一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统，所述系统包括取样设备、测试设备和分析设备，其中，所述取样设备用于获取底泥样品；所述测试设备用于获取底泥样品的波速与深度的关系，密度与深度的关系、反射信号主频与深度的关系；所述分析设备通过分析计算密度与深度、波速、反射信号主频之间的关系，得到所述底泥样品的密度，所述测试设备包括浅地层剖面仪、发射换能器、接收换能器和密度试验仪器。使用本发明的方法或系统自动识别库底地层反射信号，结合低扰动取样测试结果，判断库底地层密度等参数，达到底泥取样更准确，密度探测更高效。

主权项

一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统的探测方法，所述系统包括取样设备、测试设备和分析设备，其特征在于：所述取样设备用于获取底泥样品；所述测试设备用于获取底泥样品的波速与深度的关系、密度与深度的关系、反射信号主频与深度的关系；所述分析设备通过分析计算密度与深度、波速、反射信号主频之间的关系，得到所述底泥样品的密度；所述取样设备为基于重力式活塞技术的低扰动取样设备，包括导流装置、触发装置、取样装置，所述取样装置的衬管是透明PC管，内径为90mm、管长为10m；所述测试设备包括浅地层剖面仪、发射换能器、接收换能器和密度试验仪器，所述发射换能器与所述浅地层剖面仪的发射信号参数一致；所述浅地层剖面仪的工作频率为2‑20kHz，能够探测的水库底泥厚度为0‑100m，工作水深范围0‑500m；所述方法包括：步骤一，试验船只携带浅地层剖面仪，记录一条测线上扫描的声波数据，根据声波扫描数据转换所显示的水库底部地形，在测线上选定相对平坦位置作为低扰动取样工作的测点；步骤二、试验船只携带取样设备在水库选定好的测点进行低扰动取样工作，获取的底泥样品保存在衬管中，将衬管密封后送回试验室；其中，所述底泥样品的获取分为：下放过程、触发过程、取样过程和回收过程四个阶段，当取样设备下放到距离河底还有一段距离时，平衡重块先触及河床，杠杆失去平衡，触发释放机构动作，取样装置主体自由下落，在自重和惯性的作用下插入淤积物中，取样装置下端采用爪簧结构来切断并托住淤积物；由于活塞产生的吸力使取样装置内壁与样品之间的摩擦力平衡抵消，在取样装置内便充满了低扰动的底泥样品；步骤三、所取底泥样品深度为z，将样品分为n块，每块的厚度为dz，进行底泥样品的声学测试，得到声波速度数据，并将波速数据拟合为深度z的函数v(z)，将拟合函数v(z)在深度z＞z₁区间进行拓展；所述波速的测定方法为，将底泥样品、发射换能器和接收换能器均放在水箱内，测试过程中底泥样品、发射换能器和接收换能器均浸在水中；所述底泥样品的厚度l_c，水箱内加水，固定发射换能器和接收换能器，发射换能器发射信号，记录接收换能器接收时间t₁，得到水的波速v_w＝l₁/t₁，其中l₁为发射换能器和接收换能器之间的距离；发射换能器和接收换能器之间放置底泥样品，用穿透法检测，得到声波穿透底泥样品的传播时间t₂，则底泥样品的波速为v_c＝l_c/(t₂‑l₂/v_w‑l₃/v_w)，其中，l₂为发射换能器与底泥样品之间的距离，l₃为接收换能器与底泥样品之间的距离；步骤四、上述底泥样品通过密度试验仪器进行密度测试，并将密度数据拟合为深度z的函数ρ(z)，将拟合函数在深度z＞z₁区间进行拓展；步骤五、声波穿透法检测每块底泥样品的吸收函数：发射换能器发射线性调频信号(LFM)s_lfm，该信号与浅地层剖面仪的发射信号参数一致，接收换能器的接收信号为则底泥样品的响应函数为fft为傅里叶变换，由于反射信号为双程传播，不考虑反射系数的影响，则双程旅行的试块响应函数为:在深度z处如果有反射层，不考虑反射系数影响，则反射信号频域函数为取主频f_k，得到反射信号的主频随深度z的变化函数f(z)；步骤六、浅地层剖面仪的接收信号s_mea(t)，s_mea(t)时间长度为T_mea，将s_mea(t)进行时域加窗,得到s_win(t)，取加窗信号的傅里叶变换fft(s_win(t))，得到主频为f，该信号与对应深度z满足一定的函数；步骤七、从0增加到T_mea，如果f满足函数f(z)，则判断在深度z处有反射层；如果f不满足函数f(z)，则深度z处的泥沙特征满足密度的数据拟合ρ(z)，波速的数据拟合v(z)。