專利名稱:一種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括取樣設(shè)備、測試設(shè)備和分析設(shè)備,其中,所述取樣設(shè)備用于獲取底泥樣品;所述測試設(shè)備用于獲取底泥樣品的波速與深度的關(guān)系,密度與深度的關(guān)系、反射信號主頻與深度的關(guān)系;所述分析設(shè)備通過分析計(jì)算密度與深度、波速、反射信號主頻之間的關(guān)系,得到所述底泥樣品的密度,所述測試設(shè)備包括淺地層剖面儀、發(fā)射換能器、接收換能器和密度試驗(yàn)儀器。使用本實(shí)用新型的系統(tǒng)自動(dòng)識別庫底地層反射信號,結(jié)合低擾動(dòng)取樣測試結(jié)果,判斷庫底地層密度等參數(shù),達(dá)到底泥取樣更準(zhǔn)確,密度探測更高效。
【專利說明】-種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于水庫底泥探測【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其是基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探 測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水庫底泥特征的識別設(shè)及多種檢測方法,數(shù)據(jù)量較大,若將不同的探測和測量結(jié) 果綜合起來,采用一定的數(shù)據(jù)融合方法,則能較好地識別底泥特征,節(jié)省人力物力,達(dá)到快 速精確地識別。
[0003] 目前水庫底泥探測方法包括底泥取樣、聲波探測、鉆孔勘探等多種方法。水庫底泥 取樣使用的取樣設(shè)備有抓斗式、箱式、冷凍式、重力式等取樣設(shè)備。水下底泥聲波探測設(shè)備 主要有:多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲響設(shè)備,它們具有相似的工作原理:由聲 學(xué)換能器向探測水體發(fā)射聲波,聲波遇到水底(海底)或障礙物后產(chǎn)生反射和散射回波,聲 學(xué)換能器接收到回波信號后,處理單元根據(jù)回波振幅和相位計(jì)算聲波旅行時(shí)間,再根據(jù)勘 測水體的聲速剖面計(jì)算聲波的實(shí)際傳播距離,然后根據(jù)發(fā)射開角,及運(yùn)動(dòng)傳感器的姿態(tài)參 數(shù)計(jì)算回波信號的位置和水深值,同時(shí)也記錄下回波的振幅和強(qiáng)度信息。數(shù)據(jù)融合技術(shù), 包括對各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過濾、相關(guān)及合成,W便輔助人們進(jìn) 行探測、分析、態(tài)勢判定、規(guī)劃、驗(yàn)證、診斷等。抓斗式、箱式、冷凍式、重力式等取樣設(shè)備主要 存在兩大問題;取樣時(shí)對樣品的擾動(dòng)問題和取樣時(shí)樣品泄漏問題,會導(dǎo)致所取樣品檢測結(jié) 果偏差較大,不能很好的代表底泥的真實(shí)特性。
[0004] 利用淺地層剖面儀進(jìn)行聲波探測,適用水深范圍大,并且穿透庫區(qū)底泥厚度大, 但是只能在遇到水底(海底)或障礙物后產(chǎn)生反射回波,回波信息表征了遇到不同介質(zhì)物 體的交界面,但是無法具體量化得出不同位置底泥的密度數(shù)據(jù),無法利用聲波信息推求渺 積泥沙的密度特征。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供了一種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測 系統(tǒng),使用本實(shí)用新型的系統(tǒng)自動(dòng)識別庫底地層反射信號,結(jié)合低擾動(dòng)取樣測試結(jié)果,判斷 庫底地層密度等參數(shù),達(dá)到底泥取樣更準(zhǔn)確,密度探測更高效。
[0006] 本實(shí)用新型提供了一種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括取 樣設(shè)備、測試設(shè)備和分析設(shè)備,其中,所述取樣設(shè)備用于獲取底泥樣品;所述測試設(shè)備用于 獲取底泥樣品的波速與深度的關(guān)系,密度與深度的關(guān)系、反射信號主頻與深度的關(guān)系;所述 分析設(shè)備通過分析計(jì)算密度與深度、波速、反射信號主頻之間的關(guān)系,得到所述底泥樣品的 密度。
[0007] 進(jìn)一步,所述取樣設(shè)備為基于重力式活塞技術(shù)的低擾動(dòng)取樣設(shè)備,包括導(dǎo)流裝置、 觸發(fā)裝置、取樣裝置,所述取樣裝置的襯管是透明PC管,內(nèi)徑為90mm、管長為10m。
