1.一种基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,包括以下步骤:S1,将阵列式换能器投放至桩内;S2,控制阵列式换能器上的阵元发射和接收超声波信号;S3,记录超声波传播过程中各时刻的幅值赋给成像点便得到桩底岩溶或桩周岩溶的成像模型;所述S3中成像点幅值的计算过程具体包括:将成像区域等间距划分成像点P,对点采集数据集中 R(i,j,m,n) 为i行j列的发射阵元S发射超声波信号,第m行n列的接收阵元G接收的超声波信号则成像点P的成像幅值 I p 为: ;式中,i、j、m、n均为自然数, t spg 为 t s +t g , B 为扩散校准系数, D s 为阵列式换能器指向发射阵元的校准系数, D g 为阵列式换能器指向接收阵元的校准系数, B s 为阵列式换能器指向发射阵元的扩散校准系数, B g 为阵列式换能器指向接收阵元的扩散校准系数,计算公式如下: ;式中 a 为阵列式换能器阵元的边长,D为阵列式换能器指向性校准系数, θ 为成像点到发射阵元或接收阵元的角度, d 为成像点到发射阵元或接收阵元的距离;采用相控扫描成像时,每个波束角的扫描采集数据过程中各个阵元的延时序列为,对各阵元接收到的超声波信号减去延时序列,然后按各时刻累计求和得到波束角的超声波信号,对各超声波信号按速度进行时深转换,对旋转扫描得到的超声波信号;其中,对桩底多个位置采集到的数据联合成像得到桩底岩溶成像,或,对桩周采集到的数据成像得到桩周岩溶成像;所述S3中成像点幅值的计算过程还包括对时间的计算:点扫描成像时,计算发射阵元S到成像点P的距离d s ,计算成像点P到接收阵元G的距离 d g ,其对应的传播时间分别为 t s = d s /v,t g =d g /v ;V为超声波信号在基岩中的传播速度;线扫描或面扫描成像时,对每个成像点P,计算P到每个发射阵元S ij 的距离R ij ,则Ts ij =R ij /V+t ij ,其中t ij 为各阵元的延迟时间,对成像点P计算到发射阵列S的时间Ts ij 中,取最小值即为到成像P的传播时间T s ;其中,T g 为成像点P到传感器G的距离,成像点P到接收传感器G的距离为R g ,得T g =R g /V;上述发射阵元S到成像点P的最小时间T s 计算方法在各项同性均匀介质中可以得到准确的波场传播时间,对于更为复杂的介质还可以通过求取三维程函方程求得,即另一种T s 计算方法如下:三维程函方程为 ,其中t表示声波第一到达时间, 为三维空间直角坐标(x,y,z)的速度值,x、y、z分别为三维空间直角坐标系的方向,通过设置每个激发阵元求解时间对空间的偏微的程函方程,得到面激发形式的三维波至走时,进而获得面阵传感器发射的声波信号到成像点的时间T s 。
2.根据权利要求1所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,所述S1步骤中投放方式包括沉底或悬空:使用沉底方式时,利用换能器自重沉入桩底,与桩底面贴合之后,控制阵列式换能器上的阵元发射和接收超声波信号;使用悬空方式时,将阵列换能器提升,距桩底面预定高度,控制阵列式换能器上的阵元发射和接收超声波信号,以对桩底浅部岩溶进行探测。
3.根据权利要求2所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,使用悬空方式时,可以将阵列换能器侧放,贴近桩壁,控制阵列式换能器上的阵元发射和接收超声波信号,以对桩周岩溶进行探测。
4.根据权利要求1所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,所述S2具体包括点扫描模式、线扫描模式或面扫描模式;其中点扫描模式:阵列式换能器面阵每个阵元按顺序发射超声波信号,其他阵元或所有阵元同步接收信号,直到采集到全矩阵扫描数据集;线扫描模式:阵列式换能器每行或每列阵元按顺序发射超声波信号,其他阵元或所有阵元同步接收信号,直到采集到全线阵扫描数据;面扫描模式:阵列式换能器全阵面发射信号,所有阵元同步接收信号,直到采集到面阵扫描数据。
5.根据权利要求1所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,所述S2具体包括:控制所有阵元同步发射信号或分别单独控制各个阵元的激发延迟时间,并采用相控扫描方式采集数据,采用相控扫描的方式具体包括:旋转扫描方式,具体为沿方位角 固定方向,控制倾角 进行扫描,倾角 按预设角度范围进行扫描,按固定方向扫描完成后,改变方位角 ,直到完成真个360°方向扫描;或网格扫描方式,按行或列进行扫描,先给定扫描行或列的倾角,然后按该行或列波速偏转角进行扫描。
6.根据权利要求1所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,其特征在于,所述S2还包括:使用阵列式换能器上的边或角上的阵元发射脉冲超声波信号,取与发射阵元相同行或列,且远离发射阵元的接收阵元所接收到的超声波信号,将相邻两个接收阵元分别接收超声波信号的时间作差得到延迟时间,并结合阵元间距,以此计算得到初步传播速度;将所有初步传播速度取平均值,得到超声波在基岩中的传播速度。
7.一种基于阵列式换能器的桩底岩溶探测系统,其特征在于,所述系统用于实现如权利要求1-6任一项所述的基于阵列式换能器的桩内岩溶探测方法,包括:数据采集模块,用于将阵列式换能器投放至桩内,控制阵列式换能器上的阵元发射和接收超声波信号;成像模块,记录超声波传播过程中各时刻的幅值赋给成像点便得到成像模型。