地质体，如果不能提前探明地下是否存在不良地质体及其含水情况，将会埋下严重的安全隐患，极有可能造成人员伤亡、工期延误和重大经济损失。基于弹性波映像理论的勘探方法在地下不良地质勘测中具有广泛的应用，但是常常由于探测深度过大，工期、场地限制，无法进行有效精准的检测。因此，基于弹性波映像理论的地下不良地质勘测孔内数据采集系统及数据分析方法在地下溶洞勘测工程中具有重要意义。
[0003] 基于弹性波理论的地下不良地质勘测孔内数据采集及分析技术综合目前岩土工程结构检测方法优劣的基础上，研究基于图像识别技术的数据快速分析方法，重点解决了波形数据和地下构造图像之间的转换方法和不良地质体识别技术，建立一种基于弹性波理论的地下溶洞勘测数据采集及分析系统。在此基础上运用GIS(Geographic Information System或Geo－Information system，地理信息系统)空间信息分析平台和Geo-Database(采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型)空间数据库技术，探索一种基于空间分析技术的综合快速评价的方法。使我国岩土工程结构勘测更加科学、快速、经济、规范，提高我国岩土工程结构勘测水平；形成一套高精度、有效的、能辐射到公路路基、铁路轨道结构、隧道、水库大坝、大型护坡、原子能设施等大型岩土工程结构勘测方法。本技术对建立岩土工程结构勘测标准，确保安全、有效降低风险、提高应对突发事件的能力、促进我国岩土工程安全管理水平均具有十分重要的意义。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种地下不良地质勘测数据采集分析系统及方法，其用于勘测地下溶洞、裂隙带和断层破碎带等不良地质体，能够根据弹性波在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过对采集到的弹性波进行波形图像转换和图像识别，查明不良地质体的空间分布(地下溶洞、裂隙带、断层破碎带)，精准可靠。
[0005] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种地下不良地质勘测数据采集分析系统，其包括：
[0006] 弹性波数据采集系统，其用于在工程现场进行孔内弹性波测试，这样具有主动激发弹性波波场，多深度多地层弹性波信号接收，数模转换和数据记录的功能；
[0007] 波形处理模块，其对不同深度测点的弹性波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，根据地层钻孔数据，计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形；
[0008] 波形图像转换模块，其用于将处理得到的弹性波波形转换为图像，保留地下不良地质体的波形特征，识别地下不良地质体空间位置；运用模糊数学理论，大幅度减少计算机运算资源消耗，输出的文件类型可供多种后处理程序使用；
[0009] 其中：
[0010] 弹性波数据采集系统包括弹性波发射模块、弹性波数据接收模块、弹性波数据记录模块，其中：
[0011] 弹性波发射模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔孔口激发弹性波波场，可以根据需要改变能量强度；
[0012] 弹性波数据接收模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔内接收多深度多地层的弹性波信号，并实时传输各个传感器接收到的弹性波数据；
[0013] 弹性波数据记录模块用于对接收到的弹性波数据进行数模转换，并根据预先设定的参数将数据记录到一个硬盘中；
[0014] 所述波形处理模块包括波形噪音过滤模块、起跳延迟纠偏模块，其中：
[0015] 波形噪音过滤模块，其对弹性波数据采集系统记录得到的波形进行预处理，过滤地下不良地质勘探工程中常见的噪音，保证数据质量，提高地下不良构造勘探精度；
[0016] 起跳延迟纠偏模块，其用于计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形，排列后得到弹性波波形剖面数据，从波形噪音过滤模块接收前处理后的波形，并输入地层条件进行计算和纠偏。
[0017] 优选地，所述弹性波发射模块内设有一个高精度加速度传感器，其用于接收弹性波激发点的振动信号，将信号向上传输至数据记录模块，以供推测起跳时间，缩短数据记录时间，减小数据文件所占空间。
[0018] 优选地，所述弹性波数据接收模块采用一种速度型传感器。
[0019] 优选地，所述弹性波数据记录模块包括地震仪、计算机，地震仪将各个类型传感器传输而来的模拟信号进行数模转换，并传输至计算机以供进一步处理记录；计算机接收数字信号，结合弹性波发射模块上传的激发信号来调整数据记录时间，形成数据文件，并保存至相应文件位置。
[0020] 优选地，所述波形噪音过滤模块包括：
[0021] 带通滤波模块，其用于削弱工程现场各类规律性噪声对数据质量的影响，使用时可对高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度进行设置，具体参数应依据现场条件以及工程经验调整，例如大型施工机械运转时产生的低频噪声，车辆行驶造成的低频噪声，地面开挖或结构拆除产生的高频噪声，以及其他常见噪音；
