[发明专利]一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法

权利要求书

1.一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统，其特征在于：包括伸入前方隧道土层顶部及底部的探杆（1）、探杆内部的超声波发射系统（2）、探杆内部的超声波采集系统（3）、探杆内部的无线数据传感器（4）和计算机（7），所述超声波发射系统（2）、采集系统（3）与无线数据传感器（4）设备均用螺栓固定于探杆（1）内部，超声波采集系统与无线数据传感器间用电缆线连接并固定于探杆内部，无线传感器（4）与计算机（7）之间通过无线电信号发射器与接收器联系；所述在盾构机（6）处将探杆（1）钻入盾构前方土层，利用超声相控阵超声波发射系统（2）发射超声波（8），超声波经孤石（5）后成衰减后超声波（9），由采集系统（3）将反射后的超声波进行采集信息，传至探杆内部的无线传感器（4），由传感器将信息传至计算机（7）；所述与该探测系统与计算机（7）采用无线连接，计算机（7）设有超声波数据处理系统、将前方孤石形状大小通过二次波成像系统呈现出来。

2.根据权利要求1所述的利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统，其特征在于：所述超声相控阵超声波发射系统（2）包括红外线感应开关（12）、低压电源（13）和超声相控阵列压电晶片（14），所述低压电源（13）与红外线感应开关（12）、超声相控阵列压电晶片（14）间通过电缆线路相连接；所述红外线感应开关（12）即在电源外部安装红外线感应装置，通过红外线感应遥控低压电源（13）内的电路系统，通过红外感应开关控制激发超声波；所述的超声相控阵列压电晶片（14）阵列为二维矩形阵列，每一块压电晶片都与低压电源（13）相连，通过红外线开关（12）遥控低压电源的开闭时序，可实现线性阵列和矩形阵列的转换。

3.根据权利要求1所述的利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统，其特征在于：所述反射波采集装置（3）由接收换能器（15）、放大电路（16）、比较器（17）组成，接收换能器（15）、放大电路（16）、比较器（17）与无线数据传感器（4）之间采用电缆线路相连接；所述放大电路（16）采用三级运算放大器，可以将接收换能器（15）接收的微弱的超声波回波信号转化为电信号，并且将其幅度放大为60万倍。放大后的电流信号送入比较器（17），将交流信号转换为方波信号传入无线数据传感器（4）。

4.根据权利要求3所述的利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统，其特征在于：所述超声波回波经采集装置（3）处理后的电信号由无线数据输出传感器（4）传送到计算机（7）终端，传感器（4）与计算机（7）终端间采用无线传输连接，可解决盾构机内不方便布线的问题，该传感器采用无损无压缩的技术内核以实现无损无延时传输；所述计算机（7）对接收到的数据进行处理并成像，给出前方孤石的数量多少以及具体位置。

5.一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的方法，采用根据权利要求1所述的利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统进行操作，其特征在于具体操作步骤如下：

（1）安装探测系统：在盾构机上安装超声相控阵声波发射探头和信号接收装置。超声波接收通道装置和处理器放置于盾构机机舱内，发射探头用现场所用锚杆支撑置于盾构机上方。超声波发射探头上安装二维矩形阵的换能器晶片阵列，每一小块压电晶片的激发时间可单独调节，以控制声束轴线和焦点参数；超声相控阵的发射探头不需要做任何移动就可使波束对前方土层进行扇形扫查探测；通过对激活晶片组的多路延时，使波束产生移动，发射不同角度范围的声波，进行全方位的探测；声波处理器方面，采用多通道处理器，普通的超声波采用单纯的声程显示，超声相控阵技术采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像，二次波检测成像模式，使成像结果分辨率更高，更加直观、精准地显示孤石所在位置以及具体粒径大小；

（2）对盾构前方土层进行声波预探测：激发单个压电晶片对盾构机前方土层进行预探测计算出超声波在该土层的传播速度等信息。超声波的传播速度在不同介质中是不同的，且还与环境温度有关；因为对前方土层探测所需的时间很短，可忽略温度对超声波的影响，只考虑由于土层强度不同对超声波带来的影响；在进行孤石探测之前，先用超声相控阵的线性阵列压电晶片激发超声波对前方土层进行大致的预探测，对采集到的声波信息进行处理，分析土层对超声波能量及频率的影响关系，提取相关有效信息并存储；

（3）超声相控阵探头对前方土层进行探测：在盾构机前方土层钻孔，将声波换能器固定在推送杆上，并用压入设备将声波换能器同推送杆压入所钻孔洞内，激活压电晶片，并通过延时使晶片产生不同相位的声波，产生扇形声波束，由近至远对前方10米~20米内土层进行扫查探测；在声波发射的同时，打开信号采集通道；

（4）超声相控阵声波处理器对回收到的信号处理：探杆内部的超声波采集系统采集接收到的弱衰减超声波信号和强衰减超声波信号并进行处理；采用多通道信号采集系统，为减少声波在图层中传播能量的衰减以及频率的改变，在声波处理上采用反褶积和反Q滤波的方法以提高分辨率。