CN112882098B - 一种天然源面波速度计算及地形校正方法 - Google Patents

一种天然源面波速度计算及地形校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种天然源面波速度计算及地形校正的方法，包括如下步骤：步骤一、利用串行相关算法计算各道的天然源面波数据中面波信号；步骤二、对各道面波信号进行快速傅立叶变换，得到各道面波信号中各频率波形的相位和频率；步骤三、根据各检波器位置及各频率波形的相位和频率计算面波中各频率的速度，提取面波频散曲线；步骤四、根据各检波器位置，计算记录点位置，校正面波频散曲线。本发明根据各检波器坐标校正面波频散曲线，使面波勘探在地形起伏较大的区域提高了浅部勘探精度。

Description

一种天然源面波速度计算及地形校正方法
技术领域
本发明涉及工程勘察设计技术领域，具体是一种天然源面波速度计算及地形校正方法。
背景技术
目前天然源面波勘探在水利水电、公路铁路交通、市政工程等各行业勘察有广泛应用，根据面波速度可以划分地层、查找岩溶、孤石等。因天然源面波在最开始提出并得到应用是在深层勘探中，在浅部工程勘探中应用天然源面波就存在地形校正问题。在深部勘探中，地表起伏可以忽略，而工程勘探勘探目标浅，地形起伏大时，必须对面波结果进行地形校正。在深部勘探中，浅层部分可以视为均值薄层，而工程勘探探测对象即为浅层部分，必须对勘探成果记录点准确定位，才能取得精细勘探成果。
目前在天然源面波进行工程勘探常见采用规则布置，如线行、圆形、三角形等，记录点为检波器布置的对称中心位置，且不进行地形校正。在实际工作中在山地、堰塞体等地形起伏大或区域有限的位置检波器往往不能按规则布置，各检波器高程相差较大，则必须对面波成果进行地形校正。
发明内容
本发明的目的是提供一种更适用于天然源面波浅层工程勘察的天然源面波速度计算及地形校正方法，可以进行地形校正、较准确定位记录点位置的面波频散曲线计算，即记录点位置及记录点处岩土体的面波速度。
本发明采用如下技术方案以实现上述目的：
一种天然源面波速度计算及地形校正方法，包括如下步骤：
步骤一、利用串行相关算法(式1)计算面波勘探中各道检波器信号中的面波信号：
Figure BDA0002907026770000021
式中：R(k)代表面波信号在第k个点的值；Xi代表检波器信号在第i个点的值；i代表信号中第i个值的序号；n代表信号共有n个数值；
步骤二、对各道面波信号进行快速傅立叶变换(式2)，得到面波各频率分量的相位和频率(式3、式4)：
Figure BDA0002907026770000022
Figure BDA0002907026770000023
fk＝(k-1)/(Δt·n)k＝1,2,……,n/2 (4)
式中：S(k)代表串行相关后R(k)傅立叶变换信号；s(k)代表傅立叶变换信号后第k个点的值；Ak代表信号第k个点的幅值，即面波信号幅值；fk代表傅立叶变换后面波信号第k各点的频率；
Figure BDA0002907026770000024
代表傅立叶变换后面波第k点相位；面波信号Δt代表面波信号的采样间隔；n代表面波信号采样长度。
步骤三、根据各检波器位置及步骤二中各频率分量的相位和频率计算面波中各频率的速度，提取面波频散曲线(式5、式6、式7)：
Figure BDA0002907026770000025
Figure BDA0002907026770000026
Figure BDA0002907026770000027
式中：Lij代表第i道检波器与第j道检波器空间距离；xi、yi、zi代表第i道检波器的空间位置坐标；Vfk,ij代表第i、j道间频率为fk的面波速度；
Figure BDA0002907026770000028
代表第i道频率为fk的面波相位；Vfk代表频率为fk的面波速度；
根据面波所反映深度为波长一半原理，计算不同频率面波速度对应深度深度(公式8)：
Figure BDA0002907026770000031
频率为fk的面波速度Vfk及对应深度Hfk作为横、纵坐标组成频散曲线上频率为fk时的点，各不同频率的点组成面波记录的频散曲线；
步骤四、利用最小二乘法，根据各检波器位置，计算记录点位置F(x,y,z)，校正面波频散曲线(式9)：
Figure BDA0002907026770000032
