CN119247452A - 一种基于地震反射波的地下工事检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地震反射波的地下工事检测装置及方法，检测装置包括钻地震源弹、检波弹、局部地质结构和地下工事；检测方法为：发射钻地震源弹并布撒检波弹；钻地震源弹钻入地质结构中并启动第一微型地震仪；检波弹落地后，处理器通过螺线管通电控制限位杆收缩，支撑杆解除限位杆的限位并在扭簧的扭力下张开，使检波弹垂直地面；处理器储存第二微型地震仪的波形信号；钻地震源弹中的控制器控制周期性引发地震波；地震波与地下工事的接触面形成反射界面，并产生地震反射波；对检波弹检测的波形进行校正；绘制时距曲线，分析时距曲线，大的波形变化处表明在地形对应的位置地下存在地下工事。本发明解决了战场环境中地下工事难以识别的问题。

Description

一种基于地震反射波的地下工事检测装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工事检测领域，尤其涉及一种基于地震反射波的地下工事检测装置及方法。

背景技术

现代战争中，地下设施因为其隐蔽，不易探测的特点成为指挥所布设的可选地点之一，需要一种方法检测敌方地下工事的位置，为后续我方准确打击提供引导支持。

目前的主要的目标检测手段主要有卫星遥测，基于无人机等飞行平台的红外检测和图像识别，上述方法通常只能识别地上目标，无法穿过地表检测到地下建筑。因此需要一种方法检测敌方地下工事的位置，为后续我方准确打击提供引导支持。

目前探测地下结构的一种方法是向地下通道派遣战斗小组，搜索排查地下结构；另一种方法是向地下通道投放小型无人机等设备沿地下管道搜寻敌方地下工事位置。前者在复杂，黑暗的地下环境下，战斗小组容易受到敌方攻击造成人员损伤而后者存在GPS拒止环境下的无人机定位导航控制问题以及面对复杂地下结构搜索时间长的问题。而在其它相关领域中，地震反射波法通常在地质勘探中用于测绘地下界面的深度和形态，勘探大陆架油气田位置，但这种方法通常需要在地面人为规则布置震源和检波器，不适用于复杂战场环境。

发明内容

发明目的：为了实现在战场环境下对地下工事进行检测识别，本发明提出了一种基于地震反射波的地下工事检测装置及方法，结合战场环境使用地震勘探中的地震反射波法，解决战场环境中地下工事难以识别的问题。

技术方案：本发明基于地震反射波的地下工事检测装置，包括钻地震源弹、检波弹、局部地质结构和地下工事；钻地震源弹的弹头埋于地表下方并与局部地质结构接触并周期性产生地震波；检波弹分布在局部地质结构的表面，接收地震波的反射波；地下工事埋于局部地质结构内；

检波弹包括检波弹体、处理器、第二微型地震仪和支撑结构；第二微型地震仪位于检波弹体头部，将接收的地震反射波发送至处理器；支撑结构位于检波弹体四周并受处理器控制；

支撑结构包括支撑杆、扭簧，以及位于检波弹体内的弹簧、螺线管和限位杆；弹簧为压簧；限位杆的一端为与弹簧的下端接触的平面，限位杆的另一端为限制支撑杆转动的榫卯结构；限位杆的中部为磁性材料；螺线管套接在限位杆上；螺线管在处理器控制下产生磁场使限位杆收缩，支撑杆在扭簧的带动下撑开使检波弹体垂直于地面。

钻地震源弹包括弹体、震源发生器、第一微型地震仪和控制器，震源发生器位于弹体内并由控制器控制产生地震波，微型地震仪位于弹体内检测地震波并传递给控制器。

检波弹分布在局部地质结构的表面，构成检波阵列，并接收地震波的反射波。

弹体为通过破开地表深入到地面下的钻地弹结构。

控制器接收、处理和储存第一微型地震仪的信号。

震源发生器安装在弹体内，受控制器控制周期性引发爆炸，产生地震波。

局部地质结构包括地表和地下土壤。

本发明基于地震反射波的地下工事检测方法，由基于地震反射波的地下工事检测装置实施，检测方法包括以下步骤：

(1)发射钻地震源弹并在落点布撒检波弹；

(2)钻地震源弹钻入局部地质结构中并启动第一微型地震仪，控制器记录第一微型地震仪的波形信号；

(3)检波弹落地后，检波弹中的处理器通过螺线管通电控制限位杆收缩，支撑杆解除限位杆的限位并在扭簧的扭力下张开，使检波弹垂直地面；第二微型地震仪工作，处理器储存第二微型地震仪的波形信号；

