CN112684504A - 一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，先组装移动探测装置，移动探测装置由多个探测单元等间距组成，采用移动探测装置在目标探测区域内每采集一次散射波信号，则移动一次，从而快速高效地完成多次散射波采集；然后将上述采集的信号数据建立城市地下全散射模型来进行散射波的多次覆盖成像，将孔径D_x范围内多次采集过程的散射波信号叠加计算，采用不同排列采集时相应的偏移速度进行成像，提高了散射波的提取能力和探测精度；最后根据全散射速度剖面和成像剖面采用已知方法综合分析异常位置与大小，实现对城市地下空洞的快速、准确地探测。

Description

一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法

技术领域

本发明涉及一种城市地下空洞探测方法，具体是一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法。

背景技术

随着社会经济的发展，城市化进程加快，城市地下空间开发利用是缓解城市资源匮乏、改善环境状况及提升居民生活品质的重要途径。尤其近些年来，全国许多城市开始建设地铁。与此同时，地铁施工过程中会造成路面塌陷和隧道突水、突泥等事故频发，由此引起的城市公共安全和施工安全问题日益受到社会关注，据统计其中69％的事故是由地下空洞(土洞、溶洞)等不利地质条件引起的。因此，需要一种可适用于城市环境下的地下空洞探测方法来高效、准确地提前查明地下异常地质体，指导城市地下空间的安全开发，保障城市公共安全。

在城市中进行地球物理勘探面临以下难题：(1)城市中受限的施工空间和时间；(2)城市地下介质复杂，环境噪声影响大；(3)地下空洞的尺度小、不规则，因此对探测精度要求高。而目前常用的地球物理方法均存在不同的缺陷，如探地雷达的探测深度有限，且受地下水和城市环境电磁场影响大；直流电法存在体积效应，且无法在城市中施工；浅层反射地震法难以获得有效的反射波，且施工效率低。因此如何能在克服上述难题的前提下，快速、准确的探测出城市地下空洞的位置是本行业的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，通过建立城市地下全散射模型来进行散射波的多次覆盖成像，从而快速、准确的对地下空洞进行探测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，具体步骤为：

步骤一：先组装移动探测装置，移动探测装置由多个探测单元等间距组成，探测单元之间采用连接杆连接，所述探测单元包括钢轮、滚动轴和两个检波器，滚动轴穿过钢轮中心并通过黄油与其耦合(采用黄油耦合可降低地震信号在传播过程中的衰减)，两个检波器对称设置在钢轮两侧(这样对称设置可表示为两者接收的是同一检波点水平对称两个分量的信号)，且分别通过两个固定杆与滚动轴两端固定连接，所述连接杆的材质为弹性橡胶材质，所述钢轮和固定杆的材质均为刚性材质；刚性材质作为高速导波介质，可降低地震信号在传播过程中的衰减；弹性橡胶材质的连接杆可保证在地面不足够平整时相邻的钢轮均能与地面接触，同时该材质具有较好的吸收波作用，从而保证相邻探测单元接收的波不会相互串通影响；

步骤二：先在地面确定目标探测区域，设移动探测装置的探测单元数量为N，相邻探测单元之间的距离为X_r，移动探测装置放置在目标探测区域的一端，然后在分别距离移动探测装置两端X_off处均设置一个锤击点，然后在两个锤击点各进行一次锤击，移动探测装置中的各个检波器实时接收地下反馈的散射波信号，并传递给地震分析仪进行记录；完成后将移动探测装置沿目标探测区域的长度方向以X_s步距移动到下一位置，并重复上述锤击及信号采集过程，如此重复多次采集，直至完成整个目标探测区域的探测过程；

步骤三：在探测区域建立全散射模型，其中探测区域走向长度为X、纵深长度为Z，则探测区域划分为m×n个网格，将每个网格假定为散射点；

步骤四：将每个探测单元中的两道检波器信号直接相加输出一道信号作为此探测单元所处位置的合成信号；

步骤五：根据已有地勘资料计算与标定每一网格的初始叠加速度V_mn，在(V_mn-Δv，V_mn+Δv)的区间内以不同速度计算此网格在同一次采集过程中不同检波器旅行时t₁、t₂……t_n，将相应时刻的合成信号取平方能量均值E，其中E最大值对应的速度为此网格在该次采集过程中的偏移速度V_mig；

