基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法、系统及设备

技术领域

本发明属于隧道钻孔技术领域，具体涉及基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法、系统及设备。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

在隧道施工领域，通常可以通过掌子面上的钻孔使用钻孔地质雷达进行地质超前预报，从而为后续的施工提供有效的指导。该技术相对于非孔中的地质雷达更加深入掌子面前方，具有更大的探测范围，同时因为更加靠近异常地质体，探测结果也更加准确。但是传统的钻孔雷达使用的是全向天线，在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，无方向性，仅能确定异常地质体沿钻孔的深度，并不能确定地质体的具体方位。为此近年来出现了多种定向钻孔雷达，其中在天线上加装反射板使其具有方向性的反射板类定向钻孔雷达是一类重要分支。

目前，反射板类定向钻孔雷达技术尚不成熟，尽管国内外有一些科研机构制作过该类雷达的样机，但都未能成功实现大规模商用。制约反射板类定向钻孔雷达技术发展的一项重要原因就是缺少适合的能够对定向钻孔雷达数据进行三维成像的技术。

现有的应用于其他地质雷达和对空雷达的技术都不能够适应反射板类定向钻孔雷达的数据处理和三维成像。现有地质雷达数据处理技术通常都是在经过对雷达数据进行滤波去噪后在二维剖面上通过偏移或反演等手段进行成像，并不需要考虑天线的方向性；而对空雷达的测角技术通常只需要测量目标的方位角，并不需要对探测区域进行复杂的三维成像。因此，反射板类定向钻孔雷达缺少实用有效的专用的三维成像技术。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法，包括：

获得反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据；

将所述探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的探测数据组；

通过各探测数据组按照在探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度，在各个深度方向上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组的方位角；

叠加同一深度的探测数据，得到全向探测数据；

结合所述全向探测数据的每一个深度对应的方位角，将所述全向探测数据映射到三维空间，得到三维数据体；

通过三维数据体进行三维成像。

根据本发明的一个方面，所述将所述探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的探测数据组的步骤之前还包括：

对反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据进行去干燥和去噪声处理。

根据本发明的一个方面，所述通过各探测数据组按照在探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度，在各个深度方向上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组的方位角的步骤包括：

将探测数据组中的探测数据按照探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到所述探测数据组的多道数据；

采用时窗扫描所述探测数据组的每道数据，并获得每道数据在每个时窗的能量；

比较探测数据组的多道数据在同一时窗的能量，获得所述时窗的最大能量幅值；

将每个时窗的最大能量幅值的设定比例作为每个时窗的能量阈值；

筛选出每道数据在每个时窗大于对应的能量阈值的探测数据，从而获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据；

获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据对应的方位角组成的角度区间，将角度区间的中间值作为所述探测数据组在每个时窗中的方位角；

其他探测数据组重复上述步骤，获得各探测数据组在每个时窗中的方位角。

根据本发明的一个方面，所述能量阈值为所述时窗的最大能量幅值的0.55-0.95倍，优选地，所述能量阈值为所述时窗的最大能量幅值的0.8倍。

根据本发明的一个方面，所述获得每道数据在每个时窗的能量的步骤包括：

将时窗内的一道探测数据平方后再积分，获得所述一道探测数据在所述时窗的能量。

根据本发明的一个方面，所述通过三维数据体进行三维成像的步骤包括：

通过三维数据体得到各个方位角对应的深度数据切片；

在各个深度数据切片上进行偏移成像处理，得到偏移成像后的数据；

通过柱坐标系与直角坐标系之间的转换关系将偏移成像后的数据转换到三维空间中，得到三维成像。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像系统，包括：

采集模块，采集反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据；

分组模块，将接收模块接收的探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的探测数据组；

方位角获得模块，通过分组模块的各探测数据组按照在探测时基于反射板类定向钻孔雷达的旋转角度，在各个深度方向上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组的方位角；

全向探测数据获得模块，叠加同一深度的探测数据，得到全向探测数据；

三维数据体构建模块，通过方位角获得模块得到所述全向探测数据的每一个深度对应的方位角，结合所述方位角将所述全向探测数据获得模块得到的全向探测数据映射到三维空间，得到三维数据体；

