CN102830170B - 一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法及装置，包括：接收端通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号，根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。本发明解决了当前对煤样进行超声测试获取横波信号方法的无法准确进行横波初至识别，导致获取煤样的横波信号精度较低的问题。

Description

一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及煤岩超声测试领域，尤其涉及一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法及装置。

背景技术

由于煤岩超声测试能够为利用地震资料与测井数据探测煤层的空间展布提供基础的物理依据，并且根据煤与煤层气勘探开发的需要，可以预测关于煤岩的实验室超声测试会越来越多，因此，探索针对煤岩等软岩的超声测量处理技术显得十分紧迫与必要。

目前，煤岩超声测量存在一个往往被忽略的问题：进行横波超声测量时，有的测试人员往往直接拾取整个透射波形序列的起跳点作为横波初至，或者是根据经验进行估测，进而根据所拾取的初至计算横波波速，并将整个续至波形作为横波波形而计算横波的品质因子Qs。实际上，由于煤岩是一种松软的沉积岩体，脆性大，结构较软，而且岩体内具有很多缝隙和界面，激发的透射横波在岩体中传播时会发生波型转换而形成转换纵波，由于纵波波速要大于横波，因此会先于横波到达接收器。当能量较大或者传播距离较短时，透射横波将与转换波形叠加混染，导致横波初至难以识别，此时不能直接拾取整个透射波形的初至作为横波初至，也无法直接提取准确的透射横波波形。另外，实验室激发横波时，剪切型横波换能器在做剪切主振动的同时也会不可避免的产生纵向振动，使得接收端获得的波形信号也会有透射纵波混染，进一步表明横波初至识别是一直存在的有待解决的问题。

因此当前需要一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法及装置，解决了当前对煤样进行超声测试获取横波信号方法的无法准确进行横波初至识别，导致获取煤样的横波信号精度较低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法，包括：

接收端通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号，根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。

进一步地，上述方法还可包括：所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至的步骤，包括：

所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异，通过滑动时窗法逐步搜索横波的初至。

进一步地，上述方法还可包括：所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号的步骤，包括：

所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，再根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。

本发明还提供了一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制装置，其特征在于，包括：

接收换能器，用于通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号；

拾取横波初至模块，用于根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取所述接收换能器接收的横波信号的初至；及

宽带滤波模块，用于根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波及

示波器，用于显示滤波后的横波波形信号。

进一步地，上述装置还可包括：所述拾取横波初至模块是根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异，通过滑动时窗法逐步搜索横波信号的初至。

进一步地，上述装置还可包括：所述宽带滤波模块，还用于得到横波信号的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波。

与现有技术相比，应用本发明，通过横波偏振特性拾取横波初至，提高了横波速度的计算精度，并通过宽带滤波有效滤除了转换纵波等干扰，提取了较纯净的透射横波波形，为准确计算品质因子Qs提供了保证。

附图说明

图1是横波通过各向异性介质时发生分裂的示意图；

图2是本发明的基于超声测试获取煤样横波信号的控制装置的结构示意图；

图3是本发明的基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法的流程图；

图4是Y正交两分量模拟地震记录（a）与对应的质点运动轨迹（b）的示意图；

图5是偏振分析时窗选取（a）以及时窗信号对应的质点运动轨迹（b）的示意图；

图6是样品测试得到的X、Y两分量波形（a）与其质点运动轨迹（b）的示意图；

图7是偏振分析时窗（a）以及时窗内信号的质点运动轨迹（b）的示意图；

图8是截取横波初至之后130us区间内的信号进行频谱分析的示意图；

图9是滤波前后两分量的波形变化和频谱变化的示意图；

图10是煤样横波速度测试结果的示意图。

具体实施方式

本发明的基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法在具体实现中要通过系统中各设备之间信息交互来进行信息和/或数据的收集，并通过其内的控制器（可以是CPU等进行控制处理信息和/或数据，本发明对此不作任何限定），其间还可以通过各种存储器（可以是内存、硬盘或其他存储设备）进行信息和/或数据的储存和传送，本发明对此不作任何限定。

