CN112379418B - 一种地震直达波波速计算方法及系统 - Google Patents

一种地震直达波波速计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于地震直达波波速计算领域，提供了一种地震直达波波速计算方法及系统。其中，地震直达波波速计算方法包括：接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。

Description

一种地震直达波波速计算方法及系统
技术领域
本发明属于地震直达波波速计算领域，尤其涉及一种地震直达波波速计算方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在传统的隧道超前地质预报地震波反射波法数据处理过程中，求取地震直达波波速的效率很慢，大部分是通过基于专家经验的人工选取所有道集的振幅峰值点，并进行直线拟合。发明人发现，在求取检波器和震源点的距离时采用简单的两点之间的直线距离，效果不准确且计算速度慢。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种地震直达波波速计算方法及系统，其能够快速并准确的求取地震直达波波速，尽量节省隧道超前地质预报科研人员的数据处理时间，提高隧道预测区域异常地质体的预测准确度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种地震直达波波速计算方法。
一种地震直达波波速计算方法，包括：
接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；
查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；
基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；
求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。
本发明的第二个方面提供一种地震直达波波速计算系统。
一种地震直达波波速计算系统，包括：
接收及预处理模块，其用于接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；
初始拟合模块，其用于查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；
再次拟合模块，其用于基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；
波速求解模块，其用于求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的地震直达波波速计算方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的地震直达波波速计算方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过初始直达波拟合直线与岩体的波速范围求出每一道地震波形的采样时间段，该采样时间段存在于地震波形图的前半段，因此可以减少周围噪声的影响；之后在该采样时间段内部找出最大的幅值点作为该道地震波对直达波直线的拟合点，再经过离群振幅值剔除、直线拟合操作便可以求出更为精确的直达波波速，实现了能够充分利用现场采集的地震波数据，并消除周围噪声的干扰，准确的计算出直达波波速。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的现场采集的异样(倾斜)地震波；
图2是本发明实施例的经过去线性趋势之后的地震波；
图3是本发明实施例的获取地震波P波振幅峰值点；
图4是本发明实施例的未剔除离群振幅值的初始直达波波速；
图5是本发明实施例的剔除离群振幅值的初始直达波波速；
图6是本发明实施例的最终的直达波波速；
图7是本发明实施例的根据P波振幅峰值区间窗口调整地震波P波振幅峰值点；
图8是本发明实施例的对需要调整的地震波进行振幅峰值点人工调整；
图9是本发明实施例的直达波直线拟合图；
图10是本发明实施例的地震直达波波速计算方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图10，本实施例的一种地震直达波波速计算方法，包括：
步骤1：接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间。
地震反射波法是利用地震反射波进行人工地震勘探的方法，是当前隧道超前地质预报工作常用的工程物探方法。当在隧道内进行锤击或者其它地震波震源激发时，地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震波信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此根据检波器接收的波形信号，利用直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以实现隧道掌子面前方地质的超前预报。从理论上讲，通过直达波波速的较准确计算可实现取得较好的预测效果。
在具体实施中，根据隧道地震观测系统中的震源点和检波器接收点求取他们的绕隧道曲面的距离映射，计算公式如下：
Figure GDA0003274945600000051
SRDis:表示第i个传感器到第k个炮点的距离；
Dia:当前工程隧道直径；
Rposx:当前第i个传感器在隧道宽度方向的位置；
Sposx:当前第k个震源点在隧道宽度方向的位置；
Rposz:当前第i个传感器在隧道高度方向的位置；
Sposz:当前第k个震源点在隧道高度方向的位置；
Rposy:当前第i个传感器在隧道纵深方向的位置；
Sposy:当前第k个震源点在隧道纵深方向的位置；