三维成像模块，通过三维数据体构建模块获得的三维数据体进行三维成像。

根据本发明的另一个方面，所述方位角获得模块包括：

排列单元，将探测数据组中的探测数据按照探测时基于反射板类定向钻孔雷达的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到所述探测数据组的多道数据；

设定单元，设定时窗的长度；

能量获得单元，采用第一设定单元设定的时窗扫描排列单元排列的所述探测数据组的每道数据，并获得每道数据在每个时窗的能量；

最大能量幅值获得单元，比较能量获得单元获得的探测数据组的多道数据在同一时窗的能量，获得与所述时窗的最大能量幅值；

能量阈值获得单元，将每个时窗的最大能量幅值的设定比例作为每个时窗的能量阈值；

筛选单元，筛选出每道数据在每个时窗大于对应的所述能量阈值的探测数据，从而获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据；

角度区间获得单元，将筛选单元获得的所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据对应的方位角组成所述探测数据组在每个时窗中的角度区间；

方位角获得单元，将角度区间获得单元获得的所述探测数据组在每个时窗中的角度区间的中间值作为所述探测数据组在每个时窗中的方位角。

根据本发明的另一个方面，所述三维成像模块包括：

切片单元，通过三维数据体得到各个方位角对应的深度数据切片；

偏移成像处理单元，在各个深度数据切片上进行偏移成像处理，得到偏移成像后的数据；

成像单元，通过柱坐标系与直角坐标系之间的转换关系将偏移成像后的数据转换到三维空间中，得到三维成像。

根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法中的步骤。

根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像程序，所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像程序被处理器执行时，实现上述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法的步骤。

本发明针对定向钻孔雷达的方向性特征和探测环境特点，将探测数据按照深度分组，并结合探测时的定向钻孔雷达的旋转角度通过中间值方法获得每一组探测数据的方位角信息，结合了方位角信息得到三维数据体，进而得到三维成像，能够从探测数据中较准确地提取出异常地质体的方位角和深度，并进行三维成像，能够为隧道超前地质预报的反射板类定向钻孔雷达探测提供一套完整的数据处理与三维成像方法。

附图说明

图1是本发明所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例中所述基于反射板类定向钻孔雷达的探测数据的正演模型三维立体示意图；

图3A-图3C是本发明一个实施例中所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维方向图的三视图的示意图；

图4是本发明一个实施例中所述探测数据组的多道数据的示意图；

图5是本发明一个实施例中所述探测数据组的方位角信息的示意图；

图6A是本发明一个实施例中所述探测数据的40°角度处的深度数据切片图的示意图；

图6B是本发明一个实施例中所述探测数据的180°角度处的深度数据切片图的示意图

图7是本发明一个实施例中偏移处理之后得到的三维成像的示意图；

图8是本发明所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像系统的构成框图示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法的流程示意图，如图1所示，所述三维成像方法包括：

步骤S1，获得反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据，所述探测数据包括异常地质体的各个反射点的三维坐标值；

步骤S2，将所述探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的探测数据组，例如，探测数据为

步骤S3，通过各探测数据组按照在探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度，在各个深度方向上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组的方位角；