本发明通过横波偏振特性拾取横波初至，提高了横波速度的计算精度，并通过宽带滤波有效滤除了转换纵波等干扰，提取了较纯净的透射横波波形，为准确计算品质因子Qs提供了保证。

在方位各向异性介质中，当横波的偏振方向与各向异性主轴方向不一致时，就会发生横波分裂现象。所谓横波分裂，就是沿横波的每一条射线路径都可以分裂为两种偏振波，它们具有不同的偏振方向、传播速度和衰减速率，并且在后续的各向异性介质中传播时保持这种特性，如图1所示。由于两种偏振子波的传播速度存在差异，到达接收器时存在时差，因此也叫做快、慢横波。各向异性岩层通常不足以产生足够的分裂时差，快、慢横波往往混叠在一起，其质点运动轨迹呈椭圆偏振，而区别于纵波的线性偏振特性。自从发现横波分裂现象以来，经过实践证明，方位各向异性是广泛存在的，并且很大程度上可以由裂隙的定向排列引起。由于煤样中存在着节理、割理与裂隙，因此对煤样的横波超声测试也会产生横波分裂现象。因此，可以利用纵、横波偏振特性的差异拾取横波初至。

在测试中，为了获得测试精度较高的横波速度，在进行横波超声测量时，将接收换能器与发射换能器置于煤样相对的两侧，采用垂直透射法进行测量；发射端使用横波换能器激发偏振横波，而在接收端采用两个正交方向接收的方式，这样可以充分接收横波信号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图2为基于超声测试获取煤样横波信号的控制装置，包括电脉冲发生模块、发射换能器、接收换能器、拾取横波初至模块、宽带滤波模块和示波器，其中，

电脉冲发生模块，用于发射电脉冲信号至发射换能器；

发射换能器，用于将电脉冲信号转换为超声信号，激发偏振横波穿过煤样；

接收换能器，用于通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号；

拾取横波初至模块，用于根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取所述接收换能器接收的横波信号的初至；

宽带滤波模块，用于根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波；

示波器，用于显示滤波后的横波波形信号。

其中，发射换能器与接收换能器置于煤样相对的两侧，通过垂直透射法对煤样进行超声测试。

拾取横波初至模块是根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异，通过滑动时窗法逐步搜索横波信号的初至。

宽带滤波模块，还用于得到横波信号的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波。宽带滤波模块可以为一前置放大器。

电脉冲发生模块可以为一电脉冲发生器。

为了测量横波波速Vs和品质因子Qs值，必须要获得透射横波的初至与准确波形。但是，煤样中存在的节理、裂缝等微构造，不仅会使透射横波发生横波分裂，也会使地震波发生波型转换和多次反射。因此，接收端接收到的信号不是单一的透射横波，而是分裂为快慢子波的透射横波、转换纵波以及多次波的混叠波形；如果考虑到横波转换器也会激发纵向振动，实际的波形还有透射纵波参杂。而且，由于纵波波速高于横波，因此初至波形是纵波，续至波形才是透射横波，多次波最后到达。因此，不能直接拾取第一个起跳点作为横波初至，而必须根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异进行拾取。由于首先到达的纵波呈线性偏振，尽管续至的透射横波受到转换纵波等波形的混染使其运动轨迹呈现不规则椭圆状，仍然可以通过分析质点运动轨迹随时间的变化，找到由线性偏振过渡到不规则椭圆偏振的时间点，作为透射横波的初至时刻。锁定横波初至后，可以确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内。由于转换纵波相对于透射横波频率较高，而多次波频率则较低，因此可以根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对时窗内的波形进行宽带滤波，获取较纯净的横波波形。由于多次波能量较弱，此时宽带滤波的主要目的是滤除高频纵波干扰。