(4)控制器控制震源发生器周期性引发地震波，并记录震源发生器起爆时间t₀；同时，钻地震源弹与检波弹无线连接，并向检波弹传递起爆时间t₀以及相对第i个检波弹的空间位置坐标(x_i,t_i,z_i)；

(5)地震波与地下工事的接触面形成反射界面，并产生地震反射波，地震反射波被钻地震源弹和检波弹接收并记录；

(6)根据起爆时间t₀将钻地震源弹和k个检波弹收到的波形信号分为两部分，选取t₀时刻后的信号为有用信号；分析前一部分的信号进行频谱分析，得到环境噪声的信号特征，对信号特征进行信号滤波；

(7)对检波弹检测的波形进行静校正，修正由于地面高度差产生的时间差异，针对第i个检波弹，静校正的值Δt_i静为：

其中，h_i为第i个检波弹与钻地震源弹的高度差，v为地震波传播速度，v由土壤特征得出；根据Δt_i静对第i个检波弹的波形数据在时间尺度上加入Δt_i静，完成静校正；

(8)对检波弹的波形进行动校正，修正由于震动激发点和检测点空间位置差异以及反射界面不平整产生的时间差异，针对第i个检波弹，动校正Δt_i动为：

其中，x_i,y_i是第i个检波弹相对钻地震源弹在水平面上的位置坐标，v为地震波传播速度，t'为钻地震源弹检测到地震反射波时的时间；对第i个检波弹的波形数据在时间尺度上加入Δt_i动，完成动校正；

(9)绘制时距曲线，捕获地震反射波对应的波形，选取采样点，将采样点连接得到局部地形的时距曲线；

(10)分析时距曲线，大的波形变化处表明在局部地形对应位置区间内的地下存在大的介质变化区域，存在地下工事。

步骤(9)中，对钻地震源弹和检波弹采集的波形数据进行分析，捕获地震反射波对应的波形。

步骤(9)中，在时距曲线中选取波峰为采样点，将采样点连接得到局部地形的时距曲线。

工作原理：本发明基于地震反射波的地下工事装置在进行检测时，军事单位发射钻地震源弹并在落点附近随机布撒检波弹；钻地震源弹周期性的引发子战斗部，产生地震波；地震波在地下传播，由反射系数计算公式：

其中，R为反射系数，ρ_i，v_i，z_i分别为i介质下的密度，波速，波阻抗。可知，当地下存在不同介质时，由于其波阻抗相差较大，在不同介质的边界形成反射界面，当地震波传递到反射界面时，将发生反射，产生地震反射波。而地下工事的内部介质为空气，与地下土壤的波阻抗不同，地震波接触到地下工事的表面产生反射波，没有接触到地下工事的地震波继续在介质中传输；反射的地震波被钻地震源弹和检波弹接收并记录；分析钻地震源弹和检波弹记录的波形，抽取关键波形数据；对波形数据进行滤波处理，滤除由地震波及环境干扰引起的面波，声波和异常振幅；根据钻地震源弹和检波弹间的高度差进行静校准，消除由于高度引起的检测波动；根据钻地震源弹和检波弹间的距离以及钻地震源弹检测到地震反射波的时间进行动校正，消除由于距离引起的波形变化；最终得到钻地震源弹附近的地下结构的反射波时距曲线，进而判断地下工事的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明基于地震反射波的地下工事检测装置和方法根据地下工事和地下土壤介质不同的特点，通过在地面布设钻地震源弹和检波弹，利用地震反射波直接检测地下结构，得到地下工事的位置坐标，从而实现地下工事探测，避免了人员勘探时可能受到敌方袭击产生的人员损伤以及无人设备地下勘探耗时长的问题，并且适应战场复杂环境，为战场环境地下工事检测提供了一种方案。

