本發(fā)明涉及巖土測(cè)量裝置領(lǐng)域，具體涉及一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，還涉及一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法，適用于對(duì)各類工程領(lǐng)域中地質(zhì)鉆孔內(nèi)的空區(qū)進(jìn)行詳盡勘察和探測(cè)，獲取空區(qū)的精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和輪廓信息，能夠?qū)崿F(xiàn)量程范圍內(nèi)各種尺寸空區(qū)的無(wú)盲點(diǎn)精確探測(cè)。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入礦產(chǎn)資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段且多為地下開(kāi)采。礦產(chǎn)資源地下開(kāi)采不可避免會(huì)形成大量的采空區(qū)，而采空區(qū)可能會(huì)引發(fā)井下大面積冒落、巖移及地表塌陷，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備破壞。因此，非常有必要準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的形態(tài)、實(shí)際邊界、頂板面積和體積大小等基本信息。我國(guó)巖溶地貌分布廣泛，巖溶塌陷已成為我國(guó)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)社會(huì)發(fā)展和工程建設(shè)具有嚴(yán)重的危害；巖溶的發(fā)育對(duì)于油氣資源的富集與運(yùn)移、地下水資源的分布與徑流、與巖溶相關(guān)礦產(chǎn)資源的發(fā)育和分布以及對(duì)工程建設(shè)都好產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)巖溶的探測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。世界上90％的能源(石油、天然氣)儲(chǔ)存庫(kù)建在鹽巖介質(zhì)或利用報(bào)廢的廢鹽礦井中。對(duì)于鹽穴地下儲(chǔ)庫(kù)，在投入使用前或使用一段時(shí)間后，均要進(jìn)行腔體變性及密封性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試，由于洞室的不規(guī)則性、以及各種測(cè)試方法精度較低的局限性，所獲得結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一種新的探測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決地下能源儲(chǔ)存中溶腔精確探測(cè)的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于空區(qū)的探測(cè)方法主要有：電法勘探、電磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3d法。但是前面五種探測(cè)方法均不同程度地存在著抗干擾能力較弱，勘探深度有限，探測(cè)結(jié)果不夠精確，完成后需要對(duì)探測(cè)結(jié)果解釋，過(guò)程繁瑣，可視化程度低等問(wèn)題，而測(cè)量精度高的激光3d法探測(cè)成本高，對(duì)空區(qū)內(nèi)環(huán)境要求高且不能對(duì)充有水的空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

總之，隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入，空區(qū)(采空區(qū)、巖溶和溶腔等)開(kāi)發(fā)利用成為解決土地、資源與環(huán)境危機(jī)的重要措施，大量的地下工程建設(shè)方興未艾，全生命周期的安全問(wèn)題以及能源儲(chǔ)備問(wèn)題亟待解決。然而，空區(qū)探測(cè)技術(shù)的不足和匱乏成為制約地下空區(qū)開(kāi)發(fā)利用的瓶頸。

現(xiàn)在的探測(cè)發(fā)展中，超聲探測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，超聲探測(cè)技術(shù)不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也越來(lái)越多地應(yīng)用在民用場(chǎng)合，如超聲測(cè)距、安防探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損探測(cè)、水下聲納和管道檢漏等方面。由于超聲波具有頻率高，波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象好；方向性好，能夠成為射線而定向傳播；能量消耗慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。超聲波在水下傳播的距離比光和電磁波要遠(yuǎn)得多，故在水下的目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、定位、通訊和導(dǎo)航以及海洋石油開(kāi)發(fā)中，也廣泛應(yīng)用超聲波作為信息載體。由此可見(jiàn)，采用超聲波對(duì)孔內(nèi)空區(qū)進(jìn)行探測(cè)具有可行性，然而被探測(cè)的空區(qū)形態(tài)和尺寸未知且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一頻率超聲的探測(cè)范圍有限(高頻率探測(cè)范圍小，低頻率探測(cè)范圍大)，不能準(zhǔn)確掌握空區(qū)的形態(tài)和尺寸，此外，在檢波的過(guò)程中，無(wú)法保證不存在漏檢脈沖波形，以及無(wú)法獲取各種環(huán)境下聲速值，從而導(dǎo)致探測(cè)精度差。

