CN112904425B - 基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置，所述方法包括：获取海床表面至少3个检波器单元按照指定间隔时长采集的海底噪声信号，检波器单元分布在同一圆周上；将各检波器单元采集的海底噪声信号进行傅里叶变换得到频域数据；在频域计算各检波器单元采集的海底噪声信号关于各频率的空间自相关系数，空间自相关系数等价于零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数比值的平方；根据空间自相关系数计算各频率对应的贝塞尔函数的宗量，并根据宗量计算各频率面波的相速度，得到面波频散数据；根据面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。本发明极大减小了能耗，降低了测量成本，提高了工作效率，不会对地层造成扰动。
Description
技术领域
本发明涉及海底沉积物剪切波速测量技术领域，尤其涉及一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置。
背景技术
剪切波速是表征沉积物工程地质性质的重要因素之一，是判断土体抗剪切特性的根本指标。海洋沉积物在外动力作用(如波浪、底流、台风、风暴潮等)、内动力作用(如海底地震、火山活动等)，以及人类从事海底资源(如天然气水合物等)开采的工程活动中，都会引起沉积物物理力学性质的变化，导致其抗剪切能力降低，进一步的，会诱发海床沉降变形、海底滑坡、滑塌、重力流等海底地层失稳问题，严重危害海洋油气平台、海底管线、光缆/电缆等海洋工程设施的安全。
目前海洋沉积物剪切波速的测试方法包括：实验室测量法、孔内剪切波速测试法(又分为单孔悬挂式测井法和跨孔法)和贯入式原位测试法。
实验室测量法是通过勘探船上的取样器从海床表层取回沉积物样品，然后利用剪切波测量仪器在实验室内测量剪切波速。但由于海洋沉积物多为松软沉积物，黏土和软泥的含量高，目前的取样设备(如抓斗、柱状取样器等)取样过程中均会扰动沉积物，从而改变了原来的存在状态。此外，海水的温度和压力对沉积物的剪切波速也有显著影响的，原本处于海底的沉积物被取回到海面后，温度和压力的影响消失。两种因素的影响都会导致测量结果不准确，而且取样成本也很高。
单孔悬挂式测井法是陆域岩土工程勘察中经常使用的孔内剪切波速测试方法的一种延续。这种方法需要利用勘探船上的钻机先在海床上钻孔，然后把电子激振器和检波器置于孔内，并采用自孔底向孔口逐点提升的方式实施测试。但由于海床沉积物的松软特性，钻孔容易坍塌，导致设备无法取回而造成误工和经济损失。也有通过在钻孔内安置PVC套管护壁的方式开展剪切波测试的案例，但套管的存在会引入不希望的假信号，且由于接收装置经常触碰套管，导致数据质量降低，无法保障测试数据的精度。
跨孔法是指在海床上钻出多个孔深较深的钻孔，在其中一个钻孔内安置电子激振器，其他钻孔内安置检波器，并采用自孔底向孔口逐点提升电子激振器和检波器的方式实施测试。很明显，跨孔法比单孔悬挂式测井法成本更高、效率更低；同时，因施工工艺的相似性，同样也存在设备无法取回、无法保障数据精度的缺点。
贯入式原位测试法采用探杆上安装电子激振器和检波器，在将探杆释放入海水中后，借助钻杆上的配重块实现探杆的重力贯入，或依靠推进装置(目前有勘探船上的静力推进器和液压贯入装置)将探杆压入海床中，再实施测试的一种方法。该方法的缺点是：需要其他设备配合使用，施工技术要求高、成本高；如遇到硬质海床，贯入过程中探杆易弯曲变形损坏测量设备造成经济损失；受探杆贯入强度的影响，贯入深度有限(目前最大10m左右)，因而只能测量海床浅表层沉积物的剪切波速；此外，贯入式原位测试设备中的探杆、采集单元和供电电池多采用一体化的方式，探杆中电子激振器激发信号所需要的电能占据整个装置耗电的绝大部分，在水下(尤其是深海环境)，依赖常规蓄电池供电的方式无法保障长时间的测试工作，也容易发生爆炸事故。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，简化海底沉积物剪切波速的测量方法。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，所述方法包括：
