CN108508483A - 一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，包括：采用小波去噪法消除背景噪声，提取来自震源和掩埋目标的地震波信号；依据设定阈值对各层系数进行量化处理，依据量化结果对信号重组滤除背景噪声；采用相位极化滤波方法提取界面波信号，将采集到的实信号进行希尔伯特变换，构造复函数滤除体波信号，保留界面波信号；根据各检波器接收到直达波和反射回波到达的时间差异，获取掩埋目标与震源的距离和方位。本发明还公开了一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统。本发明解决了滩涂近地表掩埋目标探测效率低、探测范围小和位置误差大等问题，研制的探测系统和信号处理方法可为近岸或浅海掩埋目标的搜寻提供重要的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于试验探测系统和信号处理领域，具体涉及一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法和系统。
背景技术
作为研究地球内部及动力学过程的一门技术，地震波广泛应用于石油勘探、地质检测、地震预报以及水中舰船目标探测等领域。研究滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，可以获取地震波在湿地中的传播规律，为清除近岸水底异物，减少船行安全隐患提供技术支撑。该技术可移用于军事领域中浅海掩埋水雷的探测，对维护国家的主权和权益、突破敌方军事海防线有重要的战略意义。
目前陆地掩埋目标的探测，主要依靠人工携带探测设备在小尺度范围内搜寻，但是滩涂或者近岸水底，人无法近距离的操作，只能借助于能在地表传播更远的物理场信号，利用回波特征对掩埋目标进行定位。空气中的低频声信号，经过大地耦合，能激发出沿地表传播的地震波信号，地震波中的界面波具有频率低、能量强、衰减缓慢、传播特性受环境影响小的等特点，非常适合于对滩涂地带的近地表掩埋目标进行探测。
目前尚无滩涂近地表掩埋目标的探测系统和信号处理的具体方法。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法和系统，滩涂近地表掩埋目标的地震波主动探测系统和从复杂环境中获取目标位置信息，解决了滩涂近地表掩埋目标探测效率低、探测范围小和位置误差大等问题。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，包括：
步骤1，采用小波去噪法消除背景噪声，提取来自震源和掩埋目标的地震波信号；将各路采集数据进行小波分解，依据设定阈值对各层系数进行量化处理，依据量化结果对信号重组滤除背景噪声；
步骤2，采用相位极化滤波方法提取界面波信号，将采集到的实信号进行希尔伯特变换，构造复函数滤除体波信号，保留界面波信号；
步骤3，根据各检波器接收到直达波和反射回波到达的时间差异，获取掩埋目标与震源的距离和方位。
较佳地，步骤1具体包括：
步骤1.1，在同一测试环境下重复试验，并记录多次的信号数据，分别对各组数据中的三分量求平均值；
步骤1.1，用小波基对各分量数据进行N层分解，依据设定的阈值对各层高频系数进行量化处理，将处理后的第N层低频系数和第1至N-1层的高频系数叠加，实现信号重组。
较佳地，步骤2具体包括：
步骤2.1，将各分量实信号进行希尔伯特变换，构造具有垂直分量V相位特征的矢量具有水平分量H相位特征的矢量其中ω为信号角频率，t为接收信号的时间，φh为垂直分量的相位，φv为水平分量的相位；
步骤2.2，构造复函数
步骤2.3，判断pVH的虚部是否为零，若是，则该信号为体波信号，自动滤除，若否，则该信号为界面波信号，自动留存。
较佳地，步骤3具体包括：
步骤3.1，在无掩埋目标的情况下，测定界面波的传播速度v＝b/τ，其中τ为两个峰值时刻的差异为，b为两个检波器之间的距离；
