基于反射板类定向钻孔雷达的三维成像方法、系统及设备

本发明属于隧道钻孔，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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：

2、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；

3、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；

4、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；

5、叠加同一深度的探测数据，得到全向探测数据；

6、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；

7、通过三维数据体进行三维成像。

8、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：

9、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。

10、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：

11、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；

12、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；

13、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；

14、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；

15、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；

16、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；

17、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。

18、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。

19、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：

20、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。

21、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：

22、通过三维数据体得到各个方位角对应的深度数据切片；

23、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；

24、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。

25、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：

26、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；

27、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；

28、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；

29、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；

30、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；

31、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。

32、根据本发明的另一个方面，所述方位角获得模块包括：

33、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；

34、设定单元，设定时窗的长度；

35、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；

36、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；

37、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；

38、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；

39、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；

40、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。

41、根据本发明的另一个方面，所述三维成像模块包括：

42、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；

43、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；

44、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。

45、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。

46、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。

47、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。