获取海床表面至少3个检波器单元按照指定间隔时长采集的海底噪声信号，所述检波器单元分布在同一圆周上；
将各检波器单元采集的海底噪声信号进行傅里叶变换得到频域数据；
在频域计算各检波器单元采集的海底噪声信号关于各频率的空间自相关系数，所述空间自相关系数等价于零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数比值的平方；
根据所述空间自相关系数计算各频率对应的贝塞尔函数的宗量，并根据所述宗量计算各频率面波的相速度，得到面波频散数据；
根据所述面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
在一些实施例中，所述检波器单元等距离分布在所述圆周上。
在一些实施例中，所述空间自相关系数的计算式为：
其中，χ＝2πrf/c，SCCA(r，ω)为空间自相关系数，χ为贝塞尔函数的宗量，r为所述圆周的半径，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，π为圆周率，c为面波相速度，t表示时间，i为虚数单位，θ为检波器与参考方位之间的夹角，J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数，Z(t，r，θ)是检波器测量的噪声数据，PSD代表噪声的功率谱密度。
在一些实施例中，所述方法还包括：
将各所述检波器单元采集的数据分割为多个时段的数据，并分别计算面波频散数据，并进行均值化处理；
根据均值化处理后的面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
在一些实施例中，根据所述面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速，包括：
获取初始剪切波速模型，并基于面波传播方程计算参考面波频散数据，将所述参考面波频散数据与实测面波频散数据进行比对，并基于遗传反演算法的更新规则调整所述初始剪切波速模型，重复计算比对调整直至参考面波频散数据与实测面波频散数据吻合。
另一方面，本发明还提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，所述装置包括：
支撑架，所述支撑架底部设有圆环支撑件；
至少3个检波器单元，设置在所述圆环支撑件上，用于检测海底噪声信号；
数据采集单元，设置在所述支撑架上，用于采集所述检波器单元测得的海底噪声信号，并执行上述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法的步骤；
供电单元，设置在所述支撑架上，并向所述数据采集单元供电。
在一些实施例中，所述装置包括6个检波器单元，各检波器单元等距离设置在所述圆环支撑件上。
在一些实施例中，所述检波器单元采用固有频率为1Hz的检波器。
在一些实施例中，各检波器单元分别密封于球形的压力舱内，各检波器的底面与所述圆环支撑件所在的平面平行，所述压力舱连接固定于所述圆环支撑件上。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，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上述方法的步骤。
本发明的有益效果至少是：
所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置中，根据面波的相速度与剪切波速之间的对应关系，所述测量方法通过对海底天然噪声源进行检测，计算面波的频散数据，并通过遗传反演算法得到沉积物各深度的剪切波速，不依赖电子激振器来激发剪切波信号，不需要贯入海床或在海床上预先钻孔，在保障了测试精度和测试质量的同时，极大地减小了能耗，降低了测量成本，提高了工作效率，不会对地层造成扰动。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明一实施例所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法的数据处理流程示意图；
图3为本发明一实施例所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置的结构示意图；