鑒于現(xiàn)有超聲波探測(cè)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法與裝置，從根本上解決了單一頻率超聲的探測(cè)范圍極限以及探測(cè)精度低的難題，該裝置將多種頻率結(jié)合起來(lái)，同時(shí)掃描空區(qū)，最后選擇兩個(gè)合適頻率的波形進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出漏檢波形周期，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，在結(jié)合方位和深度信息后，可以擬合出空區(qū)的立體輪廓。基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：1)探測(cè)精度高。通過(guò)選擇較為合適的兩個(gè)頻率超聲波形，進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出漏檢的超聲脈沖個(gè)數(shù)，從而使探測(cè)的檢測(cè)時(shí)間更加準(zhǔn)確，獲取聲波在標(biāo)定部件與反射部件之間的往返時(shí)間，計(jì)算出該探測(cè)環(huán)境下的聲速，從而使各探測(cè)環(huán)境下的聲速更加準(zhǔn)確；2)探測(cè)方式簡(jiǎn)單。僅通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)掃描部件和方位部件即能獲得各尺寸空區(qū)全方位巖壁的輪廓曲線；3)探測(cè)范圍廣。通過(guò)選取合適的各種頻探頭能夠探測(cè)到更大的孔內(nèi)空區(qū)結(jié)構(gòu)，可探測(cè)出不同方向的巖壁輪廓信息，其內(nèi)含信息更加豐富；4)結(jié)構(gòu)小巧，布局靈活，連接簡(jiǎn)潔，易于實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服以往超聲波探測(cè)頻率單一而導(dǎo)致的探測(cè)范圍有限、探測(cè)精度差的缺點(diǎn)和不足，提出一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，還提出一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法，利用兩種頻率相位差來(lái)精確計(jì)算測(cè)距值，結(jié)合掃描點(diǎn)方位及深度形成空區(qū)立體輪廓的方法，并形成一套布設(shè)有多個(gè)頻率換能器的可旋轉(zhuǎn)掃描孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，即基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空區(qū)巖壁的高精度掃描，完成空區(qū)無(wú)死角的探測(cè)，并形成空區(qū)的立體輪廓。該方法和裝置構(gòu)思新穎、實(shí)施容易，是超聲波探測(cè)技術(shù)的新方法和新一代裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施：

一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件，還包括方位部件、掃描部件、標(biāo)定部件和反射部件，

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件，用于驅(qū)動(dòng)方位部件和掃描部件同步旋轉(zhuǎn)；

方位部件，用于實(shí)時(shí)方位獲取；

掃描部件，包括多個(gè)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)下沿同一掃描圓旋轉(zhuǎn)的超聲換能器，各個(gè)超聲換能器發(fā)射的發(fā)射脈沖序列的頻率不同，各個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件沿同一掃描圓旋轉(zhuǎn)時(shí)依次對(duì)孔內(nèi)空區(qū)的孔壁的同一掃描點(diǎn)進(jìn)行掃描；

標(biāo)定部件，用于配合反射部件測(cè)量超聲脈沖在孔內(nèi)空區(qū)內(nèi)的介質(zhì)中的傳播速度。

一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一、采集孔內(nèi)空區(qū)孔壁掃描點(diǎn)所在深度、方位，

采集空區(qū)巖壁掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)超聲換能器的發(fā)射脈沖序列以及對(duì)應(yīng)的實(shí)際接收脈沖序列；

步驟二、選取掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖峰值最大的兩個(gè)實(shí)際接收脈沖序列，分別定義為第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列；第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖序列分別為第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列，

第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列的頻率分別為f1和f2，且f1小于f2，

第一發(fā)射脈沖序列的脈沖周期為t1，第二發(fā)射脈沖序列的脈沖周期為t2，

定義第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的理論接收脈沖序列分別為第一理論接收脈沖序列和第二理論接收脈沖序列，

第一發(fā)射脈沖序列的首波到第一理論接收脈沖序列的首波所用時(shí)間為t1，第二發(fā)射脈沖序列的首波到第二理論接收脈沖序列的首波所用時(shí)間為t2，

第一發(fā)射脈沖序列的首波到第一理論接收脈沖序列的第n個(gè)上升沿所用時(shí)間為t1_n，第二發(fā)射脈沖序列的首波到第二理論接收脈沖序列的第n個(gè)上升沿所用時(shí)間為t2_n，