[000引進(jìn)一步,所述測試設(shè)備包括淺地層剖面儀、發(fā)射換能器、接收換能器和密度試驗(yàn)儀 器,所述發(fā)射換能器與所述淺地層剖面儀的發(fā)射信號參數(shù)一致。
[0009] 進(jìn)一步,所述淺地層剖面儀的工作頻率為2-20曲Z,能夠探測的水庫底泥厚度為 O-lOOm,工作水深范圍0-500m。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的積極效果是:
[0011] (1)使用低擾動(dòng)取樣設(shè)備,能夠獲取較長的庫區(qū)底泥原狀樣品,相對鉆孔勘探取 樣、重力式取樣、抓斗式取樣,提高了效率,降低了成本,減輕了取樣工作對樣品的擾動(dòng)影 響,能夠獲得更準(zhǔn)確的底泥物理特性參數(shù)。
[0012] (2)使用淺地層剖面儀進(jìn)行聲波掃描,聲波發(fā)射頻率較低,產(chǎn)生的聲波電脈沖能量 較大,具有較強(qiáng)的穿透力,能夠有效穿透水底數(shù)十米的地層,而且探測效率高、準(zhǔn)確性高。
[0013] (3)利用室內(nèi)試驗(yàn)獲得庫區(qū)底泥波速的數(shù)據(jù)和密度數(shù)據(jù),將兩種數(shù)據(jù)擬合為不同 的函數(shù)曲線,找出二者的相關(guān)關(guān)系,對函數(shù)進(jìn)行合理拓展,可W推求出所取樣品深度W下底 泥的密度特性,從而獲得庫區(qū)底泥較深深度下密度特性參數(shù)。
[0014] (4)利用淺地層剖面儀掃描的聲波數(shù)據(jù)和建立的曲線進(jìn)行比對,利用信號頻譜特 征快速識別地層參數(shù),有利于庫區(qū)底泥層理分析。
[0015] (5)形成一套高效水庫底泥密度探測方法,此方法適用水庫范圍廣,可W推廣應(yīng)用 至其他眾多水庫,提高了水庫底泥探測效率,為水庫治理開發(fā)提供重要的基礎(chǔ)資料。
【附圖說明】
[0016] 圖1為取樣過程示意圖;
[0017] 圖2為室內(nèi)聲波速度測試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[001引本實(shí)用新型的目的是基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)提出的數(shù)據(jù)處理方法,集成低擾動(dòng)取樣 設(shè)備取樣檢測數(shù)據(jù)和淺地層剖面儀聲波探測數(shù)據(jù),形成一套高效水庫底泥探測方法,從而 能夠快速獲取水庫底泥的密度和結(jié)構(gòu),可為更加深入地分析研究水沙運(yùn)移規(guī)律提供基礎(chǔ)資 料,對深水水庫防洪排沙具有重大意義。
[0019] 下面結(jié)合附圖,對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0020] 近年來黃河水利科學(xué)研究院借鑒深海渺積物保真取樣原理,改造并研制出基 于重力式活塞技術(shù)的低擾動(dòng)柱狀深水庫區(qū)取樣設(shè)備;楊勇,張慶霞,陳豪,鄭軍所著 "深水水庫低擾動(dòng)取樣設(shè)備設(shè)計(jì)及性能分析[C]第五屆黃河國際論壇論文,2012. 09 ; 楊勇,鄭軍,陳豪所著"深水水庫低擾動(dòng)取樣設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)".水利水電科技進(jìn) 展,2012, 32 (S2) : 18-19 ;設(shè)計(jì)的取樣設(shè)備內(nèi)徑90mm、管長10m。原理為:取樣裝置主體自由 下落,在自重和慣性的作用下插入渺積物中,取樣裝置下端采用爪黃結(jié)構(gòu)來切斷并托住渺 積物。由于活塞產(chǎn)生的吸力使取樣裝置內(nèi)壁與樣品之間的摩擦力平衡抵消,該樣,在取樣裝 置內(nèi)便充滿了低擾動(dòng)的渺積物樣品。在=口峽庫區(qū)進(jìn)行的深水取樣初步試驗(yàn)表明,對于軟 質(zhì)河床渺積泥沙,能夠取得厚度3m W上的原狀柱狀樣品,但是對于硬質(zhì)渺積泥沙,由于± 顆粒摩擦角較大,并且渺積泥沙密實(shí)度較大,導(dǎo)致取樣效果不理想。
[0021] 本實(shí)用新型是通過低擾動(dòng)取樣設(shè)備得到水庫底泥樣品(又稱為試塊),經(jīng)過淺地 層剖面儀測試得到底泥物性隨深度變化規(guī)律,進(jìn)一步經(jīng)過淺地層剖面儀進(jìn)行聲學(xué)測試,得 到聲傳播特性的衰減變化函數(shù),將該函數(shù)應(yīng)用到淺地層剖面儀器的測試數(shù)據(jù)的分析,預(yù)測 微弱反射層是否存在,在不存在反射層情況下,其底泥物性符合原位測試結(jié)果預(yù)測函數(shù)。
[0022] 低擾動(dòng)取樣設(shè)備取得原狀樣品為圓柱狀樣品,直徑小于或等于90mm,長度小于或 等于8m,樣品被裝在襯管中,襯管是透明PC管,易于切割分段,能用肉眼清晰辨別取出樣品 分層、顏色和性狀。
[0023] 水庫底泥聲波探測掃描工作使用的是淺地層剖面儀,其工作頻率為2-20曲Z,能夠 探測庫區(qū)底泥厚度為O-lOOm,工作水深范圍0-500m。