附图说明

图1为本发明基于地震反射波的地下工事检测装置的整体结构示意图；

图2为本发明基于地震反射波的地下工事检测装置中钻地震源弹的结构示意图；

图3为本发明基于地震反射波的地下工事检测装置的检波弹的结构示意图；

其中，图3(a)为本发明的检波弹支撑结构收起时的主视图；

图3(b)为本发明的检波弹支撑结构张开时的主视图；

图3(c)为本发明的检波弹上支撑结构部分(收起状态)的局部剖面图；

图3(d)为本发明的检波弹上支撑结构部分(张开状态)的局部剖面图；

图4为本发明基于地震反射波的地下工事检测方法中一个实施例中局部地下结构和地下工事点的示意图；

图5为本发明基于地震反射波的地下工事检测方法的一个实施例中实施过程图；

其中，图5(a)为我方向目标区域投放钻地震源弹和检波弹的示意图；

图5(b)为钻地震源弹钻入地下，检波弹张开支撑结构，整个系统处于工作状态的示意图；

图5(c)为钻地震源弹周期引发地震波并与震源弹通信的示意图；

图5(d)为地震波传递到地下工事表面发生发射，产生反射波并被检波弹接收的示意图；

图6为本发明的数据驱动的半实物仿真试验系统的一个实施例中数据处理流程图；

其中，图6(a)为钻地震源弹及多个检波弹检测得到地震反射波的波形图；

图6(b)为钻地震源弹及多个检波弹检测得到地震反射波经静校正后的波形图；

图6(c)为钻地震源弹及多个检波弹检测得到地震反射波经静校正和动校正后的波形图；

图6(d)为根据钻地震源弹及多个检波弹检测得到地震反射波矫正波形的时距曲线图，其中横坐标轴表示各检波弹距钻地震源弹的水平距离l，纵坐标轴表示时间t；

图6(e)为结合所有检波弹校正后波形数据得到的时距曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于地震反射波的地下工事检测装置包括钻地震源弹1，检波弹2，局部地质结构3和地下工事4。其中，实施例中，钻地震源弹1为携带有字母式战斗部的钻地弹，弹头深埋于地表下方并与局部地质结构3中的土壤直接接触，并周期性产生地震波；检波弹2随机分布在局部地质结构的表面，构成检波阵列，并接收地震波的反射波；地下工事4埋于局部地质结构3中。

如图2所示，钻地震源弹1包括弹体11，震源发生器12，第一微型地震仪13和控制器14。其中弹体11为钻地弹结构，通过破开地表深入到地面下；震源发生器12安装在弹体11内部，受控制器14控制周期性引发小当量爆炸，产生地震波；第一微型地震仪13安装在弹体11内部，进而检测地震波信号并传递给控制器14；控制器14控制震源发生器12产生地震波，具备接收、处理、储存第一微型地震仪13信号的能力，以及与检波弹2无线通信的能力。

如图3所示，检波弹2包括检波弹体21，处理器22，第二微型地震仪23和支撑结构24。支撑结构24由弹簧25，螺线管26，限位杆27，支撑杆28和扭簧29构成。其中，检波弹体21的大小与子弹药尺寸一致，直接安装到布撒器中。处理器22具备向第二微型地震仪23，螺线管26供电并控制其工作的能力，具备接收储存第二微型地震仪23采集数据的能力，以及空间定位和无线通信能力。第二微型地震仪23安装在检波弹体21的头部，受处理器22控制，接收地震反射波并发送给处理器22保存；支撑结构24布置在检波弹体21表面四周，受处理器22控制；弹簧25为压簧，初始处于压紧状态，为限位杆27提供推力，保证限位杆27在初始时保持伸出状态；限位杆27的中部有磁性材料；螺线管26套在限位杆27上且不与限位杆27接触，受处理器22控制，通电后产生磁场使限位杆27收缩；限位杆27尾部为平面结构，与弹簧25始终保持接触并受到弹簧25提供的压力。限位杆27的顶部为榫卯结构，与支撑杆28接触并限制支撑杆28转动，限位杆27的中部的磁性材料，当螺线管26工作后，受磁场影响带动限位杆27向上收缩；磁性材料的作用是解除对支撑杆28的限位。弹簧25，螺线管26和限位杆27处于检波弹体21的空腔内；限位杆27只能在伸缩方向上运动，不能相对检波弹体21进行转动；支撑杆28的初始状态贴合在检波弹体21表面，并被限位杆27限位，当限位杆27收缩后，支撑杆28在扭簧29带动下撑开，使检波弹体21垂直于地面；扭簧29初始处于扭紧状态，始终向支撑杆21提供向外转动的力。