第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列的脈沖數(shù)量均為n，

設(shè)定第一實(shí)際接收脈沖序列中的第一個(gè)脈沖之前漏檢的脈沖數(shù)為m1，選定掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一發(fā)射脈沖序列的第一個(gè)脈沖的上升沿到第一實(shí)際接收脈序列的第a個(gè)脈沖的上升沿所用時(shí)間記為時(shí)間t1_a，

設(shè)定第二實(shí)際接收脈沖序列中的第一個(gè)脈沖之前漏檢的脈沖數(shù)為m2，選定掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第二發(fā)射脈沖序列的第一個(gè)脈沖的上升沿到第二實(shí)際接收脈序列的第b個(gè)脈沖的上升沿所用時(shí)間記為時(shí)間t1_b；

步驟三、首先取a＝b＝1；

步驟四、判斷時(shí)間t1_a與t2_b的大?。?/p>

若時(shí)間t1_a<時(shí)間t2_b，則a加1,直至?xí)r間t1_a第一次大于等于時(shí)間t2_b，在時(shí)間t1_a第一次大于等于時(shí)間t2_b的情況下：

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b>＝m，則b加1，直至?xí)r間t1_a減去時(shí)間t2_b的差值第一次小于m，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t，其中，△t＝t1-t2；

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b<m,則記錄a和b的值，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

若時(shí)間t1_a≥時(shí)間t2_b，

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b>＝m，則b加1，直至?xí)r間t1_a減去時(shí)間t2_b的差值第一次小于m，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b<m，則記錄a和b的值，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

其中，

步驟五、通過(guò)c+1＝a+m1和c+1＝b+m2分別計(jì)算出m1和m2的值；

步驟六、第一發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器與掃描點(diǎn)之間的距離s1＝(t1_1-m1×t1)c，第二發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器與掃描點(diǎn)之間的距離s2＝(t2_1-m2×t2)c，c為超聲脈沖在孔內(nèi)空區(qū)內(nèi)的介質(zhì)中的傳播速度；

步驟七、掃描線長(zhǎng)度s為(s1+s2)/2。

一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法及裝置的原理為：

1、探測(cè)裝置裝配的多個(gè)頻率超聲換能器(即各個(gè)超聲換能器發(fā)射的發(fā)射脈沖序列的脈沖頻率不同)，能夠解決空區(qū)探測(cè)范圍受限的問(wèn)題，當(dāng)空區(qū)尺寸較小時(shí)，小尺寸的空區(qū)可能處于低頻超聲換能器的探測(cè)盲區(qū)范圍內(nèi)，而不能夠很好的探測(cè)，而裝置中的高頻的超聲換能器則能夠獲得良好探測(cè)波形，當(dāng)空區(qū)尺寸較大時(shí)，由于探測(cè)介質(zhì)中可能存在各種顆粒物或者微小雜質(zhì)等物體時(shí)，高頻率的超聲換能器所產(chǎn)生的波形波長(zhǎng)較小，不能穿透或者繞過(guò)障礙物，從而影響大尺寸空區(qū)的探測(cè)，而裝置中的低頻的超聲換能器所產(chǎn)生的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受障礙物的影響較小，從而可以實(shí)現(xiàn)大尺寸空區(qū)的探測(cè)；

2、探測(cè)裝置根據(jù)實(shí)際需求裝配有多個(gè)頻率的超聲換能器，探測(cè)全過(guò)程同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)數(shù)據(jù)波形反射情況，選擇兩個(gè)波形較好的頻率的超聲換能器所采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析，計(jì)算出波形的漏檢數(shù)，從而精確計(jì)算出各頻率的超聲換能器到掃描點(diǎn)的距離值，并將兩個(gè)頻率所測(cè)距離值進(jìn)行平均處理，該平均值即為超聲換能器到該方向巖壁掃描點(diǎn)的距離值，結(jié)合掃描點(diǎn)方位信息和深度信息，即可線性插值擬合出孔內(nèi)空區(qū)的立體輪廓；