[0024] 基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥探測方法,主要包括如下步驟:
[0025] 步驟一、試驗(yàn)船只攜帶淺地層剖面儀,記錄一條測線上掃描的聲波數(shù)據(jù),根據(jù)聲波 掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所顯示的水庫底部地形,在測線上選定相對平坦位置作為低擾動(dòng)取樣工作 的測點(diǎn);
[0026] 步驟二、如圖1所示,低擾動(dòng)取樣設(shè)備主要由導(dǎo)流裝置、觸發(fā)裝置、取樣裝置等部 分組成。試塊的獲取大致分為:下放過程、觸發(fā)過程、取樣過程和回收過程四個(gè)階段,當(dāng)取樣 設(shè)備下放到距離河底還有一段距離時(shí),平衡重塊先觸及河床,杠桿失去平衡,觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu) 動(dòng)作,取樣裝置主體自由下落,在自重和慣性的作用下插入渺積物中,取樣裝置下端采用爪 黃結(jié)構(gòu)來切斷并托住渺積物。由于活塞產(chǎn)生的吸力使取樣裝置內(nèi)壁與樣品之間的摩擦力平 衡抵消,該樣,在取樣裝置內(nèi)便充滿了低擾動(dòng)的底泥樣品。試驗(yàn)船只攜帶取樣設(shè)備在水庫選 定好的測點(diǎn)進(jìn)行低擾動(dòng)取樣工作,所取樣品保存在襯管中,將襯管密封好送回試驗(yàn)室;
[0027] 步驟S、如圖2所示,底泥樣品的厚度1。,水箱內(nèi)加水,固定發(fā)射換能器和接收換 能器(測試過程中試塊和換能器均浸在水中),發(fā)射換能器發(fā)射信號,記錄接收換能器接收 時(shí)間ti,得到水的波速v,=li/ti。發(fā)射換能器和接收換能器之間放置試樣,在底泥樣品兩 偵U,用穿透法檢測,得到聲波穿透試塊的傳播時(shí)間*2,則試塊的波速為Vt=iy(t2-12/V,-13/ V,)。所取底泥樣品深度為,將樣品分為n塊,每塊的厚度為dz,進(jìn)行底泥樣品的聲學(xué)測試, 得到聲波速度數(shù)據(jù),并將波速數(shù)據(jù)擬合為深度Z的函數(shù)Vi (Z),將擬合函數(shù)Vi (Z)在深度Z > Zi區(qū)間進(jìn)行拓展;
[002引步驟四、對上述樣品通過密度試驗(yàn)儀器進(jìn)行底泥樣品密度測試,并將密度數(shù)據(jù)擬 合為深度Z的函數(shù)P 1 (Z),將擬合函數(shù)在深度Z > Zi區(qū)間進(jìn)行拓展;
[0029] 步驟五、聲波穿透法檢測每塊樣品的吸收函數(shù);發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻信號 (LFM) Sifm,該信號與淺地層剖面儀的發(fā)射信號參數(shù)一致,接收信號為Sf (i = 1?n),則采 樣試塊的響應(yīng)函數(shù)3
【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)據(jù)融合的水庫底泥密度探測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括取樣設(shè)備、測試設(shè)備和 分析設(shè)備,其特征在于;所述取樣設(shè)備用于獲取底泥樣品;所述測試設(shè)備用于獲取底泥樣 品的波速與深度的關(guān)系,密度與深度的關(guān)系、反射信號主頻與深度的關(guān)系;所述分析設(shè)備通 過分析計(jì)算密度與深度、波速、反射信號主頻之間的關(guān)系,得到所述底泥樣品的密度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述取樣設(shè)備為基于重力式活塞技術(shù)的 低擾動(dòng)取樣設(shè)備,包括導(dǎo)流裝置、觸發(fā)裝置、取樣裝置,所述取樣裝置的襯管是透明PC管, 內(nèi)徑為90mm、管長為10m。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述測試設(shè)備包括淺地層剖面儀、發(fā) 射換能器、接收換能器和密度試驗(yàn)儀器,所述發(fā)射換能器與所述淺地層剖面儀的發(fā)射信號 參數(shù)一致。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于,所述淺地層剖面儀的工作頻率為 2-20曲Z,能夠探測的水庫底泥厚度為O-lOOm,工作水深范圍0-500m。
【文檔編號】G01N9-24GK204286983SQ201420183045
【發(fā)明者】張雷, 鄭軍, 李長征, 李永強(qiáng), 楊勇, 郭巧玲, 陳豪, 劉英紅, 康丙東 [申請人]黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院