CN107807382A - 一种高密度面波勘探数据采集与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，包括数据采集和数据处理两部分，所述数据处理又分为预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化处理，该高密度面波勘探数据采集与处理方法具体步骤如下：S1：数据采集采用加密和重叠测点的勘探方式，第一步，将24个检波器按一定间隔布置在测线上，形成传感器阵列，本发明对岩土工程面波勘探的据采集方法，以及处理方法与流程进行了创新和标准化，包括预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化展示。同时，采用高精度、多模态频散分析和反演分析方法，计算精度高、效果好。另外，对各阶段分析结果进行可视化输出，结果解释方便、直观。

Description

一种高密度面波勘探数据采集与处理方法

技术领域

本发明涉及岩土工程地质勘察与检测技术领域，具体为一种高密度面波勘探数据采集与处理方法。

背景技术

弹性波可分为面波和体波。面波沿两种不同介质分界面传播，是由体波在一定条件下相长干涉而成，主要有瑞利波和勒夫波。瑞利波面是以激发点为柱心的圆柱面，有水平和垂直两个成分，质点的振动轨迹为一椭圆。勒夫波只存在于层状介质中，质点运动方向与传播方向垂直且平行于介质表面，只有水平成分。

面波振幅随深度呈指数衰减，能量主要集中在距分界面很近范围内。在半波长深度范围以内，约集中了全部能量的80％，在一个波长以内则集中了全部能量的约95％以上。传播速度主要由介质表面到半波长深度范围内的介质决定，约为横波波速的0.91倍。高频面波波长较短，只能穿透地表附近很浅范围内的地层，因而只反映浅层地下构造；而低频面波波长大，能穿透较深地层，能够综合反映从地表到深层的地下构造。

面波勘探能够克服钻孔等传统测试方法的缺陷，勘探速度快、精度高、效果好，对环境无影响。通过采集波形，采用相应处理方法分离深度信息，获得地层剪切波速度及其分布情况等信息，进行地质信息反演分析，即可推测地下构造。

传统的面波勘探受到数据采集和处理方法限制，精度较低，只能获得勘探点的1维构造信息，无法得到地下构造连续的分布状况。

基于以上问题，本发明对面波勘探的数据采集方法，以及处理方法与流程进行了创新和标准化，包括预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化展示。同时，采用高精度、多模态频散分析和反演分析方法，计算精度高、效果好。另外，对各阶段分析结果进行可视化输出，结果解释方便、直观。

现有面波勘探数据采集与处理方法存在以下缺陷：以勘探点为单位采集数据，数据密度小，空间上无连续性；勘探结果为勘探点的一维构造，无法得到地下构造连续的分布状况；频散分析采用F-K法，精度和分辨率低，不区分面波模态，不同模态的传播速度混杂在同一条频散曲线中；不进行反演分析，而是通过频散曲线，由经验公式反推地下构造。因此，计算精度低，结果表达物理意义不明确；以勘探点为单位手工处理数据，效率低，人为因素多，结果缺乏客观性。为此，我们提出一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，以解决上述背景技术中提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，包括数据采集和数据处理两部分，所述数据处理又分为预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化处理，该高密度面波勘探数据采集与处理方法具体步骤如下：

S1：数据采集

数据采集采用加密和重叠测点的勘探方式，第一步，将多个检波器按一定间隔布置在测线上，形成传感器阵列，然后在测线延长线上按一定偏移距进行激发，传感器接收信号，并完成记录，第二步，沿测线向前移动传感器阵列和激发点至下一位置，然后进行激发、接收和记录操作；

按照上述方法，重复进行激发、接收、记录和移动的操作，直至完成整条测线，实现沿测线连续地高密度数据采集；

在数据处理方面，为保证数据处理精度、效率和质量，需对每部分处理结果进行考察，确认符合要求后方可进行下一步处理；

S2：预处理

预处理包括数据整理、格式转换、添加传感器和激发点位置信息；

S3：波形处理

通过S2中对各数据波形的考察，结合野外作业条件，设置合理的时间窗口和滤波器，最大限度地压制噪音，对于包含非激发震源信号的波形，可采用方向滤波的方法，滤掉干扰信号，即可通过波形处理获得高质量的频散曲线，频散曲线满足要求后，表明滤波器设置合理，则将各数据文件进行叠加与连接，获得整条勘探测线数据；

S4：频散分析

高精度、多模态频散分析是指由共激发点道集提取面波相速度，其包括：参数设置、相速度分析、频散曲线调整和读取相速度；

频散曲线采用彩色速度谱表示方式，直观明了，分析过程可同步显示波形数据及其频散曲线，可直接调整频散曲线，频散分析可形成连续频散曲线，对检波器间距无要求，且分辨率高，抗干扰性极强；