式中：x、y、z代表记录点空间坐标值，即记录点位置；xi、yi、zi代表第i个检波器的空间坐标值；n代表检波器数量；
根据检波器的分布半径和最大面波勘探深度记录点计算地形深度校正系数，将频散曲线上每个深度记录点位置按对应地面半径内检波器坐标的投影面进行垂直投影校正，计算校正后频散点记录点坐标位置，检波器的分布半径为步骤四计算的记录点位置到距离记录点距离最远的检波器距离。
进一步的，在步骤一串行相关算法处理前，对检波器接收到的信号先进行去均值、去趋势预处理，对串行相关算法处理后的面波信号进行归一化处理。
进一步的，根据记录点位置校正面波频散曲线具体步骤如下：根据检波器的分布半径和最大面波勘探深度记录点计算地形深度校正系数，将频散曲线上每个深度记录点位置按对应地面半径内检波器坐标的投影面进行垂直投影校正，计算校正后频散点记录点坐标位置，检波器的分布半径为步骤四计算的记录点位置到距离记录点距离最远的检波器距离。
本发明具有如下有益效果：
1.不需要检波器按规则形状布置，便于在地形起伏较大及工作区域有限的情况下开展工作。
2.计算面波速度时增加了检波器高程分量，面波速度值更准确。
3.对不规则布置的检波器的面波速度记录点进行计算定位，对不同深度速度记录点进行地形校正，使面波速度记录点更准确，提高浅部面波勘探成果精度。
4.实用便捷，计算快，原理清楚，使工作人员易于理解原理，便于野外工作时根据情况，调整参数，取得准确的勘探成果。
附图说明
图1为本发明实施例计算的面波速度频散曲线图；
图2为本发明实施例校正后面波速度频散曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
本发明实施例提供一种天然源面波速度计算及地形校正方法，包括如下步骤：
步骤一、利用串行相关算法(式1)计算面波勘探中各道检波器信号中面波信号：
Figure BDA0002907026770000041
式中：R(k)代表面波信号在第k个点的值；Xi代表检波器信号在第i个点的值；i代表信号中第i个值的序号；n代表信号共有n个数值。
串行相关算法处理前，对检波器接收到的信号先进行去均值、去趋势等预处理，对串行相关算法处理后的面波信号进行归一化处理。
步骤二、对各道面波信号进行快速傅立叶变换(式2)，得到面波各频率分量的相位和频率(式3、式4)：
Figure BDA0002907026770000051
Figure BDA0002907026770000052
fk＝(k-1)/(Δt·n)k＝1,2,……,n/2 (4)
式中：S(k)代表傅立叶变换信号后第k个点的值；Ak代表信号第k个点的幅值；fk代表傅立叶变换后面波信号第k个点的频率；
Figure BDA0002907026770000053
代表傅立叶变换后面波第k个点的相位；面波信号Δt代表面波信号的采样间隔，单位：毫秒(ms)；n代表面波信号采样长度；
步骤三、根据各检波器位置及步骤二中各频率分量的相位和频率计算面波中各频率的速度，提取面波频散曲线(式5、式6、式7)：
Figure BDA0002907026770000054
Figure BDA0002907026770000055
Figure BDA0002907026770000056
式中：Lij代表第i道检波器与第j道检波器空间距离；xi、yi、zi代表第i道检波器的空间位置坐标；Vfk,ij代表第i、j道间频率为fk的面波速度；
Figure BDA0002907026770000057
代表第i道频率为fk的面波相位；Vfk代表频率为fk的面波速度；
根据面波勘探深度为面波波长一半原理，计算不同频率面波速度对应深度(公式8)：
Figure BDA0002907026770000061
频率为fk的面波速度Vfk及对应深度Hfk作为横、纵坐标组成频散曲线上频率为fk时的点，各不同频率的点组成面波记录的频散曲线，如图1所示。
步骤四、利用最小二乘法，根据各检波器的空间位置坐标，计算记录点位置F(x,y,z)，校正面波频散曲线(式9)：
Figure BDA0002907026770000062
式中：x、y、z代表记录点空间坐标值，即记录点位置；xi、yi、zi代表第i个检波器的空间坐标值；n代表检波器数量。
根据检波器的分布半径(步骤四计算的记录点位置到距离记录点距离最远的检波器距离)和最大面波勘探深度记录点计算地形深度校正系数，将频散曲线上每个深度记录点位置按对应地面半径内检波器坐标的投影面进行垂直投影校正，计算校正后频散点记录点坐标位置，校正后面波速度频散曲线图如图2所示。