如图4所示，局部地质结构3包括地表31和地下土壤32。其中地表31指地表中沥青，砖块等人工铺设的物品；其中地下土壤32为地表31下方的一般地质结构。

如图4所示，地下工事4埋于局部地质结构3的地下土壤32中，地下工事由人工修建，通常为较大的地下空洞，与地下土壤32的波阻抗不同，具备反射地震波基础条件。

本发明实施例中基于地震反射波的地下工事检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

(1)如图5(a)所示，我方军事单位发射钻地震源弹1并在落点附近随机布撒检波弹2。

(2)如图5b，钻地震源弹1钻入局部地质结构3中并启动第一微型地震仪13，控制器14开始记录第一微型地震仪13的波形信号。

(3)如图5b，检波弹2落地后，检波弹2中的处理器22向螺线管26供电，螺线管26产生磁场，进而带动限位杆27收缩，支撑杆28解除限位，在扭簧29的扭力下张开，使检波弹2垂直地面，第二微型地震仪23开始工作，处理器22开始储存第二微型地震仪23的波形信号。

(4)如图5c，钻地震源弹1中的控制器14控制震源发生器12周期性引发地震波5，并记录震源发生器12起爆时间t₀；同时，钻地震源弹1与检波弹2建立无线连接，并向检波弹2传递相关数据，包括起爆时间t₀以及相对第i个检波弹2的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i)；

(5)如图5d，地震波5接触到地下工事4，由于地下工事4与局部地质结构3为不同介质，在两者的接触面形成反射界面，并产生地震反射波6，反射的地震波被钻地震源弹1和检波弹2接收并记录；

(6)如图6a，实心原点表示钻地震源弹1，空心圆点表示检波弹2。首先选取关键波形信号并进行滤波，对钻地震源弹1和k个检波弹2收到的波形信号，根据起爆时间t₀将收集的信号分为两部分，选取t₀时刻后的信号为有用信号；分析前一部分的信号进行频谱分析，得到环境噪声的信号特征，根据该特征抑制有用信号中的噪声成分，进行信号滤波。

(7)如图6b，对检波弹2检测的波形进行静校正，修正由于地面高度差产生的时间差异，针对第i个检波弹2，静校正的值Δt_i静为：

其中h_i为第i个检波弹2与钻地震源弹1的高度差，v为地震波传播速度，v根据土壤特征提前得知。根据Δt_i静对第i个检波弹2的波形数据在时间尺度上加入Δt_i静，完成静校正。

(8)如图6c，对检波弹2的波形进行动校正，修正由于震动激发点和检测点空间位置差异以及反射界面不平整产生的时间差异，针对第i个检波弹2，动校正Δt_i动为：

其中x_i,y_i是第i个检波弹2相对钻地震源弹1在水平面上的位置坐标，v为地震波传播速度，t'为钻地震源弹1检测到地震反射波时的时间。对第i个检波弹2的波形数据在时间尺度上加入Δt_i动，完成动校正。

(9)如图6d，绘制时距曲线，对钻地震源弹1和所有检波弹2采集的波形数据进行分析，捕获地震反射波对应的波形，选取采样点，图中选取波峰为采样点，将采样点连接得到局部地形的时距曲线。

(10)如图6e，分析时距曲线，筛选大的波形变化，如图中l₁，l₂区间，表明在局部地形对应的位置区间内的地下存在大的介质变化区域，存在敌方地下工事。

Claims (10)

1.一种基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：包括钻地震源弹(1)、检波弹(2)、局部地质结构(3)和地下工事(4)；所述钻地震源弹(1)的弹头埋于地表下方并与局部地质结构(3)接触并周期性产生地震波；所述检波弹(2)分布在局部地质结构(3)的表面，接收地震波的反射波；所述地下工事(4)埋于局部地质结构(3)内；

所述检波弹(2)包括检波弹体(21)、处理器(22)、第二微型地震仪(23)和支撑结构(24)；所述第二微型地震仪(23)位于检波弹体(21)头部，将接收的地震反射波发送至处理器(22)；所述支撑结构(24)位于检波弹体(21)四周并受处理器(22)控制；

所述支撑结构(24)包括支撑杆(28)、扭簧(29)，以及位于检波弹体(21)内的弹簧(25)、螺线管(26)和限位杆(27)；所述弹簧(25)为压簧；所述限位杆(27)的一端为与弹簧(25)的下端接触的平面，限位杆(27)的另一端为限制支撑杆(28)转动的榫卯结构；所述限位杆(27)的中部为磁性材料；所述螺线管(26)套接在限位杆(27)上；所述螺线管(26)在处理器(22)控制下产生磁场使限位杆(27)收缩，所述支撑杆(28)在扭簧(29)的带动下撑开使检波弹体(21)垂直于地面。