S5：反演分析

高精度、多模态反演分析，是由面波的频散曲线反演计算地下的横波速度构造，其主要包括：分析参数设置，相速度反演分析，确定速度构造模型，分析结果可视化展示、量化，反演分析与构造模型调整，调整构造模型，评判计算理论频散曲线对实测数据的拟合程度；

采用遗传算法和最小二乘法的混合算法，综合了两种算法的优缺点，首先，由遗传算法进行反演，并监测误差曲线，其次，当误差收敛到一定水平后，将模型作为匹配的初始模型，然后最小二乘法基于初始模型进行快速反演分析，以加快误差的收敛；

S6：可视化展示

根据S5中反演分析结果，输出剪切波速度断面，同时，根据相关工程规范和经验公式，可输出标准贯入度断面曲线。

优选的，所述步骤S1中检波器的个数为24个。

优选的，步骤S1中沿测线向前移动传感器阵列和激发点至下一位置，然后进行激发、接收和记录操作，必须确保2个以上的传感器位置相重合。

波形处理采用方向滤波、速度滤波的方式，去除非激发震源方向的信号，压制噪音干扰。

频散分析，在频率域，对每个频率点的数据，进行精确的速度扫描。即以不同的速度对数据进行矫正，消除因到震源的距离不同而产生的相位差，然后对数据进行叠加处理，并自动寻找叠加能量最大的速度点，该速度即为该频率点对应的相速度。若同时出现多个极大值，则表明有多个模态与该频率对应。在寻找到相速度后，根据频散曲线的连续性，以及各模态的相似性，自动拾取相速度。

反演分析是一个多极值最优化问题，对初始模型依赖很大。一般，最小二乘法需根据已知条件建立高精度的初始模型，而实际工程中是难以做到，很难得到全局最优化解。遗传算法不需要初始模型，其结果为全局最优解，但是计算量大，时间长，尤其是当进化到一定程度后收敛速度急剧变慢。

鉴于此，采用遗传算法与最小二乘法相结合的分析方法。首先，采用遗传算法，寻找最匹配的初始模型。然后，采用最小二乘法进行快速反演计算。

可视化展示，输出丰富的可视化断面图，包括勘探点的频散曲线、剪切波速度断面等。根据工程需求，可将图形转换输出为标准贯入值断面等，实现对分析结果的量化解释。同时，可监测并检查反演计算质量，输出误差曲线等。

本发明对岩土工程面波勘探的据采集方法，以及处理方法与流程进行了创新和标准化，包括预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化展示。同时，采用高精度、多模态频散分析和反演分析方法，计算精度高、效果好。另外，对各阶段分析结果进行可视化输出，结果解释方便、直观。

附图说明

图1为本发明的主要步骤结构示意图；

图2为本发明的步骤S1中数据采集方法结构示意图；

图3为本发明的步骤S1中数据处理流程结构示意图；

图4为本发明的步骤S3中共激发点道集频散曲线示例结构示意图；

图5为本发明的叠加数据示意图；

图6为本发明的全测线波形输出示例示意图；

图7为本发明的某一勘探点频散分析示例结构示意图；

图8为本发明的某一勘探点反演分析示例结构示意图；

图9为本发明的输出剪切波速度剖面示例结构示意图；

图10为本发明的输出标贯值剖面示例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供了如图1-10的一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，包括数据采集和数据处理两部分，所述数据处理又分为预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化处理，该高密度面波勘探数据采集与处理方法具体步骤如下：

S1：数据采集

数据采集采用加密和重叠测点的勘探方式，第一步，将24个检波器按一定间隔布置在测线上，形成传感器阵列，然后在测线延长线上按一定偏移距进行激发，传感器接收信号，并完成记录，第二步，沿测线向前移动传感器阵列和激发点至下一位置，然后进行激发、接收和记录操作，此时，必须确保2个以上的传感器位置相重合；

按照上述方法，重复进行激发、接收、记录和移动的操作，直至完成整条测线，实现沿测线连续地高密度数据采集，这种数据采集方法保证了对于每一个测点，将接收到来自不同偏移距的震源信号；

在数据处理方面，为保证数据处理精度、效率和质量，需对每部分处理结果进行考察，确认符合要求后方可进行下一步处理；

S2：预处理

预处理包括数据整理、格式转换、添加传感器和激发点位置信息；

S3：波形处理

通过S2中对各数据波形的考察，结合野外作业条件，设置合理的时间窗口和滤波器，最大限度地压制噪音，对于包含非激发震源信号的波形，可采用方向滤波的方法，滤掉干扰信号，即可通过波形处理获得高质量的频散曲线，频散曲线满足要求后，表明滤波器设置合理，则将各数据文件进行叠加与连接，获得整条勘探测线数据；