[0022] 波形纠偏模块，其用于去除带通滤波模块无法修正的高度异常模型；对于传感器不正常工作、地层异常等导致的高度异常波形，无法通过带通滤波的方式消除噪音，可以使用波形纠偏模块逐一处理；首先删除异常波形所在时域的弹性波数据，然后使用插值的方法补充该时域的弹性波数据，对于整列波形异常的，可根据相邻测点数据生成修正的波形数据。
[0023] 本发明还提供一种地下不良地质勘测数据采集分析方法，其包括以下步骤：
[0024] 步骤一，现场数据采集和记录，波形数据以ASCII码明文保存
[0025] 步骤二，数据的整理和传输，检查数据格式以确保数据处理程序能顺利运行；
[0026] 步骤三，设置带通滤波器参数，包括高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度，参数应根据现场条件和工程经验确定；
[0027] 步骤四，运行带通滤波器，重新保存波形数据文件，波形数据以ASCII码明文保存；
[0028] 步骤五，检查波形数据有效性，包括是否保留有效信息以及波形是否失真，数据有效则转步骤六，数据普遍失真则转步骤三；
[0029] 步骤六，检查是否存在高度异常波形，读取异常波形的传感器道号，起始时间和终止时间；
[0030] 步骤七，删除高度异常波形；
[0031] 步骤八，选择波形修正模板，运行波形修正模块；
[0032] 步骤九，判断高度异常波形是否全部修正，是则转步骤十，不是则转步骤六；
[0033] 步骤十，读取钻孔地层信息，包括该钻孔所在地各地层深度、厚度、直达波波速；
[0034] 步骤十一，计算该钻孔个深度测点首波起跳延迟的理论值；
[0035] 步骤十二，根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形；
[0036] 步骤十三，将处理后的零起跳延迟波形按照深度排列，形成波形排列，重新保存数据文件，以ASCII码明文保存；
[0037] 步骤十四，读取各道波形振幅最大值，分别把处理得到的波形数据转换为峰值为1的波形，根据测点所处深度形成波形排列；
[0038] 步骤十五，将该波形排列转换为计算机能够识别的位图图像；
[0039] 步骤十六，识别地下不良地质体空间位置。
[0040] 优选地，所述步骤十六包括以下步骤：
[0041] 步骤二十，设置勘测条件，勘测钻孔孔径不应过小，且孔内充满水，钻孔周围地表平整密实；
[0042] 步骤二十一，检波器设置，采用速度型水声检波器，固有频率为100Hz，检测时需保持检波器和钻孔中水充分耦合；
[0043] 步骤二十二，设置测量仪器，测量仪器可以是任何数字地震仪，二十四位模或数转换器和5kHz以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可；
[0044] 步骤二十三，设置激发设备，由重锤和加速度型激发器组合而成；
[0045] 步骤二十四，波形处理，根据地层钻孔资料，获得该钻孔地层深度、厚度、直达波波速等信息，从而计算得到不同深度测点首波起跳延迟的理论值，并根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形。
[0046] 本发明的积极进步效果在于：本发明能够根据现场试验成果，并考虑实施难易程度和工程成本，研制开发基于弹性波理论的地下不良地质勘探孔内数据采集及分析方法对地下不良地质体的空间分布进行勘测，研究成果为地下不良地质勘测工程提供一种成本低、快捷、方便、精准的勘测系统及方法，解决现有技术的不足。
附图说明
[0047] 图1是本发明所提供的基于弹性波映像理论的地下不良地质勘探数据采集系统示意图；
[0048] 图2为本发明的效果图。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0050] 本发明地下不良地质勘测数据采集分析系统包括：
[0051] 弹性波数据采集系统，其用于在工程现场进行孔内弹性波测试，这样具有主动激发弹性波波场，多深度多地层弹性波信号接收，数模转换和数据记录的功能；
[0052] 波形处理模块，其对不同深度测点的弹性波数据进行带通滤波、有效波形遴选处理，根据地层钻孔数据，计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形；
[0053] 波形图像转换模块，其用于将处理得到的弹性波波形转换为图像，保留地下不良地质体的波形特征，识别地下不良地质体空间位置；运用模糊数学理论，大幅度减少计算机运算资源消耗，输出的文件类型可供多种后处理程序使用；
[0054] 其中：
[0055] 弹性波数据采集系统包括弹性波发射模块、弹性波数据接收模块、弹性波数据记录模块，其中：
[0056] 弹性波发射模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔孔口激发弹性波波场，可以根据需要改变能量强度；
[0057] 弹性波数据接收模块与弹性波数据记录模块相连，其用于在钻孔内接收多深度多地层的弹性波信号，并实时传输各个传感器接收到的弹性波数据；
[0058] 弹性波数据记录模块用于对接收到的弹性波数据进行数模转换，并根据预先设定的参数将数据记录到一个硬盘中；