图4为图3的仰视图；
图5为本发明一实施例所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置中各检波器单元与参考方位夹角示意图；
图6为本发明一实施例6个检波器单元采集到的信号图；
图7为根据图6计算得到的面波频散数据图；
图8为对图7中面波频散数据进行遗传反演得到的剪切波速随深度变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
利用剪切波速表征沉积物工程地质性质，判断土体抗剪切特性是现有工程地质检测的重要方法。目前海洋沉积物剪切波速的测试方法包括：实验室测量法、孔内剪切波速测试法(又分为单孔悬挂式测井法和跨孔法)和贯入式原位测试法，这些方法存在检测步骤复杂、检测成本高、容易对沉积物造成扰动的问题。
为了解决现有技术中的问题，本申请提出一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法。理论研究已经证实，面波的相速度与剪切波速具有相关性，在海洋松散沉积物中，剪切波速约等于面波相速度，通过随机噪声中面波数据可以获得海床某一深度沉积物的平均剪切波速，这个“深度”约等于面波波长的一半。显然，面波频率越小，其波长越大，探测深度也就越大。同时，面波在海床内传播时具有频散特性，即不同频率成份的面波具有不同的相速度，基于上述事实，本发明的技术方案通过分析不同频率面波的相速度就可以获得不同深度地层的剪切波速。基于上述事实，获得的面波频率越低，探测的深度也就越大，从而实现大深度范围内海床沉积物剪切波速的测试。
海底具有非常丰富的噪声源，不同的声源场产生不同频率的噪声。地壳运动是海洋中极低频噪声的主要来源，具有1～7Hz的准周期性；反向传播的海面波浪非线性相互作用会产生频率为5～10Hz以下的随机噪声；大气声源(如雷电)发出的声波能够耦合进入水下声场，其频率也在10Hz以下；航船航行会产生5～500Hz频率的声波；而深海的海流、内孤立波，以及破碎导致的涡旋和湍流作用则具有更宽的频率范围。这些波动通过水体传播到海底并与之相互作用引起沉积物颗粒的垂向和水平运动，在海床中则以体波(纵波和横波)和面波的形式传播，因面波衰减较慢，所以通常观测到的噪声成份中70％以上的都是面波。这些大量存在于自然环境中且频率成分丰富的噪声源恰好可以用于检测沉积物剪切波速。基于上述事实，本申请不再需要电子激振器来激发剪切波信号，而是利用了自然界中无时无刻都存在的噪声中的面波成分，因而能够有效解决装置耗电大的问题，极大降低了检测成本，有利于保障长时间的测试工作，并且不会对沉积物层造成扰动。
本发明所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，参照图1和图2，包括步骤S101～S105：
一方面，本发明提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，所述方法包括：
步骤S101：获取海床表面至少3个检波器单元按照指定间隔时长采集的海底噪声信号，检波器单元分布在同一圆周上。
步骤S102：将各检波器单元采集的海底噪声信号进行傅里叶变换得到频域数据。
步骤S103：在频域计算各检波器单元采集的海底噪声信号关于各频率的空间自相关系数，空间自相关系数等价于零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数比值的平方。
步骤S104：根据空间自相关系数计算各频率对应的贝塞尔函数的宗量，并根据宗量计算各频率面波的相速度，得到面波频散数据。
步骤S105：根据面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
在步骤S101中，通过检波器单元采集海底噪声信号，按照指定间隔时长进行采集以获取海底噪声的时域信号。本实施例中，检波器单元应采用固有频率较低的检波器，固有频率的高低是一个相对概念，固有频率越低，越能获得低频面波信号，也就越能获得更深的地层剪切波速，常用的低频检波器包括1Hz、2Hz、4Hz等，本实施例中优选1Hz的低频检波器单元。为了在后续步骤中精确计算各检波器单元之间关于不同频率面波的空间自相关系数，可以设置检波器单元在同一平面内。各检波器单元可以分布在同一圆周上，优选的，各检波器单元等距离分布在该圆环上。为了在后续步骤中计算得到较为精确的空间自相关系数，检波器单元至少设置3个，优选的，可以在同一圆周上等距离设置6个检波器单元。