震源点和检波器通过这种方式连接起来使得整个系统组成一个封闭的圆柱形探测区域，在该区域内部的任意一点的再震源点影响下的信号值都可以被相邻的检波器检测到，并将通过公式得到的距离作为一个影响因子控制计算精度。相比于其他学者的方式更加准确的计算出每一点的波形。
在实际数据采集的过程中由于供电电源和手动测试的误差，会导致测得的地震波形出现倾斜的现象，如图1所示。这会导致所得到的波形与正常的波形相差很大，但该波形依然承载了大量的有效信息。
在本实施例中采用高等离散数学中的去线性趋势，将偏离正常波道的波形回归到正常的形状，有了去线性趋势不但能够提高波形的利用率同时也减小了对现场数据采集人员的要求。
在去线性趋势处理的过程中，求取地震波波形线性梯度，根据线性梯度调整地震波波形。经过去线性趋势之后的地震波如图2所示。
根据现场采集的波形质量，选择是否要做去线性趋势。去线性趋势能消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响。计算公式如下：
Figure GDA0003274945600000061
Figure GDA0003274945600000062
Figure GDA0003274945600000063
Figure GDA0003274945600000064
Figure GDA0003274945600000065
Yinitial＝-grad*Ysum+Ysum
Yi＝Yi-(grad*i+Yinitial)
Figure GDA0003274945600000066
Yend＝Yi-Yave
其中：Xi和Yi为去线性之前的波形点，Xsum和Ysum为去线性趋势之前的和，grad为线性梯度，Yave为整体趋势的平均值，Yend为最终去线性趋势结果。对于正常的信息采集数据施加去线性趋势，对结果影响不大；对于由于施工原因导致的波形整体偏移和波形线性增长的数据能够很好的进行处理。这套去线性趋势实在离散数学的基础上结合大量的工程实践总结的结果，相比于其他处理方式能够保留更多的有效信息。
在地震波数据预处理的过程中，对所有地震波数据进行坏道预处理。
在地震波数据预处理的过程中，对所有地震波数据进行带通滤波预处理，筛选出指定区间的地震波波形。
步骤2：查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合，如图9所示。
求取地震道集的所有P波振幅峰值点的过程为：
Dt_max＝Points_Index*Time_total/Point_total
其中，Dt_max:某一道P波的振幅峰值点对应的时间；
Time_total:该道的总时间；
Points_Index:该数据道的总点数；
Point_total:振幅峰值点对应的点数。
在剔除离群振幅值的过程中，以拟合点距离中位值的偏差来确定离群点并进行剔除。
具体地，求取距离与地震道集的振幅峰值点所对应的时间并映射到二维平面，进行离群振幅值算法剔除及第一次直线拟合，求取线性方程中的直线截距b。在这个过程中用到离群振幅值剔除：
离群振幅值剔除算法公式：
计算所有元素的中位值Xmedian。
计算所有元素中位值的绝对偏差：
Bias_value＝fabs(Xi-Xmedian)
取得绝对偏差的中位值Value_mad＝Bias_median；
求取每个数据离散点与中位值的查并和绝对偏差中位值作相除：
Median_i＝fabs(Value_i-Xmedian)/Value_mad
例如：一组偶数数据：
3 4 6 7 8 11 12 15，中位值为：(7+8)/2；
一组奇数组数据：
3 4 5 7 8 10 11，中位值为：7。
取一经验阈值，在这取的是2.5，将大于容忍阈值的踢掉，将剩余的点进行直线拟合求取直线方程中的b截距。
步骤3：基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线。
步骤4：求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速，如图6所示。
再次拟合直线的过程中，基于时间上下限内最大幅值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，得到再次拟合的直线。
下面以18炮9道的地震波为例：
附图3是将工程中采集的的数据进行坏道处理、频谱分析、高通滤波后得到的波形图数据，其中第四道L4为经坏道处理得到的。经过上述处理能够增加波形的信噪比，有利于提取相关数据。
附图3获取地震波P波振幅峰值点。在此例中总共18炮，每一炮有9道波形，每一道中含有5000个数据点。结合公示1-1与1-2需要对每一道波形进行循环，找到最大幅值的点作为该道的波速拟合点，因此每一炮获得9个拟合点，总共162个拟合点。
附图4未剔除离群振幅值的初始波速拟合。将附图4中获取的162个拟合点进行数据拟合得到了初始的直达波波速，该波速并没有将离群振幅值进行剔除，故而计算存在较大误差。
附图5剔除离群振幅值的初始波速拟合。将附图4中的3个离群振幅值进行剔除。将得到的数值进行拟合，得到的波速更加准确，因此将剔除离群振幅值之后的拟合直线作为初始拟合直线。
在获取的初始的拟合曲线之后，便可以计算直达波波速，但这种直达波波速很容易受到周围噪声的干扰，为了能够消除这种波速，需要将计算出初始拟合曲线进行处理，从而获取更准确的波速，所以在这里介绍本发明的第二步：预估波速区间。
拟合直线的数学表达式为：y＝ax+b；其中b为初始拟合直线的截距，a为波速的倒数。在岩体工程中，岩体的波速区间可根据工程的岩体属性进行赋值，一般波速的范围在1500m/s-3500m/s，在求出初始拟合直线后将岩体波速的上下限带入到拟合曲线中便可求出每一道波形所对应的时间dt的上下限。