3、由于探測(cè)環(huán)境不同，掃描部件所處的探測(cè)介質(zhì)環(huán)境(溫度、濃度、壓力)不同，探測(cè)裝置設(shè)置了標(biāo)定裝置、反射裝置和流通孔，探測(cè)介質(zhì)通過(guò)流通孔進(jìn)入標(biāo)定裝置和反射裝置之間的空腔，通過(guò)標(biāo)定裝置計(jì)算出聲波從標(biāo)定裝置到反射裝置所用時(shí)間，而標(biāo)準(zhǔn)裝置和反射裝置之間的間距為固定值，從而可以計(jì)算出聲波在該探測(cè)介質(zhì)中的傳播速度，從而使掃描部件測(cè)距離所需的聲速值更加準(zhǔn)確；

4、由于探測(cè)環(huán)境較為惡劣，在分析反射波形時(shí)，通常會(huì)存在漏檢波形的情況，將非首波視為首波，從而導(dǎo)致測(cè)出的距離值偏大，為了提供測(cè)距值，通過(guò)兩個(gè)頻率的波形進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出各頻率的漏檢周期，從而使掃描部件測(cè)距離所需的時(shí)間更加準(zhǔn)確；

5、由于探測(cè)范圍不同，聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間也不一致，為了獲得更多數(shù)據(jù)，需要獲取更多的掃描點(diǎn)，探測(cè)裝置采樣步進(jìn)電機(jī)，可以精確每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)掃描速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際情況，在地面選擇合適掃描速度；

6、掃描部件在工作的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)掃描部件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)空區(qū)巖壁的360度全方位掃描，并通過(guò)方位部件時(shí)刻記錄掃描點(diǎn)的方位信息；

7、由于數(shù)據(jù)量較大，采樣光纖傳輸，能夠大大提高傳輸效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；

通過(guò)以上方案及措施設(shè)計(jì)的基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，利用了裝配多種頻率的超聲換能器，來(lái)實(shí)現(xiàn)了各尺寸的空區(qū)探測(cè)，并獲取了更多的探測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)選取兩個(gè)頻率的超聲換能器所產(chǎn)生的清晰波形，進(jìn)行對(duì)比，可以計(jì)算出脈沖波形漏檢周期個(gè)數(shù)，從而提高檢測(cè)時(shí)間的精度，同時(shí)采用標(biāo)定部件和反射部件，來(lái)獲得實(shí)時(shí)聲速，實(shí)現(xiàn)波速的高精度測(cè)量，最后將兩個(gè)頻率的超聲換能器所測(cè)距值進(jìn)行平均，從而實(shí)現(xiàn)超聲換能器與掃描點(diǎn)之間距離的精確計(jì)算，采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)空區(qū)的全方位掃描探測(cè)，從而解決了單一頻率超聲的探測(cè)范圍極限性及低精度的難題，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)范圍廣，探測(cè)精度高，采集效率高，并具有顯著的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、本發(fā)明將多種頻率的超聲換能器結(jié)合起來(lái)，既擴(kuò)大了探測(cè)范圍，彌補(bǔ)各工作探頭的盲區(qū)范圍，保證探測(cè)空區(qū)尺寸的連續(xù)性，又能夠獲取更多的探測(cè)數(shù)據(jù)；

2、本發(fā)明將多種頻率的超聲換能器結(jié)合起來(lái)，通過(guò)選擇較為合適的兩個(gè)頻率超聲波形，進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出漏檢的超聲脈沖個(gè)數(shù)，從而使探測(cè)的檢測(cè)時(shí)間更加準(zhǔn)確；

3、本發(fā)明設(shè)置有標(biāo)定部件、反射部件和流通孔，通過(guò)獲取聲波在標(biāo)定部件與反射部件之間的往返時(shí)間，計(jì)算出該探測(cè)環(huán)境下的聲速，從而使各探測(cè)環(huán)境下的聲速更加準(zhǔn)確；

4、本發(fā)明將較為合適的兩個(gè)頻率測(cè)距值平均，將平均值視為超聲換能器與掃描點(diǎn)之間的距離，從而使測(cè)距值更加準(zhǔn)確；

5、本發(fā)明采用光纖傳輸，能夠大大提高孔內(nèi)探頭與地面計(jì)算機(jī)之間的傳輸速率；

6、本發(fā)明裝置操作方便，容易實(shí)現(xiàn)，獲得的數(shù)據(jù)更加豐富，取得的結(jié)果更加可靠，大大地提高了探測(cè)效率；