步骤3.2，在有掩埋目标的情况下，测算掩埋目标和两个检波器的距离c＝v·t1-x和d＝v·t2-x，其中，x为震源到掩埋目标的距离，t1和t2分别为两个检波器的第二个峰值时刻；
步骤3.3，依据余弦定理获取关于掩埋目标与震源的距离x和方位角θ的方程组：
步骤3.4，联立方程
求取掩埋目标与震源的距离x和掩埋目标相对于震源方位角θ。
本发明还提供一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统，在掩埋目标的水平位置以上设置震源和检波器，震源和检波器位于同一水平面，检波器接收到的地震波信号通过数据采集卡发送到计算机，计算机存储有计算机程序，计算机程序被计算机执行时实现如权利要求1-任一项方法。
较佳地，包括两个检波器，两个检波器与震源布局为线型或三角形。
较佳地，检波器设置在底座上，底座包括一平板结构，平板结构下方设有至少三根固定杆，固定杆的下端为锥形。
较佳地，检波器上方设有防风罩，防风罩包括塑料防风罩。
本发明的有益效果在于：本发明利用近地表地震波中界面波的传播特性，构建收发分置的主动探测系统；基于虚拟仪器思想建立了适合于野外滩涂试验的多路实时数据采集系统；采用相位极化滤波和小波去噪方法相结合，提取了来自震源和掩埋目标的界面波信号，进而获取目标相对震源的位置信息。本发明中的界面波传播衰减小，相位特征显著区别于体波，因而易于从复杂背景噪声中有效分离，解决了滩涂近地表掩埋目标探测效率低、探测范围小和位置误差大等问题，研制的探测系统和信号处理方法可为近岸或浅海掩埋目标的搜寻提供重要的技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例一的系统布置示意图；
图2为本发明实施例一的中震源、检波器和掩埋目标的位置示意图；
图3为本发明实施例一信号采集结构示意图；
图4为本发明实施例二的方法流程图；
图5为本发明实施例二的掩埋目标探测实验数据处理流程图；
图6为本发明实施例二目标掩埋前后极化滤波效果对比图。
图中：1-震源，2-检波器，3-数据采集卡，4-计算机，5-掩埋目标，6-电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
一种滩涂近地表掩埋目标5的地震波探测系统，在掩埋目标5的水平位置以上设置震源1和检波器2，震源1和检波器2位于同一水平面，检波器2接收到的地震波信号通过数据采集卡3发送到计算机4，计算机4存储有计算机4程序，计算机4程序被计算机4执行时实现如权利要求1-任一项方法。本实施例包括两个检波器2，两个检波器2与震源1布局为线型或三角形。检波器2设置在底座上，底座包括一平板结构，平板结构下方设有至少三根固定杆，固定杆的下端为锥形。检波器2上方设有防风罩，防风罩包括塑料防风罩。
具体设计方案如下：
依据地震波动力学和运动学机理，设计制作接触式和非接触式震源1在地表激发产生地震波信号，采用三分量高灵敏度振动传感器接收阵列接收信号，构建了地震波探测系统；接触式震源1为落重震源1，由铁球和固定在地表的钢板构成，能激发能量丰富的20～50赫兹频段的脉冲信号；非接触式震源1为扬声器震源1，由函数信号发生器、功放和扬声器等组成，能产生特定频率的地震波信号。地震检波器2阵列包含两个检波单元，可以和震源1一起布局为线形和三角形，各检波单元均包含一片高灵敏度三分量磁电式传感器和一个刚体自平衡外架，检波器2底座与大地充分耦合，就能监测来自地表的微弱振动信号。
系统布局如图1和图2所示。扬声器震源1中信号发生器是DDS函数信号发生器，型号为TFG6010，功放型号为格雷斯(GREIS)P5000S，扬声器型号为SR-IO60IL，扬声器不能直接置于地面，需贴近地表放置，为此设计了一个刚性底座，直径29cm，高32cm，用于支撑扬声器。地震检波器2中，振动传感器采用磁电式地震传感器CDJ-Z2.5。12V电源6为检波器2的传感器供电。检波器2通过电缆线与数据采集卡3连接，数据采集卡3和计算机4之间设置USB数据线和USB供电连接。