步骤S4，叠加同一深度的探测数据，得到全向探测数据，叠加多道数据消除因为天线方向性产生的干扰；

步骤S5，结合所述全向探测数据的每一个深度对应的方位角，将所述全向探测数据映射到三维空间，得到三维数据体；

步骤S6，通过三维数据体进行三维成像。

本发明提供了一套使用定向钻孔雷达数据进行三维成像的方法，能够很好地在三维空间内对异常地质体进行三维成像，弥补了该方面研究的空白。

在一些实施例中，步骤S1包括：

获得钻孔背景(例如在岩石中钻孔，则钻孔背景为岩石)的电性参数，所述电性参数包括电阻率或/和介电常数；

通过反射板类定向钻孔雷达探测出与所述钻孔背景的电性参数存在差异的地质体，为异常地质体。

在一些实施例中，步骤S2之前还包括：

对反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据进行去干燥和去噪声处理。

在一些实施例中，步骤S2可以按照深度范围对探测数据进行分组，反射板类定向钻孔雷达的探测方式可分为定点旋转探测后再移动、多方向多次探测、边旋转边移动三类，旋转和移动的次序存在差异，有的是雷达在钻孔中的固定点转动探测一周后再移动，有的是雷达在钻孔中来回扫描探测一遍后再旋转再扫描，不同的探测方式探测后从雷达中导出的探测数据的先后次序有所不同，本发明将数据按照探测时的深度进行分组，这样可以方便之后的数据处理和索引，本发明在同一或相近深度探测的数据分入一组，组内按照探测时雷达的转向排列，这样方便数据处理。

在一些实施例中，步骤S3包括：

步骤S31，将探测数据组中的探测数据按照探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到所述探测数据组的多道数据，例如，第一个深度的探测数据组[s

步骤S32，采用时窗扫描所述探测数据组的每道数据，并获得每道数据在每个时窗的能量，例如一个探测数据组的能量矩阵为

步骤S33，比较探测数据组的多道数据在同一时窗的能量，获得所述时窗的最大能量幅值，例如，比较e

步骤S34，将每个时窗的最大能量幅值的设定比例作为每个时窗的能量阈值，多个时窗的能量阈值可以不同；

步骤S35，筛选出每道数据在每个时窗大于对应的能量阈值的探测数据，从而获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据；

步骤S36，获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据对应的方位角(例如，可以利用探测数据在反射体所在方位两侧的对称性获得探测数据对应的方位角)组成的角度区间，将角度区间的中间值作为所述探测数据组在每个时窗中的方位角；

步骤S37，其他探测数据组重复上述步骤，获得各探测数据组在每个时窗中的方位角。

上述步骤S36中采用中间值法获得探测数据组在每个时窗中的方位角，相对于等信号法，计算更加简便且比较稳定，最大幅值法在天线的方向图较平滑的情况下，最大幅值的方向不易判别，使用本发明的中间执法，很容易判别中间值。

本发明使用定向钻孔雷达数据进行三维成像的技术。本发明能够很好地在三维空间内对异常地质体进行三维成像，弥补了国内外该方面研究的空白。本发明可以对反射板类定向钻孔雷达的数据进行去干扰和去噪处理，再按照深度进行分组。针对定向钻孔雷达的方向性特征和探测环境特点，利用探测数据在反射体所在方位两侧的对称性获得每一深度对应的探测数据组的方位角。之后结合了方位角信息与偏移成像技术，实现了定向钻孔雷达的三维成像。

在一些实施例中，步骤S32包括：

将时窗内的一道探测数据平方后再积分，获得所述一道探测数据在所述时窗的能量。

在一些实施例中，步骤S34中的所述能量阈值为所述时窗的最大能量幅值的0.55-0.95倍，能量阈值低于最大能量幅值的0.55倍，信号最弱的方向的强度有可能超过能量阈值，从而无法判别中间，能量阈值大于能量幅值的0.95倍，在天线的方向图较平滑的情况下，方向不容易判别，优选地，所述能量阈值为所述时窗的最大能量幅值的0.8倍。

在一些实施例中，步骤S6包括：

步骤S61，通过三维数据体得到各个方位角对应的深度数据切片；

步骤S62，在各个深度数据切片上进行偏移成像处理，得到偏移成像后的数据；

步骤S63，通过柱坐标系(方位角和距离)与直角坐标系之间(横纵坐标)的转换关系将偏移成像后的数据转换到三维空间中，得到三维成像，也就是说，把偏移成像剖面投影到三维空间中。

本发明针对定向钻孔雷达的方向性特征和探测环境特点，将探测数据按照深度分组，并结合探测时的定向钻孔雷达的旋转角度通过中间值方法获得每一组探测数据的方位角信息，结合了方位角信息与偏移成像技术，实现了定向钻孔雷达的三维成像。