7、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體系和總體布局簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。

總之，本發(fā)明提供了一種利用布設(shè)多種頻率的超聲換能器，來(lái)解決單一頻率超聲的探測(cè)范圍極限性及低精度的難題，通過(guò)選取兩個(gè)頻率的超聲換能器所產(chǎn)生的清晰波形，進(jìn)行對(duì)比，可以計(jì)算出脈沖波形漏檢周期個(gè)數(shù)，從而提高檢測(cè)時(shí)間精度，同時(shí)采用標(biāo)定部件和反射部件，來(lái)獲得實(shí)時(shí)聲速，實(shí)現(xiàn)波速的高精度測(cè)量，最后將兩個(gè)頻率的超聲換能器所測(cè)距值進(jìn)行平均，從而實(shí)現(xiàn)超聲換能器與掃描點(diǎn)之間距離的精確計(jì)算，疊加掃描點(diǎn)的方位信息和深度信息，通過(guò)線性插值擬合出空區(qū)的立體輪廓，從而實(shí)現(xiàn)空區(qū)高精度探測(cè)。該方法及裝置設(shè)計(jì)巧妙，構(gòu)思嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為孔內(nèi)探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為掃描部件結(jié)構(gòu)分布圖；

圖4為波形示意圖；

圖5為計(jì)算流程圖；

圖中：1-殼體；2-控制部件；3-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件；4-方位部件；5-掃描部件；6-標(biāo)定部件；7-反射部件；8-流通孔；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，包括孔內(nèi)探頭、電纜、深度編碼器、數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)和電源，孔內(nèi)探頭用于精確探測(cè)空區(qū)巖壁上的掃描點(diǎn)與超聲換能器所處掃描線的方位與長(zhǎng)度，孔內(nèi)探頭置于孔內(nèi)的空區(qū)中，孔內(nèi)探頭通過(guò)電纜下放到孔內(nèi)，并通過(guò)電纜將采集數(shù)據(jù)上傳到地面上的計(jì)算機(jī)，孔內(nèi)探頭從孔口下放的同時(shí)，處于孔口的深度編碼器開(kāi)始工作，用于記錄孔內(nèi)探頭下放深度，從而計(jì)算出巖壁上掃描點(diǎn)所處的深度信息，深度編碼器直接與計(jì)算機(jī)相連，深度信息直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用來(lái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示和后期分析計(jì)算，電源為深度編碼器、孔內(nèi)探頭和計(jì)算機(jī)供電。

如圖2所示，一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，包括孔內(nèi)探頭，孔內(nèi)探頭包括殼體1、控制部件2、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3、方位部件4、掃描部件5、標(biāo)定部件6、反射部件7和流通孔8，殼體1位于最外側(cè)，控制部件2位于殼體1上部，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3位于殼體1中部且處于控制部件2下方，為掃描部件5提供動(dòng)力，方位部件4位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3下部，方位部件4位于掃描部件5上部，方位部件4與掃描部件5的相對(duì)位置固定，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)下，方位部件4和掃描部件5同步旋轉(zhuǎn)，并記錄方位部件4對(duì)應(yīng)的方位，掃描部件5位于孔內(nèi)探頭下部，標(biāo)定部件6位于殼體1的下部且位于掃描部件5下方，反射部件7位于殼體1的下部且位于標(biāo)定部件6下方，殼體1位于標(biāo)定部件6和反射部件7之間的側(cè)壁開(kāi)設(shè)有流通孔8，使探測(cè)環(huán)境中的介質(zhì)能夠自然流入標(biāo)定部件6與反射部件7之間的空腔。

殼體1，呈圓筒狀，為不帶磁的材料，通常選擇不銹鋼材料，它具有保護(hù)內(nèi)部元器件的作用，同時(shí)也是支撐內(nèi)部元器件搭建的平臺(tái)，殼體1具有各種密封裝置，包括靜密封和動(dòng)密封，封裝控制部件2、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3和方位部件4的上部殼體1之間的連接部位設(shè)有靜密封，通常在o型槽內(nèi)布設(shè)o型圈；封裝掃描部件5、標(biāo)定部件6、反射部件7和流通孔8的下部殼體1之間的連接部位設(shè)有靜密封，通常在o型槽內(nèi)布設(shè)o型圈；上部殼體1和下部殼體1之間發(fā)生周向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，殼體1的上部和下部之間的連接部位設(shè)有動(dòng)密封，通常在密封槽內(nèi)布設(shè)動(dòng)密封圈，防治孔內(nèi)探頭外部環(huán)境中的介質(zhì)流入，并抵抗外部介質(zhì)的壓力。