为保证传感器Z轴铅垂向下，设计了刚体自平衡架用以固定传感器，并将传感器贴于平衡架下端，本探测系统中包含两个检波器2。检波器2布放于圆形底座上方，座顶的平板结构为半径20cm、厚5mm的圆形平面钢板，三根固定杆为尖头铁杆，均匀分布于座顶圆周，每根铁杆的长32cm，直径10mm，地震检波器2与底座平板用螺丝固定，底座下的尖头铁杆插入地面，使底座平板与地面充分耦合，提高检测效率。如图5所示，检波器2上方设有防风罩，该防风罩为塑圆桶，用于克服来自空气中风和声波等因素的干扰。探测系统中的掩埋目标5为圆柱形铁罐，直径34.5cm，高度23cm，壁厚1cm，埋藏深度20cm。
本实施例多路数据采集系统中，振动传感器采用12v锂电池供电，和采集卡之间用电缆相连，采集卡型号为NI USB-6211，通过USB数据线和计算机4连接，同时实现供电和数据采集存储功能。采用顺序结构，首先选择文件存储路径，而后对采集到的信号进行带通滤波，滤波后的信号在主界面实时显示，并存储于选定目录下，程序主界面包括显示区和控制区，设有人机交互功能，用户能在显示区实时观测采集信号的时域波形，在控制区中设定程序运行和数据记录的起始、中断和终止时刻。
实施例二
依据虚拟仪器思想，应用Labview软件编制数据回放及数据处理软件，采用多通道高精度数据采集卡3和计算机4，搭建了掩埋目标5的实时地震波信号检测平台；依据地震波中界面波的传播特性，采用极化滤波等现代信号处理技术提取界面波信号，结合接收阵列信号处理技术，获取掩埋目标5的位置信息。实时信号检测分系统包括计算机4和数据采集卡3，两者通过USB数据线连接，实现供电和数据采集存储一体化功能。计算机4中运行数据采集程序，实时读取采集卡输出的电压信号，并将其以txt格式存储于计算机4的指定目录下。主机界面上，显示各检波器2单元X、Y、Z分量信号的时域波形，显示程序运行时间，设有开关按键用于控制采集程序的运行状态。
该方法包括如下步骤：
首先布放如实施例一所述的地震波试验探测系统，对接收信号进行如下的处理，具体步骤包括：
步骤1，采用小波去噪法消除背景噪声，提取来自震源1和掩埋目标5的地震波信号；将各路采集数据进行小波分解，依据设定阈值对各层系数进行量化处理，依据量化结果对信号重组滤除背景噪声；具体包括：
步骤1.1，数据平均。在同一测试环境下重复试验，并记录多组数据，分别对各组数据中的三分量求平均，消弱随机信号的影响，增强数据的普适性。
步骤1.2，小波去噪。首先选择小波基对各分量数据进行N层分解，并选择合适的阈值对各层高频系数进行量化处理，将处理后的第N层低频系数和第1～N-1层的高频系数叠加，实现信号重组。
步骤2，采用相位极化滤波方法提取界面波信号，将采集到的实信号进行希尔伯特变换，构造复函数滤除体波信号，保留界面波信号；具体包括：
步骤2.1，相位极化滤波算法。将采集到的各分量实信号进行希尔伯特变换，构造具有垂直分量相位特征的矢量
具有水平分量相位特征的矢量
步骤2.2，构造复函数PVH
由于地震波中体波的垂直分量与水平分量同相位，也即：
φh-φv＝0 (4)
而界面波的垂直分量与水平分量存在90°的相位差，也即：
φh-φv＝π/2 (5)
观察pVH的虚部，若其为零，则说明该信号为体波信号，自动滤除；若不为零，说明信号为界面波信号，自动留存。
经过小波去噪和相位极化滤波提取后的波形如图6所示，利用落重震源1法在目标掩埋前和掩埋后分别激发地震波信号，并对采集信号进行小波去噪和激化滤波处理，可发现在0.2s时刻，来自震源1的直达波峰值初至，在0.292s时刻，掩埋目标5反射回波信号到达。
步骤3，根据各检波器2接收到直达波和反射回波到达的时间差异，获取掩埋目标5与震源1的距离和方位。如图2所示，在检波器21和检波器22中会收到两种信号，一种是来自震源1的直达波，一种是来自掩埋目标5的反射回波，直达波会先于回波到达，且能量峰值高于回波。图2中两个检波器2和震源1固定在一条直线上，间距分别为a和b，要获得掩埋目标5相对于震源1的距离x和方位角θ，必须求出掩埋目标5和两个检波器2的距离c和d，具体操作如下：