如图3所示，本发明的基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法，包括以下步骤：

步骤310、发射端通过横波换能器激发偏振横波；

其中，发射端与接收端置于煤样相对的两侧，通过垂直透射法对煤样进行超声测试。

步骤320、接收端通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号，接收端首先根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至，再根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。

其中，接收端通过两个正交方向接收的方式同时接收横波信号，接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异进行拾取横波的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波，获取进行超声测试的煤样的横波波形信号。

接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异进行拾取横波的初至的步骤，接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异，通过滑动时窗法逐步搜索横波的初至。

下面通过模型测试的实例验证本方法的有效性。

其中测试模型为单组平行裂隙形成的HTI岩层。其中，模型厚度为110m，纵波波速为2400m/s，横波波速为1400m/s，岩层密度为2g/cm3，裂缝密度为0.05。在垂直于各向异性对称轴的模型表面，一侧采用横波震源激发地震波，另一侧使用正交检波器进行接收。由于裂隙的存在，初始激发横波在传播过程中将分裂为快、慢横波，如果遇到介质分界面，还将发生波型转换和多次反射，形成转换纵波和多次波。通过褶积合成，模拟得到正交接收的两分量地震记录。为了同时检测方法的抗噪性，设置信噪比为3，在模拟地震记录中添加随机噪声，由此得到加噪的X、Y两分量地震记录，根据这两个分量可绘出平面质点运动轨迹，如图4所示。

首先使用滑动时窗法寻找质点运动轨迹的突变点。将时窗的起始时刻固定为0.05s，逐渐变动时窗的截止时刻，观察时窗内信号对应的质点运动轨迹。分析可知：当时窗的截止时刻滑动到0.092s时，质点偏振特性发生变化，表现为显著偏离线性轨迹，而逐渐过渡到椭圆偏振，如图5所示。因此，拾取此时间点作为横波初至。计算可知，0.092s接近于横波穿过样品所用时间（0.090s），这表明使用偏振分析方法能够在噪声干扰的情况下有效地锁定横波初至。

图5为偏振分析时窗选取（a）以及时窗信号对应的质点运动轨迹（b）的示意图，其中，竖线截取区间为所选时窗。

当锁定横波初至后，为了获得纯净的透射横波，需要对初至之后一个主周期内的信号进行宽带滤波，滤除其他波形干扰。为了获得滤波频率上、下限等参数，首先需要对该区间的信号进行频谱分析。由频谱分析可知，透射横波的能量主要集中于10Hz~70Hz区间，因此采用10Hz作为频率下限，70Hz作为频率上限，采用常用的Butterworth宽带滤波器进行滤波。通过滤波前后横波主周期内两分量的波形变化和频谱变化，由频谱分析可知，此时高频纵波干扰基本消除，而且获得的横波波形与理论透射波形相关性良好，表明透射横波的波形得到较好的恢复。

下面进行实际煤样测试对本发明作进一步说明。

焦作矿区位村煤矿位于焦作市东部18km，主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，测试样品采自位村煤矿二1煤层，煤层位于山西组下部,为全区稳定的主要可采煤层，层位稳定，结构简单，为一中灰、低硫无烟煤。下面以该矿区样品为例，使用横波偏振方法拾取透射横波的初至，并提取横波波形。

首先根据正交两分量的初始波形，绘出全部波形对应的质点运动轨迹（图6）。可见，由于煤样中传播距离较短，不同类型的波形相互混叠，无法直接识别横波初至；而且，波形混叠导致质点偏振轨迹也很杂乱，无法直接找到质点偏振轨迹的突变点，需要使用滑动时窗法逐步搜索横波初至。

图6为样品测试得到的X、Y两分量波形（a）与其质点运动轨迹（b）的示意图。

将时窗的起始时刻固定为60us，逐步变动时窗截止时刻，可以发现：当截止时刻滑动到125us时，质点运动轨迹开始明显偏离线性，如图7所示。因此，将这个时间点锁定为透射横波的初至时刻。