控制部件2，用于控制和記錄各超聲換能器在掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)出發(fā)射脈沖序列；還用于接收和記錄掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的各個(gè)接收脈沖序列；還用于記錄方位部件4產(chǎn)生的方位；還用于記錄標(biāo)定部件6獲得的超聲脈沖在介質(zhì)中的傳播速度。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3，包括步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有精確的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)掃描部件5和方位部件4的360度掃描，并可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變掃描部件5的旋轉(zhuǎn)速度。步進(jìn)電機(jī)為空心軸電機(jī)，電機(jī)軸通過(guò)鍵帶動(dòng)封裝了掃描部件5、標(biāo)定部件6、反射部件7和流通孔8的下部殼體1旋轉(zhuǎn)，方位部件4、掃描部件5和標(biāo)定部件6的引線通過(guò)空心軸引入步進(jìn)電機(jī)上部，并設(shè)有滑環(huán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)引線的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)和封裝了掃描部件5、標(biāo)定部件6、反射部件7和流通孔8的下部殼體1的外側(cè)連接部分設(shè)有動(dòng)密封，來(lái)滿足旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)殼體1的密封。

方位部件4，可采用電子羅盤或者陀螺儀等元器件進(jìn)行實(shí)時(shí)方位獲取，方位部件4與掃描部件5相固定，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件3的作用下，能夠同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)顯示掃描部件某一個(gè)固定點(diǎn)所處的方位，固定點(diǎn)可以選取其中的一個(gè)超聲換能器所處位置，方位部件4所產(chǎn)生的方位角即為該超聲換能器發(fā)射脈沖所指向的地理方位，通過(guò)超聲換能器布設(shè)的角度信息，可以計(jì)算出所有超聲換能器所發(fā)射脈沖的方位角信息。

如圖3所示，掃描部件5包括多個(gè)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件(3)的驅(qū)動(dòng)下沿同一掃描圓旋轉(zhuǎn)的超聲換能器，各個(gè)超聲換能器發(fā)射的發(fā)射脈沖序列的頻率不同，發(fā)射脈沖序列的頻率根據(jù)實(shí)際需求選取，測(cè)的空區(qū)越大，所用發(fā)射脈沖序列的頻率越低，空區(qū)范圍越小，所用發(fā)射脈沖序列的頻率越高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空區(qū)，選用高、中、低多組頻率的組合，通常至少包括三種發(fā)射脈沖序列的頻率的超聲換能器，作為優(yōu)選方案，掃描圓垂直于被探測(cè)孔的中心軸，各個(gè)超聲換能器在掃描選定掃描點(diǎn)時(shí)，與選定掃描點(diǎn)的距離(掃描線長(zhǎng)度)相同。

標(biāo)定部件6，包括一個(gè)高精度的測(cè)距超聲換能器，測(cè)距超聲換能器自發(fā)自收，通過(guò)測(cè)量超聲波到達(dá)反射部件7所用往返時(shí)間，由于標(biāo)定部件6與反射部件7之間的距離為固定值，可以計(jì)算出在當(dāng)前環(huán)境(溫度、濃度等)條件下，超聲脈沖在介質(zhì)中的傳播速度，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定目的。

反射部件7，上表面光滑，與標(biāo)定部件6的距離為固定值，保證標(biāo)定部件6所測(cè)距離值與實(shí)際距離值高度一致。

一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)裝置，還包括電纜，電纜為鋼鎧電纜或者鋼鎧光纖，它具有傳輸數(shù)據(jù)和下放孔內(nèi)探頭的作用，可以通過(guò)電動(dòng)絞車或者手動(dòng)下放電纜，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)探頭的勻速下放，從而實(shí)現(xiàn)空區(qū)的精確掃描。