在一个具体实施例中，基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法包括：

通过反射板类定向钻孔雷达的正演模型得到探测数据(如图2所示)，所述反射板类定向钻孔雷达三维方向的三视图如图3A-3C所示，由于探测数据的数据类型为正演数据，不需要去除干扰噪声；

将探测数据按照深度进行组合后再按照探测角度(探测时反射板类定向钻孔雷达的旋转角度)进行排列，得到每个探测数据组的多道数据，如图4所示；

分别对各深度的探测数据组进行处理，在各个深度上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组方位角信息，如在5m深度处的探测数据组的方位角信息如图5所示；

叠加同一深度的探测数据得到全向探测数据，并结合方位角信息得到三维数据体；

由三维数据体得到如图6A和6B所示的两个不同的方位角对应的深度数据切片，并在各个深度数据切片上进行偏移成像处理；

通过柱坐标系与直角坐标系之间的转换关系将偏移成像结果转换到三维数据体上，得到定向钻孔雷达的三维成像结果图，本实施例中得到的三维成像结果图如图7所示

图8是本发明所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像系统的构成框图示意图，如图8所示，所述三维成像系统包括：

采集模块1，采集反射板类定向钻孔雷达探测的异常地质体的探测数据；

分组模块2，将接收模块接收的探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的探测数据组；

方位角获得模块3，通过分组模块的各探测数据组按照在探测时基于反射板类定向钻孔雷达的旋转角度，在各个深度方向上对异常地质体进行定向，得到各探测数据组的方位角；

全向探测数据获得模块4，叠加同一深度的探测数据，得到全向探测数据；

三维数据体构建模块5，通过方位角获得模块得到所述全向探测数据的每一个深度对应的方位角，结合所述方位角将所述全向探测数据获得模块得到的全向探测数据映射到三维空间，得到三维数据体；

三维成像模块6，通过三维数据体构建模块获得的三维数据体进行三维成像。

在一些实施例中，所述方位角获得模块3包括：

排列单元31，将探测数据组中的探测数据按照探测时基于反射板类定向钻孔雷达的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到所述探测数据组的多道数据；

设定单元32，设定时窗的长度；

能量获得单元33，采用第一设定单元设定的时窗扫描排列单元排列的所述探测数据组的每道数据，并获得每道数据在每个时窗的能量；

最大能量幅值获得单元34，比较能量获得单元获得的探测数据组的多道数据在同一时窗的能量，获得与所述时窗的最大能量幅值；

能量阈值获得单元35，将每个时窗的最大能量幅值的设定比例作为每个时窗的能量阈值；

筛选单元36，筛选出每道数据在每个时窗大于对应的所述能量阈值的探测数据，从而获得所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据；

角度区间获得单元37，将筛选单元获得的所述探测数据组在每个时窗中大于对应的能量阈值的探测数据对应的方位角组成所述探测数据组在每个时窗中的角度区间；

方位角获得单元38，将角度区间获得单元获得的所述探测数据组在每个时窗中的角度区间的中间值作为所述探测数据组在每个时窗中的方位角。

在一些实施例中，所述三维成像模块6包括：

切片单元61，通过三维数据体得到各个方位角对应的深度数据切片；

偏移成像处理单元62，在各个深度数据切片上进行偏移成像处理，得到偏移成像后的数据；

成像单元63，通过柱坐标系与直角坐标系之间的转换关系将偏移成像后的数据转换到三维空间中，得到三维成像。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各实施例的基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法中的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像程序，所述基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像程序被处理器执行时，实现上述各实施例的基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法中的步骤。

本发明使用定向钻孔雷达数据进行三维成像，能够很好地在三维空间内对异常地质体进行三维成像，弥补了该方面研究的空白。针对定向钻孔雷达的方向性特征和探测环境特点，将探测数据按照深度分组，并通过计算中间值的方法算出每一组数据的方位角信息，能够从探测数据中较准确地提取出异常地质体的方位角和深度，并进行三维成像。另外，可以结合方位角信息与偏移成像技术，实现定向钻孔雷达的三维成像，可以精确对钻孔环境中异常地质体的进行定位。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。