本发明的优点是：
1.不需要检波器按规则形状布置，便于在地形起伏较大及工作区域有限的情况下开展工作；
2.计算面波速度时增加了检波器高程分量，这样计算的面波速度值更准确；
3.对不规则布置的检波器的面波速度记录点进行计算定位，对不同深度速度记录点进行地形校正，使面波速度记录点更准确，提高浅部面波勘探成果精度；
4.实用便捷，计算快，原理清楚，使工作人员易于理解原理，便于野外工作时根据情况，调整参数，取得准确的勘探成果。在国家重点研发计划重点专项项目——堰塞湖风险评估快速检测与应急抢险技术和装备研发(项目编号：2018YFC1508600)对4处堰塞体进行天然源面波勘探试验过程中，采用本方法后，平均误差降低3.8％，具体如表1所示：
表1天然源面波处理对比表
Figure BDA0002907026770000071
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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 (3)

1.一种天然源面波速度计算及地形校正的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、利用串行相关算法计算面波勘探中各道检波器信号中的面波信号：
Figure FDA0003479961500000011
式中：R(k)代表面波信号在第k个点的值；Xi代表检波器信号在第i个点的值；i代表信号中第i个值的序号；n代表信号共有n个数值；
步骤二、对各道面波信号进行快速傅立叶变换，得到面波各频率分量的相位和频率
Figure FDA0003479961500000012
Figure FDA0003479961500000013
fk＝(k-1)/(Δt·n) k＝1,2,……,n/2 (4)
式中：S(k)代表串行相关后面波信号R(k)的傅立叶变换信号；s(k)代表傅立叶变换信号后第k个点的值；Ak代表信号第k个点的幅值，即面波信号幅值；fk代表傅立叶变换后面波信号第k各点的频率；
Figure FDA0003479961500000014
代表傅立叶变换后面波第k点相位；面波信号Δt代表面波信号的采样间隔；n代表面波信号采样长度；
步骤三、根据各检波器位置及步骤二中各频率分量的相位和频率计算面波中各频率的速度，提取面波频散曲线：
Figure FDA0003479961500000015
Figure FDA0003479961500000016
Figure FDA0003479961500000021
式中：Lij代表第i道检波器与第j道检波器空间距离；xi、yi、zi代表第i道检波器的空间位置坐标；Vfk,ij代表第i、j道间频率为fk的面波速度；
Figure FDA0003479961500000022
代表第i道频率为fk的面波相位；Vfk代表频率为fk的面波速度；
根据面波所反映深度为波长一半原理，计算不同频率面波速度对应深度：
Figure FDA0003479961500000023
频率为fk的面波速度Vfk及对应深度Hfk作为横、纵坐标组成频散曲线上频率为fk时的点，各不同频率的点组成面波记录的频散曲线；
步骤四、利用最小二乘法，根据各检波器位置计算记录点位置，根据记录点位置校正面波频散曲线：
Figure FDA0003479961500000024
式中：x、y、z代表记录点空间坐标值，即记录点位置；xi、yi、zi代表第i个检波器的空间坐标值；n代表检波器数量。
2.如权利要求1所述的天然源面波速度计算及地形校正的方法，其特征在于：在步骤一串行相关算法处理前，对检波器接收到的信号先进行去均值、去趋势预处理，对串行相关算法处理后的面波信号进行归一化处理。
3.如权利要求1所述的天然源面波速度计算及地形校正的方法，其特征在于：根据记录点位置校正面波频散曲线具体步骤如下：根据检波器的分布半径和最大面波勘探深度记录点计算地形深度校正系数，将频散曲线上每个深度记录点位置按对应地面半径内检波器坐标的投影面进行垂直投影校正，计算校正后频散点记录点坐标位置，检波器的分布半径为步骤四计算的记录点位置到距离记录点距离最远的检波器距离。
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