步骤六：以探测区域最大目标深度选定孔径D_x范围(即D_x＝k Z_max,1≤k≤2,Z_max为最大探测深度)，进而确定在该范围内的采集次数，然后根据步骤五获取该网格各次采集时的偏移速度，并依次获取其他所有网格在该范围内各次采集时的偏移速度；

步骤七：根据步骤六获得的数据，将处于各个网格中心点各自正上方采集时(即移动探测装置的中点距离网格中心点在地面的投影最近时)的偏移速度作为其各自的剖面速度，从而形成全散射模型的速度剖面；

步骤八：计算单个网格在孔径D_x范围内各次采集过程中散射波信号的最大平方能量均值E的总和，作为此网格的散射波叠加信号；

步骤九：根据步骤八依次计算所有网格的散射波叠加信号，由此获得探测区域内全散射成像剖面；

步骤十：根据全散射速度剖面和成像剖面采用已知方法综合分析异常位置与大小，实现对城市地下空洞的快速探测。

进一步，所述步骤四具体为：

设同一探测单元的两个检波器分别为a和b，两个检波器与垂直方向的夹角均为α，两个检波器的接收方向信号向量分别为

和

对其进行沿走向长度X和沿纵深长度Z的分解，得到：

式中f为不同分量上的信号能量，由于两个检波器水平分量相反，垂直分量一致，进而将两个检波器信号直接相加，可得：

从而使合成信号增加了纵深方向上的纵波能量，削弱了走向上的横波、面波的能量，有效提高信号的信噪比。

进一步，所述步骤五具体为：

(1)根据步骤三建立的模型，设任一网格中心位置为(x_m，z_n)，计算任一次采集过程中各个检波器与当前网格的散射波传播旅行时：

式中t_s为散射波从震源到当前网格的旅行时，t_r为散射波从当前网格到检波器的旅行时，x_s和x_r分别为震源和检波器的水平方向坐标，V为初始叠加速度V_mn在Δv速度窗内选取的扫描速度；

(2)对该次采集过程内不同检波器散射波到时t时刻延时时窗Δt内的信号计算其平方能量均值：

(3)在设定的速度窗(V_mn-Δv，V_mn+Δv)内依次计算此网格在该次采集过程中不同叠加速度下的能量均值E，当E最大时对应的速度为此网格在该次采集过程中的最优叠加速度，记为偏移速度V_mig。

由于同一网格产生的散射波在不同排列中的传播路径存在差异，其相应的偏移速度也存在差异，此步骤可获得某个网格对于不同排列的偏移速度，可获得更为准确的速度，解决城市地下介质复杂问题，提高了成像的准确度。

与现有技术相比，本发明采用移动探测装置在目标探测区域内每采集一次散射波信号，则移动一次，从而快速高效地完成多次散射波采集；然后将上述采集的信号数据建立城市地下全散射模型，将孔径D_x范围内多次采集过程的散射波信号叠加计算时，采用不同采集时相应的偏移速度进行成像，提高了散射波的提取能力和探测精度；另外采用的移动探测装置进行多次移动采集的方式，还能解决城市中无法铺设长地震测线而带来的覆盖次数不足、成像效果不佳的问题，因此本发明能快速、准确地对城市地下空洞进行探测。

附图说明

图1是本发明中探测单元的结构示意图；

图2是本发明中移动探测装置的结构示意图；

图3是本发明中的空洞散射波多次采集过程的示意图；

图4是本发明中探测单元的信号合成示意图；

图5是本发明中地下散射点的散射波传播路径图；

图6是本发明得出的全散射模型及成像剖面图；图中颜色深度差异代表散射波叠加信号的强弱，颜色越深则信号越强。

图中：1、检波器，2、固定杆，3、滚动轴，4、钢轮，5、连接杆。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，本发明的具体步骤为：