2.根据权利要求1所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述钻地震源弹(1)包括弹体(11)、震源发生器(12)、第一微型地震仪(13)和控制器(14)，所述震源发生器(12)位于弹体(11)内并由控制器(14)控制产生地震波，所述微型地震仪(13)位于弹体(11)内检测地震波并传递给控制器(14)。

3.根据权利要求1所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述检波弹(21)分布在局部地质结构的表面，构成检波阵列，并接收地震波的反射波。

4.根据权利要求2所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述弹体(11)为通过破开地表深入到地面下的钻地弹结构。

5.根据权利要求1所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述控制器(14)接收、处理和储存第一微型地震仪(13)的信号。

6.根据权利要求2所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述震源发生器(12)安装在弹体(11)内，受控制器(14)控制周期性引发爆炸，产生地震波。

7.根据权利要求1所述的基于地震反射波的地下工事检测装置，其特征在于：所述局部地质结构(3)包括地表(31)和地下土壤(32)。

8.一种基于地震反射波的地下工事检测方法，其特征在于：由权利要求1所述的基于地震反射波的地下工事检测装置实施，所述检测方法包括以下步骤：

(1)发射钻地震源弹(1)并在落点布撒检波弹(2)；

(2)钻地震源弹(1)钻入局部地质结构(3)中并启动第一微型地震仪(13)，控制器(14)记录第一微型地震仪(13)的波形信号；

(3)检波弹(2)落地后，检波弹(2)中的处理器(22)通过螺线管(26)通电控制限位杆(27)收缩，支撑杆(28)解除限位杆(27)的限位并在扭簧(29)的扭力下张开，使检波弹(2)垂直地面；第二微型地震仪(23)工作，处理器(22)储存第二微型地震仪(23)的波形信号；

(4)控制器(14)控制震源发生器(12)周期性引发地震波(5)，并记录震源发生器(12)起爆时间t₀；同时，钻地震源弹(1)与检波弹(2)无线连接，并向检波弹传递起爆时间t₀以及相对第i个检波弹(2)的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i)；

(5)地震波(5)与地下工事(4)的接触面形成反射界面，并产生地震反射波(6)，地震反射波被钻地震源弹(1)和检波弹(2)接收并记录；

(6)根据起爆时间t₀将钻地震源弹(1)和k个检波弹(2)收到的波形信号分为两部分，选取t₀时刻后的信号为有用信号；分析前一部分的信号进行频谱分析，得到环境噪声的信号特征，对所述信号特征进行信号滤波；

(7)对检波弹(2)检测的波形进行静校正，修正由于地面高度差产生的时间差异，针对第i个检波弹(2)，静校正的值Δt_i静为：

其中，h_i为第i个检波弹(2)与钻地震源弹(1)的高度差，v为地震波传播速度，v由土壤特征得出；根据Δt_i静对第i个检波弹(2)的波形数据在时间尺度上加入Δt_i静，完成静校正；

(8)对检波弹(2)的波形进行动校正，修正由于震动激发点和检测点空间位置差异以及反射界面不平整产生的时间差异，针对第i个检波弹(2)，动校正Δt_i动为：

其中，x_i,y_i是第i个检波弹2相对钻地震源弹(1)在水平面上的位置坐标，v为地震波传播速度，t'为钻地震源弹(1)检测到地震反射波时的时间；对第i个检波弹(2)的波形数据在时间尺度上加入Δt_i动，完成动校正；

(9)绘制时距曲线，捕获地震反射波对应的波形，选取采样点，将采样点连接得到局部地形的时距曲线；

(10)分析时距曲线，大的波形变化处表明在局部地形对应位置区间内的地下存在大的介质变化区域，存在地下工事。

9.根据权利要求8所述的基于地震反射波的地下工事检测方法，其特征在于：步骤(9)中，对钻地震源弹(1)和检波弹(2)采集的波形数据进行分析，捕获地震反射波对应的波形。

10.根据权利要求8所述的基于地震反射波的地下工事检测方法，其特征在于：步骤(9)中，在时距曲线中选取波峰为采样点，将采样点连接得到局部地形的时距曲线。