在采集海底噪声信号的过程中，只需要将检波器单元沉放至指定海域的海床表面采集噪声信号即可。由于检波器单元采集的是天然噪声，因此不需要借助电子激振器，因此不需要在沉积物层上进行钻孔，不会扰动海床。
在步骤S102中，通过傅里叶变换将检波器单元采集到的时域上的海底噪声信号转换到频域上，以分离不同频率面波的信号。针对不同频率的面波信号，表现出不同的空间自相关特性，这种区别可以用于计算不同频率面波的相速度。
在步骤S103中，基于频域的海底噪声信号，针对不同频率的面波信号，分别计算各检波器单元所检测到的信号的空间自相关系数，同一频率面波对应的空间自相关系数等价于零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数比值的平方。
具体的，在本实施例中，空间自相关系数的计算式为：
χ＝2πrf/c； (2)
其中，SCCA(r，ω)为空间自相关系数，χ为贝塞尔函数的宗量，r为圆周的半径，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，π为圆周率，c为面波相速度，t表示时间，i为虚数单位；如图5所示，θ为检波器与参考方位之间的夹角，J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数，Z(t，r，θ)是检波器测量的噪声数据，PSD代表噪声的功率谱密度。
根据步骤S102中转换得到的频域的海底噪声信号，提取不同频率面波对应的信号，并基于式1计算各频率面波对应的空间自相关系数，进一步地，基于式1计算各频率面波对应的贝塞尔函数的宗量。
在步骤S104中，根据各频率面波对应的贝塞尔函数的宗量，基于式2计算各频率面波对应的面波相速度，并生成面波的频散数据，该频散数据包含面波频率及其对应的面波相速度。
由于面波的相速度与剪切波速具有相关性，在海洋松散沉积物中，剪切波速基本等于面波相速度，通过随机噪声中面波数据可以获得海床某一深度沉积物的平均剪切波速，这个“深度”约等于面波波长的一半。基于这种关联关系，本申请根据频散数据反演剪切波速，以得到沉积物各深度准确的剪切波速数据。
在步骤S105中，按照现有理论(参照《瑞雷波勘探》，杨成林等著，第129页)，面波频散数据对应了沉积物不同深度的剪切波速。因此，步骤S101～S104通过检测海底噪声测得的面波的频散数据，对海底沉积物不同深度的剪切波速进行反演。
具体的，本实施例中，根据面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速，包括：获取初始剪切波速模型，并基于面波传播方程计算参考面波频散数据，将参考面波频散数据与实测面波频散数据进行比对，并基于遗传反演算法的更新规则调整初始剪切波速模型，重复计算比对调整直至参考面波频散数据与实测面波频散数据吻合。具体的，面波传播方程可以采用瑞雷波方程(具体参照《瑞雷波勘探》，杨成林等著，第20页公式1·36和1·37)。
具体的，在反演过程中，首先给出一个猜测的剪切波速度模型，也即海底沉积物深度与剪切波速的对应模型。该猜测的剪切波速度模型可以是基于实测面波频散数据，参照面波相速度与频率的对应关系建立的(参照《瑞雷波勘探》，杨成林等著，第99-106页)。然后，基于猜测的剪切波速度模型，利用面波传播方程计算出参比面波频散数据，如瑞雷波方程，用算出的参比面波频散数据同步骤S104中通过空间自相关法获得的实测面波频散数据做最小二乘意义下的比对，如果计算得到的参比面波频散数据与实测面波频散数据的差别大于设定的误差限，按照遗传反演算法的规则对猜测的剪切波速度模型进行更新，然后重新代入面波传播方程计算出新的参比面波频散数据、再与实测面波频散数据比对，循环操作，直到计算出的参比面波频散数据曲线与实测面波频散数据曲线吻合，或二者误差小于预设值，将最后一次更新后的剪切波速度模型作为最终的反演结果。
在一些实施例中，步骤S101～S105中，所述方法还包括：将各检波器单元采集的数据分割为多个时段的数据，并分别计算面波频散数据，并进行均值化处理。根据均值化处理后的面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