步骤一：先组装移动探测装置，移动探测装置由多个探测单元等间距组成，探测单元之间采用连接杆5连接，所述探测单元包括钢轮4、滚动轴3和两个检波器1，滚动轴3穿过钢轮4中心并通过黄油与其耦合(采用黄油耦合可降低地震信号在传播过程中的衰减)，两个检波器1对称设置在钢轮4两侧(这样对称设置可表示为两者接收的是同一检波点水平对称两个分量的信号)，且分别通过两个固定杆2与滚动轴3两端固定连接，所述连接杆5的材质为弹性橡胶材质，所述钢轮4和固定杆2的材质均为刚性材质；刚性材质作为高速导波介质，可降低地震信号在传播过程中的衰减；弹性橡胶材质的连接杆5可保证在地面不足够平整时相邻的钢轮均能与地面接触，同时该材质具有较好的吸收波作用，从而保证相邻探测单元接收的波不会相互串通影响；

步骤二：先在地面确定目标探测区域，设移动探测装置的探测单元数量为N，相邻探测单元之间的距离为X_r，移动探测装置放置在目标探测区域的一端，然后在分别距离移动探测装置两端X_off处均设置一个锤击点，然后在两个锤击点各进行一次锤击，移动探测装置中的各个检波器1实时接收地下反馈的散射波信号，并传递给地震分析仪进行记录；完成后将移动探测装置沿目标探测区域的长度方向以X_s步距移动到下一位置，并重复上述锤击及信号采集过程，如此重复多次采集，直至完成整个目标探测区域的探测过程；

步骤三：在探测区域建立全散射模型，其中探测区域走向长度为X、纵深长度为Z，则探测区域划分为m×n个网格，将每个网格假定为散射点；

步骤四：将每个探测单元中的两道检波器信号直接相加输出一道信号作为此探测单元所处位置的合成信号，具体为：

设同一探测单元的两个检波器1分别为a和b，两个检波器1与垂直方向的夹角均为α，两个检波器1的接收方向信号向量分别为

和

对其进行沿走向长度X和沿纵深长度Z的分解，得到：

式中f为不同分量上的信号能量，由于两个检波器水平分量相反，垂直分量一致，进而将两个检波器信号直接相加，可得：

从而使合成信号增加了纵深方向上的纵波能量，削弱了走向上的横波、面波的能量，有效提高信号的信噪比。

步骤五：根据已有地勘资料计算与标定每一网格的初始叠加速度V_mn，在(V_mn-Δv，V_mn+Δv)的区间内以不同速度计算此网格在同一次采集过程中不同检波器旅行时t₁、t₂……t_n，将相应时刻的合成信号取平方能量均值E，其中E最大值对应的速度为此网格在该次采集过程中的偏移速度V_mig；具体为：

(1)根据步骤三建立的模型，设任一网格中心位置为(x_m，z_n)，计算任一次采集过程中各个检波器1与当前网格的散射波传播旅行时：

式中t_s为散射波从震源到当前网格的旅行时，t_r为散射波从当前网格到检波器1的旅行时，x_s和x_r分别为震源和检波器1的水平方向坐标，V为初始叠加速度V_mn在Δv速度窗内选取的扫描速度；

(2)对该次采集过程内不同检波器散射波到时t时刻延时时窗Δt内的信号计算其平方能量均值：

(3)在设定的速度窗(V_mn-Δv，V_mn+Δv)内依次计算此网格在该次采集过程中不同叠加速度下的能量均值E，当E最大时对应的速度为此网格在该次采集过程中的最优叠加速度，记为偏移速度V_mig。

由于同一网格产生的散射波在不同排列中的传播路径存在差异，其相应的偏移速度也存在差异，此步骤可获得某个网格对于不同排列的偏移速度，可获得更为准确的速度，解决城市地下介质复杂问题，提高了成像的准确度。

步骤六：以探测区域最大目标深度选定孔径D_x范围(即D_x＝k Z_max,1≤k≤2,Z_max为最大探测深度)，进而确定在该范围内的采集次数，然后根据步骤五获取该网格各次采集时的偏移速度，并依次获取其他所有网格在该范围内各次采集时的偏移速度；

步骤七：根据步骤六获得的数据，将处于各个网格中心点各自正上方采集时(即移动探测装置的中点距离网格中心点在地面的投影最近时)的偏移速度作为其各自的剖面速度，从而形成全散射模型的速度剖面；

