一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统技术方案

本发明专利技术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。使用本发明专利技术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。

Method and system for detecting sediment density of reservoir based on data fusion

The invention discloses a reservoir sediment density data fusion detection method and system based on the system, including sampling equipment, test equipment and analysis equipment, among them, the sampling equipment used to obtain sediment samples; the test equipment for the relationship between velocity and depth to obtain sediment samples, the relationship between density and depth of the relationship, the reflection signal frequency and depth; calculation and analysis of the relationship between density and depth, velocity and frequency of the reflected signal through the analysis of the equipment, the density of the sediment samples, the test equipment including subbottom profiler, transducer, transducer and density test instrument. The method or the system of the invention automatically identifies the bottom layer reflection signal of a reservoir and combines the low disturbance sampling test result to judge the density of the bottom layer of a reservoir, and the like, so that the sampling of the sediment is more accurate and the density detection is more efficient.

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统
本专利技术属于水库底泥探测
，尤其是基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统。
技术介绍
水库底泥特征的识别涉及多种检测方法，数据量较大，若将不同的探测和测量结果综合起来，采用一定的数据融合方法，则能较好地识别底泥特征，节省人力物力，达到快速精确地识别。目前水库底泥探测方法包括底泥取样、声波探测、钻孔勘探等多种方法。水库底泥取样使用的取样设备有抓斗式、箱式、冷冻式、重力式等取样设备。水下底泥声波探测设备主要有：多波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声呐设备，它们具有相似的工作原理：由声学换能器向探测水体发射声波，声波遇到水底（海底）或障碍物后产生反射和散射回波，声学换能器接收到回波信号后,处理单元根据回波振幅和相位计算声波旅行时间,再根据勘测水体的声速剖面计算声波的实际传播距离,然后根据发射开角,及运动传感器的姿态参数计算回波信号的位置和水深值,同时也记录下回波的振幅和强度信息。数据融合技术，包括对各种信息源给出的有用信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成，以便辅助人们进行探测、分析、态势判定、规划、验证、诊断等。抓斗式、箱式、冷冻式、重力式等取样设备主要存在两大问题：取样时对样品的扰动问题和取样时样品泄漏问题，会导致所取样品检测结果偏差较大，不能很好的代表底泥的真实特性。利用浅地层剖面仪进行声波探测，适用水深范围大，并且穿透库区底泥厚度大，但是只能在遇到水底（海底）或障碍物后产生反射回波，回波信息表征了遇到不同介质物体的交界面，但是无法具体量化得出不同位置底泥的密度数据，无法利用声波信息推求淤积泥沙的密度特征。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供了一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法和系统，使用本专利技术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。本专利技术提供了一种基于数据融合的水库底泥密度探测系统，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。进一步，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。进一步，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。进一步，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。本专利技术还提供了一种基于数据融合的水库底泥密度探测方法，其中，所述方法包括：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；步骤三、所取底泥样品深度为,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v1(z)，将拟合函数v1(z)在深度z＞z1区间进行拓展；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ρ1(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）slfm，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（i=1～n），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*dz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，得到反射信号的主频随深度z的变化函数；浅地层剖面仪的接收信号smea(t),smea(t)时间长度为Tmea，将smea(t)进行时域加窗，T表示加窗时间长度，t0表示时延（0＜t0＜Tmea），取加窗信号的傅里叶变换fft()，得到主频为f，该信号的对应深度满足函数；步骤六、从0增加到,如果()不满足函数f，则深度处的泥沙密度为，纵波速度为；如果()满足函数f,则判断在深度处有反射层。进一步，在所述步骤二之前，还有步骤一，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。进一步，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。进一步，所述底泥样品的厚度lc，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vw=l1/t1；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vc=lc/(t2-l2/vw-l3/vw)。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：（1）使用低扰动取样设备，能够获取较长的库区底泥原状样品，相对钻孔勘探取样、重力式取样、抓斗式取样，提高了效率，降低了成本，减轻了取样工作对样品的扰动影响，能够获得更准确的底泥物理特性参数。（2）使用浅地层剖面仪进行声波扫描，声波发射频率较低，产生的声波电脉冲能量较大，具有较强的穿透力，能够有效穿透水底数十米的地层，而且探测效率高、准确性高。（3）利用室内试验获得库区底泥波速的数据和密度数据，将两种数据拟合为不同的函数曲线，找出二者的相关关系，对函数进行合理拓展，可以推求出所取样品深度以下底泥的密度特性，从而获得库区底泥较深深度下密度特性参数。（4）利用浅地层剖面仪扫描的声波数据和建立的曲线进行比对，利用信号频谱特征快速识别地层参数，有利于库区底泥层理分析。（5）形成一套高效水库底泥密度探测方法，此方法适用水库范围广，可以推广应用至其他众多水库，提高了水库底泥探测效率，为水库治理开发提供重要的基础资料。附图说明图1为取样过程示意图；图2为室内声波速度测试示意图。具体实施方式本专利技术的目的是基于数据融合技术提出的数据处理方法，集成低扰动取样设备取样检测数据和浅地层剖面仪声波探测数据，形成一套高效水库底泥探测方法，从而能够快速获取水库底泥的密度和结构，可为更加深入地分析研究水沙运移规律提供基础资料，对深水水库防洪排沙具有重大意义。下面结合附图，对本专利技术的技术方案做进一步详细的说明。近年来黄河水利科学研究院借鉴深海淤积物保真取样原理，改造并研制出基于重力式活塞技术的低扰动柱状深水库区取样设备：杨勇,张庆霞,陈豪,郑军所著“深水水库低扰动取样设备设计及性能分析[C]”.第五届黄河国际论坛论文,2012.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＞z...

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，郑军，李长征，李永强，杨勇，郭巧玲，陈豪，刘英红，康丙东，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南,41