在本实施例中，通过对检波器单元采集到的海底噪声信号进行分段，具体的，按照采集时间长度分为多个数据段，并分别根据每个时间段数据计算面波频散数据。通过将特定频率面波对应的相速度均值化处理，以获得更精确的面波频散数据。进一步的，基于均值化处理后的面波频散数据反演得到各深度海床地层的剪切波速。
另一方面，本发明还提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，所述装置包括：
支撑架110，支撑架110底部设有圆环支撑件140。至少3个检波器单元150，设置在圆环支撑件140上，用于检测海底噪声信号。数据采集单元120，设置在支撑架110上，用于采集检波器单元150测得的海底噪声信号，并执行上述步骤S101～S105中所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法。供电单元130，设置在支撑架110上，并向数据采集单元120供电。
在本实施例中，支撑架110的形状和结构没有限制，如可以采用三脚架，只要能够承载测量设备并起到支撑作用即可。在一些实施例中，支撑架110的顶部设有吊装环，用于固定吊装器件或绳索。支撑件底部的圆环支撑件140用于固定检波器单元150，检波器单元150用于识别海底噪声。数据采集单元120用于采集检波器单元150的数据，在一些实施例中，采集得到的数据可以直接通过电缆传输至计算机处理，在另一些实施例中，也可以设置存储器，将数据采集单元120获得的信号数据暂时存储在存储器中，并通过数据接口导出。该数据接口可以是有线的也可以是无线的。进一步地，供电单元130可以采用直流电池组，通过充电存储电能。也可以采用直流或交流充电接口，通过电缆线束供电。
在一些实施例中，所述装置包括6个检波器单元150，各检波器单元150等距离设置在圆环支撑件140上。本实施例中，通过设置多个检波器单元150以提高对空间自相关系数的检测精度，进一步地，将各检波器单元150等距离地设置在圆环支撑件140上，能够更稳定高效地采集海底噪声信号。
在一些实施例中，检波器单元150采用固有频率为1Hz的检波器，基于本申请中检测各深度沉积物层剪切波速的原理，检波器单元150所能检测到的面波波长越长则能够检测的沉积物深度越深。面波的波长越长则要求频率越低，而检波器的固有频率越低才能检测出频率更低的面波，也就能检测到深度更深的地层剪切波速。现有常用的低频检波器包括：1Hz、2Hz和4Hz等，在本实施例中优选1Hz的检波器。
在一些实施例中，各检波器单元150分别密封于球形的压力舱内，各检波器的底面与圆环支撑件140所在的平面平行，压力舱连接固定圆环支撑件140。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，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上述方法的步骤。
下面给出一个示例，对本发明所述方法及装置进行说明，具体内容如下：
本实施例中，提供一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，如图3和4所示，具有支撑框架，支撑框架上搭载有数据采集单元120、供电单元130和检波器单元150。供电单元130通过电缆连接于数据采集单元120，为数据采集单元120供电；各检波器单依次通过独立的电缆连接于数据采集单元120中的电路；检波器单元150至少设置3个，更多的检波器能够获得更好的数据质量，优选地，本实施例中采用6个检波器单元150；检波器单元150应采用固有频率较低的单分量(垂向分量)检波器，优选地，本实施例采用固有频率1Hz的检波器；各检波器单元150分别密封于球形的压力舱内，位于压力舱内的各检波器的底面应与圆环所在的平面平行，压力舱与支撑框架底部的圆环固定连接；各检波器之间的间距相等。
本发明中数据采集单元120具有成熟现有技术，供电单元130采用锂电池组，检波器单元150也采用现有的产品，因此不再赘述。
提供一种采用该设备进行海底剪切波速测试的方法，包括以下步骤：
1)先在勘探船的甲板上打开设备电源，启动测量设备，并设置采集单元的采集时间间隔、开始采集时间和结束采集时间。