[0059] 所述波形处理模块包括波形噪音过滤模块、起跳延迟纠偏模块，其中：
[0060] 波形噪音过滤模块，其对弹性波数据采集系统记录得到的波形进行预处理，过滤地下不良地质勘探工程中常见的噪音，保证数据质量，提高地下不良构造勘探精度；
[0061] 起跳延迟纠偏模块，其用于计算各深度波形首波起跳延迟时间，转换得到各深度零起跳延迟波形，排列后得到弹性波波形剖面数据，从波形噪音过滤模块接收前处理后的波形，并输入地层条件进行计算和纠偏。
[0062] 所述弹性波发射模块内设有一个高精度加速度传感器，其用于接收弹性波激发点的振动信号，将信号向上传输至数据记录模块，以供推测起跳时间，缩短数据记录时间，减小数据文件所占空间。
[0063] 所述弹性波数据接收模块采用一种速度型传感器，速度型传感器的卓越频率为100Hz，全防水处理，且能够在100米深水压环境中连续工作4小时以上，十二个速度型传感器为一组，相距0.5米线性分布，采用24芯屏蔽线连接，数据线兼具牵引绳作用，可根据需要在数据接收模块下端挂载重物以方便沉入不同组份泥水中。
[0064] 所述弹性波数据记录模块包括地震仪、计算机，地震仪将各个类型传感器传输而来的模拟信号进行数模转换，并传输至计算机以供进一步处理记录；计算机接收数字信号，结合弹性波发射模块上传的激发信号来调整数据记录时间，形成数据文件，并保存至相应文件位置。
[0065] 所述波形噪音过滤模块包括：
[0066] 带通滤波模块，其用于削弱工程现场各类规律性噪声对数据质量的影响，使用时可对高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度进行设置，具体参数应依据现场条件以及工程经验调整，例如大型施工机械运转时产生的低频噪声，车辆行驶造成的低频噪声，地面开挖或结构拆除产生的高频噪声，以及其他常见噪音；
[0067] 波形纠偏模块，其用于去除带通滤波模块无法修正的高度异常模型；对于传感器不正常工作、地层异常等导致的高度异常波形，无法通过带通滤波的方式消除噪音，可以使用波形纠偏模块逐一处理；首先删除异常波形所在时域的弹性波数据，然后使用插值的方法补充该时域的弹性波数据，对于整列波形异常的，可根据相邻测点数据生成修正的波形数据。
[0068] 本发明地下不良地质勘测数据采集分析方法包括以下步骤：
[0069] 步骤一，现场数据采集和记录，波形数据以ASCII码明文保存
[0070] 步骤二，数据的整理和传输，检查数据格式以确保数据处理程序能顺利运行；
[0071] 步骤三，设置带通滤波器参数，包括高截止频率、低截止频率、窗口镶边长度，参数应根据现场条件和工程经验确定；
[0072] 步骤四，运行带通滤波器，重新保存波形数据文件，波形数据以ASCII码明文保存；
[0073] 步骤五，检查波形数据有效性，包括是否保留有效信息以及波形是否失真，数据有效则转步骤六，数据普遍失真则转步骤三；
[0074] 步骤六，检查是否存在高度异常波形，读取异常波形的传感器道号，起始时间和终止时间；
[0075] 步骤七，删除高度异常波形；
[0076] 步骤八，选择波形修正模板，运行波形修正模块；
[0077] 步骤九，判断高度异常波形是否全部修正，是则转步骤十，不是则转步骤六；
[0078] 步骤十，读取钻孔地层信息，包括该钻孔所在地各地层深度、厚度、直达波波速；
[0079] 步骤十一，计算该钻孔个深度测点首波起跳延迟的理论值；
[0080] 步骤十二，根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形；
[0081] 步骤十三，将处理后的零起跳延迟波形按照深度排列，形成波形排列，重新保存数据文件，以ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码)码明文保存；
[0082] 步骤十四，读取各道波形振幅最大值，分别把处理得到的波形数据转换为峰值为1的波形，根据测点所处深度形成波形排列；
[0083] 步骤十五，将该波形排列转换为计算机能够识别的位图图像；
[0084] 步骤十六，识别地下不良地质体空间位置。
[0085] 所述步骤十六包括以下步骤：
[0086] 步骤二十，设置勘测条件，勘测钻孔孔径不应过小，且孔内充满水，钻孔周围地表平整密实；
[0087] 步骤二十一，检波器设置，采用速度型水声检波器1(如图1所示)，固有频率为100Hz(赫兹)，检测时需保持检波器和钻孔中水充分耦合；
[0088] 步骤二十二，设置测量仪器，测量仪器可以是任何数字地震仪2，二十四位模或数转换器和5kHz(千赫兹)以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可；
[0089] 步骤二十三，设置激发设备，由重锤和加速度型激发器组合而成；
[0090] 步骤二十四，波形处理，根据地层钻孔资料，获得该钻孔地层深度、厚度、直达波波速等信息，从而计算得到不同深度测点首波起跳延迟的理论值，并根据水声检波器坐标，对采集到的弹性波波形扣除这一延迟时间，形成零起跳延迟波形。本发明的效果如图2所示。
[0091] 以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