步骤八：计算单个网格在孔径D_x范围内各次采集过程中散射波信号的最大平方能量均值E的总和，作为此网格的散射波叠加信号；

步骤九：根据步骤八依次计算所有网格的散射波叠加信号，由此获得探测区域内全散射成像剖面；

步骤十：根据全散射速度剖面和成像剖面采用已知方法综合分析异常位置与大小，实现对城市地下空洞的快速探测。

Claims (3)

1.一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：先组装移动探测装置，移动探测装置由多个探测单元等间距组成，探测单元之间采用连接杆连接，所述探测单元包括钢轮、滚动轴和两个检波器，滚动轴穿过钢轮中心并通过黄油与其耦合，两个检波器对称设置在钢轮两侧，且分别通过两个固定杆与滚动轴两端固定连接，所述连接杆的材质为弹性材质，所述钢轮和固定杆的材质均为刚性材质；

步骤二：先在地面确定目标探测区域，设移动探测装置的探测单元数量为N，相邻探测单元之间的距离为X_r，移动探测装置放置在目标探测区域的一端，然后在分别距离移动探测装置两端X_off处均设置一个锤击点，然后在两个锤击点各进行一次锤击，移动探测装置中的各个检波器实时接收地下反馈的散射波信号，并传递给地震分析仪进行记录；完成后将移动探测装置沿目标探测区域的长度方向以X_s步距移动到下一位置，并重复上述锤击及信号采集过程，如此重复多次采集，直至完成整个目标探测区域的探测过程；

步骤三：在探测区域建立全散射模型，其中探测区域走向长度为X、纵深长度为Z，则探测区域划分为m×n个网格，将每个网格假定为散射点；

步骤四：将每个探测单元中的两道检波器信号直接相加输出一道信号作为此探测单元所处位置的合成信号；

步骤五：根据已有地勘资料计算与标定每一网格的初始叠加速度V_mn，在(V_mn-Δv，V_mn+Δv)的区间内以不同速度计算此网格在同一次采集过程中不同检波器旅行时t₁、t₂……t_n，将相应时刻的合成信号取平方能量均值E，其中E最大值对应的速度为此网格在该次采集过程中的偏移速度V_mig；

步骤六：以探测区域最大目标深度选定孔径D_x范围，进而确定在该范围内的采集次数，然后根据步骤五获取该网格各次采集时的偏移速度，并依次获取其他所有网格在该范围内各次采集时的偏移速度；

步骤七：根据步骤六获得的数据，将处于各个网格中心点各自正上方采集时的偏移速度作为其各自的剖面速度，从而形成全散射模型的速度剖面；

步骤八：计算单个网格在孔径D_x范围内各次采集过程中散射波信号的最大平方能量均值E的总和，作为此网格的散射波叠加信号；

步骤九：根据步骤八依次计算所有网格的散射波叠加信号，由此获得探测区域内全散射成像剖面；

步骤十：根据全散射速度剖面和成像剖面采用已知方法综合分析异常位置与大小，实现对城市地下空洞的快速探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

设同一探测单元的两个检波器分别为a和b，两个检波器与垂直方向的夹角均为α，两个检波器的接收方向信号向量分别为

和

对其进行沿走向长度X和沿纵深长度Z的分解，得到：

式中f为不同分量上的信号能量，由于两个检波器水平分量相反，垂直分量一致，进而将两个检波器信号直接相加，可得：

从而使合成信号增加了纵深方向上的纵波能量，削弱了走向上的横波、面波的能量，有效提高信号的信噪比。

3.根据权利要求2所述的一种基于全散射模型的城市地下空洞快速探测方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

(1)根据步骤三建立的模型，设任一网格中心位置为(x_m，z_n)，计算任一次采集过程中各个检波器与当前网格的散射波传播旅行时：

式中t_s为散射波从震源到当前网格的旅行时，t_r为散射波从当前网格到检波器的旅行时，x_s和x_r分别为震源和检波器的水平方向坐标，V为初始叠加速度V_mn在Δv速度窗内选取的扫描速度；

(2)对该次采集过程内不同检波器散射波到时t时刻延时时窗Δt内的信号计算其平方能量均值：

(3)在设定的速度窗(V_mn-Δv，V_mn+Δv)内依次计算此网格在该次采集过程中不同叠加速度下的能量均值E，当E最大时对应的速度为此网格在该次采集过程中的最优叠加速度，记为偏移速度V_mig。

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