S4：频散分析

高精度、多模态频散分析是指由共激发点道集提取面波相速度，其包括：参数设置、相速度分析、频散曲线调整和读取相速度；

频散曲线采用彩色速度谱表示方式，直观明了，分析过程可同步显示波形数据及其频散曲线，可直接调整频散曲线，频散分析可形成连续频散曲线，对检波器间距无要求，且分辨率高，抗干扰性极强；

S5：反演分析

高精度、多模态反演分析，是由面波的频散曲线反演计算地下的横波速度构造，其主要包括：分析参数设置，相速度反演分析，确定速度构造模型，分析结果可视化展示、量化，反演分析与构造模型调整，调整构造模型，评判计算理论频散曲线对实测数据的拟合程度；

采用遗传算法和最小二乘法的混合算法，综合了两种算法的优缺点，首先，由遗传算法进行反演，并监测误差曲线，其次，当误差收敛到一定水平后，将模型作为匹配的初始模型，然后最小二乘法基于初始模型进行快速反演分析，以加快误差的收敛；

S6：可视化展示

根据S5中反演分析结果，输出剪切波速度断面，同时，根据相关工程规范和经验公式，可输出标准贯入度断面曲线。

综上所述，与现有技术相比，本发明对岩土工程面波勘探的据采集方法，以及处理方法与流程进行了创新和标准化，包括预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化展示。同时，采用高精度、多模态频散分析和反演分析方法，计算精度高、效果好。另外，对各阶段分析结果进行可视化输出，结果解释方便、直观。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，包括数据采集和数据处理两部分，其特征在于：所述数据处理又分为预处理、波形处理、频散分析、反演分析和可视化处理，该高密度面波勘探数据采集与处理方法具体步骤如下：

S1：数据采集

数据采集采用加密和重叠测点的勘探方式，第一步，将多个检波器按一定间隔布置在测线上，形成传感器阵列，然后在测线延长线上按一定偏移距进行激发，传感器接收信号，并完成记录，第二步，沿测线向前移动传感器阵列和激发点至下一位置，然后进行激发、接收和记录操作；

按照上述方法，重复进行激发、接收、记录和移动的操作，直至完成整条测线，实现沿测线连续地高密度数据采集；

在数据处理方面，为保证数据处理精度、效率和质量，需对每部分处理结果进行考察，确认符合要求后方可进行下一步处理；

S2：预处理

预处理包括数据整理、格式转换、添加传感器和激发点位置信息；

S3：波形处理

通过S2中对各数据波形的考察，结合野外作业条件，设置合理的时间窗口和滤波器，最大限度地压制噪音，对于包含非激发震源信号的波形，可采用方向滤波的方法，滤掉干扰信号，即可通过波形处理获得高质量的频散曲线，频散曲线满足要求后，表明滤波器设置合理，则将各数据文件进行叠加与连接，获得整条勘探测线数据；

S4：频散分析

高精度、多模态频散分析是指由共激发点道集提取面波相速度，其包括：参数设置、相速度分析、频散曲线调整和读取相速度；

频散曲线采用彩色速度谱表示方式，直观明了，分析过程可同步显示波形数据及其频散曲线，可直接调整频散曲线，频散分析可形成连续频散曲线，对检波器间距无要求，且分辨率高，抗干扰性极强；

S5：反演分析

高精度、多模态反演分析，是由面波的频散曲线反演计算地下的横波速度构造，其主要包括：分析参数设置，相速度反演分析，确定速度构造模型，分析结果可视化展示、量化，反演分析与构造模型调整，调整构造模型，评判计算理论频散曲线对实测数据的拟合程度；

采用遗传算法和最小二乘法的混合算法，综合了两种算法的优缺点，首先，由遗传算法进行反演，并监测误差曲线，其次，当误差收敛到一定水平后，将模型作为匹配的初始模型，然后最小二乘法基于初始模型进行快速反演分析，以加快误差的收敛；

S6：可视化展示

根据S5中反演分析结果，输出剪切波速度断面，同时，根据相关工程规范和经验公式，可输出标准贯入度断面曲线。

2.根据权利要求1所述的一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，其特征在于：所述步骤S1中检波器的个数为24个。

3.根据权利要求1所述的一种高密度面波勘探数据采集与处理方法，其特征在于：步骤S1中沿测线向前移动传感器阵列和激发点至下一位置，然后进行激发、接收和记录操作，必须确保2个以上的传感器位置相重合。