一種基于多頻超聲掃描的孔內(nèi)空區(qū)探測(cè)方法，

步驟一、采集孔內(nèi)空區(qū)孔壁掃描點(diǎn)所在深度、方位，

采集孔內(nèi)空區(qū)巖壁掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)發(fā)射頻率的超聲換能器的發(fā)射脈沖序列以及對(duì)應(yīng)的實(shí)際接收脈沖序列；

其中，深度即掃描點(diǎn)的距離信息被采集時(shí)，掃描部件5中各超聲換能器所在的孔內(nèi)深度，通過(guò)地面上的深度編碼器獲得，

方位即超聲換能器的發(fā)射脈沖指向巖壁上掃描點(diǎn)的地理方位信息，可以通過(guò)方位部件4獲得的方位角計(jì)算出每個(gè)超聲換能器各個(gè)時(shí)刻的方位角信息，

超聲脈沖序列即各個(gè)超聲換能器指向巖壁上掃描點(diǎn)時(shí)的發(fā)射脈沖序列和接收脈沖序列，超聲脈沖序列為波形圖，包括上升沿和下降沿，

步驟二、將掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際接收脈沖序列進(jìn)行對(duì)比分析，選取掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖峰值最大的兩個(gè)實(shí)際接收脈沖序列，分別定義為第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列；第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖序列分別為第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列，然后計(jì)算出該掃描點(diǎn)的掃描線長(zhǎng)度，

每個(gè)巖壁上的掃描點(diǎn)均被不同頻率的超聲換能器掃描過(guò)至少一遍，由于各頻率在傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)不一致，各頻率的接收脈沖序列的脈沖峰值也會(huì)不一致，將同一掃描點(diǎn)的各頻率的接收脈沖序列的脈沖峰值進(jìn)行對(duì)比，選取脈沖峰值最大的兩個(gè)接收脈沖序列，將這兩個(gè)接收脈沖序列分別為掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列，

如圖4所示，假設(shè)第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列的頻率分別為f1和f2，且f1小于f2，

第一發(fā)射脈沖序列的脈沖周期為t1，第二發(fā)射脈沖序列的脈沖周期為t2。

定義第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的理論接收脈沖序列分別為第一理論接收脈沖序列和第二理論接收脈沖序列，

第一發(fā)射脈沖序列的首波到第一理論接收脈沖序列的首波所用時(shí)間為t1，第二發(fā)射脈沖序列的首波到第二理論接收脈沖序列的首波所用時(shí)間為t2。

第一發(fā)射脈沖序列的首波到第一理論接收脈沖序列的第n個(gè)上升沿所用時(shí)間為t1_n，第二發(fā)射脈沖序列的首波到第二理論接收脈沖序列的第n個(gè)上升沿所用時(shí)間為t2_n，

第一發(fā)射脈沖序列和第二發(fā)射脈沖序列的脈沖數(shù)量均為n，則存在如下關(guān)系式：

由于不同頻率的超聲換能器到同一個(gè)掃描點(diǎn)所處位置相同，即t1和t2相等，存在如下關(guān)系式：

標(biāo)記m為常數(shù)，可以通過(guò)發(fā)射脈沖序列的發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)和已知頻率計(jì)算。由于存在漏檢的情況，第一發(fā)射脈沖序列的頻率為頻率f1，設(shè)定第一實(shí)際接收脈沖序列中的第一個(gè)脈沖之前漏檢的脈沖數(shù)為m1，第一實(shí)際接收脈沖序列的第一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)第一理論接收脈沖序列中的第m1+1個(gè)脈沖，實(shí)際接收脈沖序列只存在首波漏檢的情況，實(shí)際接收脈沖序列中間的脈沖不存在漏檢的情況。選定掃描點(diǎn)發(fā)送的第一發(fā)射脈沖序列的第一個(gè)脈沖的上升沿到第一實(shí)際接收脈序列的第a個(gè)脈沖的上升沿(即第一理論接收脈沖序列的第m1+a個(gè)脈沖的上升沿)所用時(shí)間記為時(shí)間t1_a，