在获取到岩体的波速所对应的dt的上下限后，便可以在上下限内寻找最大幅值。通过上下限的方式可以过滤掉很多的外部噪声，提高信噪比。这时本专利的一个亮点。获取每一道波形在上下限内的最大幅值点对应的dt和dis，并组成一个拟合点。如附图7所示每一炮内含有9道波形，选择出符合dt上下限的9个拟合点。从图中可以看出L4道的拟合点相比于附图4有了较大的更改其余的波形由于比较正常改动相对较小。如果在检查每一道的波形时出现异常的拟合点，亦可以如附图8所示，对需要调整的地震波进行振幅峰值点人工拖拽及键盘上下键细微调整。将符合条件的18炮共162个拟合点再进行数据的离群振幅值剔除和直线拟合。最终得到数据的拟合直线公式。通过公式求出直达波波速v＝1/a；如附图7所示最终的直达波波形拟合点更加密集的分布在拟合直线周围。
实施例二
本实施例提供了一种地震直达波波速计算系统，包括：
(1)接收及预处理模块，其用于接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；
(2)初始拟合模块，其用于查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；
(3)再次拟合模块，其用于基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；
(4)波速求解模块，其用于求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。
本实施例的地震直达波波速计算系统与实施例一所述的地震直达波波速计算方法中的步骤一一对应，其具体实施过程可采用如实施例一所述的地震直达波波速计算方法中对应步骤来实现，此处不再详述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的地震直达波波速计算方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的地震直达波波速计算方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种地震直达波波速计算方法，其特征在于，包括：
接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；
查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；离群振幅值剔除算法公式：
计算所有元素的中位值Xmedian；
计算所有元素中位值的绝对偏差：
Bias_value＝fabs(Xi-Xmedian)；
取得绝对偏差的中位值Value_mad＝Bias_median；
求取每个数据离散点与中位值的查并和绝对偏差中位值作相除：
Median_i＝fabs(Value_i-Xmedian)/Value_mad；
基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；
求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。
2.如权利要求1所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，当地震波波形偏离波道时，进行去线性趋势预处理。
3.如权利要求2所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，在去线性趋势处理的过程中，求取地震波波形线性梯度，根据线性梯度调整地震波波形。
4.如权利要求1所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，在地震波数据预处理的过程中，对所有地震波数据进行坏道预处理。
5.如权利要求1所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，在地震波数据预处理的过程中，对所有地震波数据进行带通滤波预处理，筛选出指定区间的地震波波形。
6.如权利要求1所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，在剔除离群振幅值的过程中，以拟合点距离中位值的偏差来确定离群点并进行剔除。
7.如权利要求1所述的地震直达波波速计算方法，其特征在于，再次拟合直线的过程中，基于时间上下限内最大幅值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，得到再次拟合的直线。
8.一种地震直达波波速计算系统，其特征在于，包括：
接收及预处理模块，其用于接收并预处理所有波道的地震波数据，地震波数据包括震源点与检波器接收点绕隧道曲面的距离及检波器采样的时间；
初始拟合模块，其用于查找预处理后每一道波形最大振幅峰值对应的距离和时间，形成相应拟合点，剔除离群振幅值，进行初始直线拟合；离群振幅值剔除算法公式：
计算所有元素的中位值Xmedian；
计算所有元素中位值的绝对偏差：
Bias_value＝fabs(Xi-Xmedian)；
取得绝对偏差的中位值Value_mad＝Bias_median；
求取每个数据离散点与中位值的查并和绝对偏差中位值作相除：
Median_i＝fabs(Value_i-Xmedian)/Value_mad；
再次拟合模块，其用于基于岩体的波速上下限及初始直线，获取每一道波形的时间上下限，进而查找出时间上下限内最大幅值及其对应的距离和时间，再次拟合直线；
波速求解模块，其用于求取再次拟合直线的斜率的倒数，直接得到地震直达波波速。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的地震直达波波速计算方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的地震直达波波速计算方法中的步骤。
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