步骤3.1，在无掩埋目标5的情况下，测定界面波的传播速度。此时检波器2单元中只有一个峰值时刻，设两个峰值时刻的差异为τ，则界面波传播速度为：
v＝b/τ (6)
步骤3.2，在有掩埋目标5的情况下，测算掩埋目标5和两个检波器2的距离c和d。此时各检波器2单元中均有两个峰值时刻，设各单元中第二个峰值时刻分别为t1和t2，则有：
c＝v·t1-x (7)
d＝v·t2-x (8)
步骤3.3，根据余弦定理可得关于x和θ的方程组：
联立(6)～(9)即可求得掩埋目标5相对于震源1的距离和x方位角θ。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，其特征在于，包括：
步骤1，采用小波去噪法消除背景噪声，提取来自震源和掩埋目标的地震波信号；将各路采集数据进行小波分解，依据设定阈值对各层系数进行量化处理，依据量化结果对信号重组滤除背景噪声；
步骤2，采用相位极化滤波方法提取界面波信号，将采集到的实信号进行希尔伯特变换，构造复函数滤除体波信号，保留界面波信号；
步骤3，根据各检波器接收到直达波和反射回波到达的时间差异，获取掩埋目标与震源的距离和方位。
2.根据权要求1所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1，在同一测试环境下重复试验，并记录多次的信号数据，分别对各组数据中的三分量求平均值；
步骤1.1，用小波基对各分量数据进行N层分解，依据设定的阈值对各层高频系数进行量化处理，将处理后的第N层低频系数和第1至N-1层的高频系数叠加，实现信号重组。
3.根据权要求1所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1，将各分量实信号进行希尔伯特变换，构造具有垂直分量V相位特征的矢量具有水平分量H相位特征的矢量其中ω为信号角频率，t为接收所述信号的时间，φh为垂直分量的相位，φv为水平分量的相位；
步骤2.2，构造复函数
步骤2.3，判断pVH的虚部是否为零，若是，则该信号为体波信号，自动滤除，若否，则该信号为界面波信号，自动留存。
4.根据权要求1所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1，在无掩埋目标的情况下，测定界面波的传播速度v＝b/τ，其中τ为两个峰值时刻的差异为，b为两个检波器之间的距离；
步骤3.2，在有掩埋目标的情况下，测算掩埋目标和两个检波器的距离c＝v·t1-x和d＝v·t2-x，其中，x为震源到掩埋目标的距离，t1和t2分别为两个检波器的第二个峰值时刻；
步骤3.3，依据余弦定理获取关于掩埋目标与震源的距离x和方位角θ的方程组：
步骤3.4，联立方程
求取掩埋目标与震源的距离x和掩埋目标相对于震源方位角θ。
5.一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统，其特征在于：在掩埋目标的水平位置以上设置震源和检波器，所述震源和所述检波器位于同一水平面，检波器接收到的地震波信号通过数据采集卡发送到计算机，所述计算机存储有计算机程序，所述计算机程序被所述计算机执行时实现如权利要求1-任一项所述方法。
6.根据权利要求5所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统，其特征在于：包括两个所述检波器，两个所述检波器与所述震源布局为线型或三角形。
7.根据权利要求5所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统，其特征在于：所述检波器设置在底座上，所述底座包括一平板结构，所述平板结构下方设有至少三根固定杆，所述固定杆的下端为锥形。
8.根据权利要求5所述的一种滩涂近地表掩埋目标的地震波探测系统，其特征在于：所述检波器上方设有防风罩，所述防风罩包括塑料防风罩。
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