第二發(fā)射脈沖序列的頻率為頻率f2，設(shè)定第二實(shí)際接收脈沖序列中的第一個(gè)脈沖之前漏檢的脈沖數(shù)為m2，第二實(shí)際接收脈沖序列的第一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)第二理論接收脈沖序列中的第m2+1個(gè)脈沖，實(shí)際接收脈沖序列只存在首波漏檢的情況，實(shí)際接收脈沖序列中間的脈沖不存在漏檢的情況。選定掃描點(diǎn)發(fā)送的第二發(fā)射脈沖序列的第一個(gè)脈沖的上升沿到第二實(shí)際接收脈序列的第b個(gè)脈沖的上升沿(即第二理論接收脈沖序列的第m2+b個(gè)脈沖的上升沿)所用時(shí)間記為時(shí)間t1_b，

則存在如下關(guān)系：

如圖5所示，將第一實(shí)際接收脈沖序列和第二實(shí)際接收脈沖序列分別檢測(cè)，對(duì)時(shí)間t1_a和時(shí)間t_2b進(jìn)行對(duì)比，

步驟三、首先取a＝b＝1，

步驟四、判斷時(shí)間t1_a與t2_b的大小，

若時(shí)間t1_a<時(shí)間t2_b，則a加1,直至?xí)r間t1_a第一次大于等于時(shí)間t2_b，在時(shí)間t1_a第一次大于等于時(shí)間t2_b的情況下：

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b>＝m，則b加1，直至?xí)r間t1_a減去時(shí)間t2_b的差值第一次小于m，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t，其中，△t＝t1-t2；

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b<m,則記錄a和b的值，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

若時(shí)間t1_a≥時(shí)間t2_b，

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b>＝m，則b加1，直至?xí)r間t1_a減去時(shí)間t2_b的差值第一次小于m，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

當(dāng)時(shí)間t1_a-時(shí)間t2_b<m，則記錄a和b的值，并計(jì)算出c＝(t1_a-t2_b)/△t；

步驟五、通過(guò)c+1＝a+m1和c+1＝b+m2分別計(jì)算出m1和m2的值。

步驟六、第一發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器與掃描點(diǎn)之間的距離s1＝(t1_1-m1×t1)c，第二發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器與掃描點(diǎn)之間的距離s2＝(t2_1-m2×t2)c，其中，c為超聲脈沖在孔內(nèi)空區(qū)內(nèi)的介質(zhì)中的傳播速度，由標(biāo)定部件6獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，由于第一發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器和第二發(fā)射脈沖序列對(duì)應(yīng)的超聲換能器對(duì)應(yīng)的掃描點(diǎn)相同，它們的掃描線長(zhǎng)度也應(yīng)一致，為了提高探測(cè)精度，將兩頻率對(duì)應(yīng)同一掃描點(diǎn)的掃描線長(zhǎng)度s視為兩個(gè)頻率計(jì)算出長(zhǎng)度的平均值，即：

如上所述的超聲脈沖在介質(zhì)中的傳播速度c，由標(biāo)定部件6和反射部件7之間的距離除以標(biāo)定部件6發(fā)射脈沖和接收脈沖所用時(shí)間所得。掃描線長(zhǎng)度s為超聲換能器掃描選定掃描點(diǎn)時(shí)，超聲換能器與選定掃描點(diǎn)的距離。

步驟七、根據(jù)采集孔內(nèi)空區(qū)巖壁掃描點(diǎn)所在深度、方位、掃描線長(zhǎng)度s進(jìn)行孔內(nèi)空區(qū)數(shù)據(jù)擬合，

所述的數(shù)據(jù)擬合包括孔內(nèi)空區(qū)輪廓的水平斷面擬合和縱向斷面擬合，在建立空間直角坐標(biāo)系后，根據(jù)掃描線長(zhǎng)度s以及方位信息，將掃描點(diǎn)所處的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為柱坐標(biāo)，在同一個(gè)水平斷面上，各掃描點(diǎn)的深度信息一致，由于掃描點(diǎn)數(shù)量眾多，直接將多個(gè)掃描點(diǎn)通過(guò)線性插值擬合，即可形成孔內(nèi)空區(qū)巖壁的水平斷面輪廓，在縱向上，根據(jù)深度編碼器獲得的深度信息，將相鄰兩個(gè)水平通過(guò)線性插值擬合，從而形成孔內(nèi)空區(qū)巖壁的立體輪廓，完成孔內(nèi)空區(qū)的立體掃描和探測(cè)。

部件材料及加工要求：

殼體1，為不帶磁的材料，通常選擇不銹鋼材料。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。