图7为偏振分析时窗（a）以及时窗内信号的质点运动轨迹（b）的示意图。

锁定横波初至后，进一步提取透射横波的波形。首先，可以根据震源子波主周期和横波传播时间估算透射横波的主周期约为130us。截取横波初至之后130us区间内的信号进行频谱分析，如图8所示。可见，透射横波能量主要集中于104Hz~2.5*104Hz区间，采用这两个频率值作为频率上、下限进行宽带滤波。图9展示了滤波前后两分量的波形变化和频谱变化。由频谱分析（图9b、图9d）可知，此区间的高频纵波和低频多次波干扰基本消除，表明透射横波的波形得到较好的恢复。

通过本方法对传统的原生结构煤超声测试结果重新进行了计算和分析，并将原始测量结果与本方法测量结果进行了对比，见图10。其中，煤样A~F2是来自不同矿区、变质程度不同的煤岩。图10中，其中，注：x表示煤层走向方向，y表示煤层倾向方向，z表示垂直层理方向；原始数据对应的横波初至是测试人员根据经验拾取得到的，因此会具有较大的误差。以本方法测量结果为基准，计算了原始波速测量值的相对误差，结果表明：原始方法横波波速Vs的平均相对误差为8.1%。

通过本方法得到的结果与传统品质因子Qs方法的测量进行比较，其中Q值的求取是通过对数振幅谱比法实现。由于Qs的原始测量方法没有考虑到波形混染等干扰，原始初至也不准确，因此其测量结果与本方法测量值会存在较大误差，测试结果表明：与本方法Qs测量值相比，原始方法Qs测量值的平均误差约为38%。

煤岩超声测试能够为煤层的地震资料探测提供弹性参量基础依据，因此，探索针对煤岩的超声测试处理方法十分紧迫与必要。由于煤软、脆性大，煤样只能磨制成有限的长度，从而使得超声波的传播距离较小；且由于煤样中裂缝、割理、节理等发育，接收换能器接收到的波形极其复杂，各种转换与分裂波型混杂一起，煤样横波超声测试一直存在难以准确拾取透射横波初至与波形的问题。原始经验估测方法由于没有考虑到转换纵波与多次波等干扰的影响，使得原始测量得到的横波波速和品质因子存在较大的误差。通过以上可以看出，本方法与传统方法相比，本方法基于纵、横波偏振特性的差异，通过采集两个偏振正交的横波，提出一种利用偏振特性拾取横波初至和透射横波波形的方法。模型测试与实际样品测试表明，该方法可以在有噪声存在时较准确地拾取横波初至；再通过宽带滤波提取有效的横波波形，提高了横波波速Vs和品质因子Qs的计算精度。对原生结构煤的超声测量结果表明：本方法使得横波波速Vs的系统误差减少了8.1%，品质因子Qs的系统误差减少了38%。构造煤的超声测量应用也证明了该方法的有效性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制方法，其特征在于，包括：

接收端通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号，根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异通过滑动时窗法逐步搜索拾取横波的初至后，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号的步骤，包括：

所述接收端根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异拾取横波的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，再根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波，获取超声测试煤样的横波波形信号。

3.一种基于超声测试获取煤样横波信号的控制装置，其特征在于，包括：

接收换能器，用于通过两个正交方向同时接收的方式接收横波信号；

拾取横波初至模块，用于根据转换纵波与透射横波的偏振特性差异通过滑动时窗法逐步搜索，拾取所述接收换能器接收的横波信号的初至；

宽带滤波模块，用于根据横波有效信号与干扰信号的频率差异进行宽带滤波；及

示波器，用于显示滤波后的横波波形信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述宽带滤波模块，还用于得到横波信号的初至后，确定透射横波存在于初至后的一个主周期大小的时窗内，根据横波有效信号与干扰信号的频率差异，对该时窗内的波形进行宽带滤波。