2)当勘探船到达指定的测量地点后，用船上的绞车和缆绳将搭载测量设备的支撑框架下放于海床表面。
3)采集单元根据步骤1)中设定的采集模式开始测试，测试过程中会自动采集和保存噪声数据。
4)完成数据采集后，再用缆绳回收测量装置至甲板。
5)从采集单元的存储器中取出数据至任意的一台计算机。
6)数据处理。参照图1和图2，其基本流程为：
6-1读取各检波器测得的原始数据；
6-2使用傅里叶变换，将时间域数据变换到频率域；
6-3接着，在频率域计算6个检波器获得数据的空间自相关法系数，所用的公式为：
χ＝2πrf/c (2)
其中，SCCA(r，ω)为空间自相关系数，χ为贝塞尔函数的宗量，r为圆周半径，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，π为圆周率，c为面波相速度，t表示时间，i为虚数单位，θ为检波器与参考方位之间的夹角，应用中可选圆环中心与任一检波器的连线作为参考方位，按照逆时针方向为正的原则，其它检波器和圆环中心的连线与该参考方位所夹的角度即为θ(见图5)，J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数，Z(t，r，θ)是各检波器测量的噪声数据，PSD代表功率谱密度。
6-4计算贝塞尔函数的宗量χ，并依据公式c＝2πrf/χ计算面波频散数据。上述公式1已经表明空间自相关系数SCCA(r，ω)等价于零阶贝塞尔函数J0和一阶贝塞尔函数J1比值的平方，而空间相关系数可以从所有检波器获得的噪声信号分析中获得，且两者都与频率有关，所以通过计算每一个频率的贝塞尔函数的宗量，就可以得到相应频率面波的相速度，即面波频散数据。
在上面的步骤6-1～6-4中，如果将每个检波器接收到的数据很长，可分成不同的小数据段分别处理。可取各段计算结果的平均值，供后续处理步骤使用。
6-5根据步骤6-4计算的频散数据，利用遗传反演算法计算海床地层的剪切波速，最终得到剪切波速随深度变化曲线。
具体的，在反演过程中，首先给出一个猜测的剪切波速度模型，也即海底沉积物深度与剪切波速的对应模型。该猜测的剪切波速度模型可以是基于实测面波频散数据，参照面波相速度与频率的对应关系建立的(参照《瑞雷波勘探》，杨成林等著，第99-106页)。然后，基于猜测的剪切波速度模型，利用面波传播方程计算出参比面波频散数据，用算出的参比面波频散数据同步骤S104中通过空间自相关法获得的实测面波频散数据做最小二乘意义下的比对，如果计算得到的参比面波频散数据与实测面波频散数据的差别大于设定的误差限，按照遗传反演算法的规则对猜测的剪切波速度模型进行更新，然后重新代入面波传播方程计算出新的参比面波频散数据、再与实测面波频散数据比对，循环操作，直到计算出的参比面波频散数据曲线与实测面波频散数据曲线吻合，或二者误差小于预设值，将最后一次更新后的剪切波速度模型作为最终的反演结果。
下面给出一个实际应用场景的案例：
实验地点选择某近海海域开展，水深约15m。在到达预定地点之前，首先打开了设备电源，启动了测量设备，并设置采集单元的采集时间间隔为2ms、开始采集时间为当日10时、结束采集时间为11时。勘探船到达指定的测量地点后，用船上的绞车和缆绳将搭载测量设备的支撑框架下放于海床表面。数据采集单元于10时开始自动采集，11时结束采集，并自动保存了6个检波器单元整个时段内的噪声数据，如图6为某一时段采集的数据。然后回收设备至甲板，并从数据采集单元的存储器中取出数据至计算机。
接下来进行数据处理：(1)采用傅里叶变换将各检波器测得的原始数据从时间域变换到频率域；(2)用公式1计算所有检波器获得数据的空间自相关法系数；(3)依次计算每个频率的贝塞尔函数的宗量，得到面波频散数据，如图7；(4)利用遗传反演算法计算海床地层的剪切波速，最终得到剪切波速随深度变化曲线，如图8。
本发明中提供的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，不需要电子激振器来激发剪切波信号，能够有效解决装置耗电大的问题，有利于保障长时间的测试工作，工作效率高。
所述装置测试时不需要贯入海床或者在海床预先钻孔，降低了成本、提高了工作效率，且由于不会对地层造成任何的扰动，因而也保障了测试精度和测试质量。
本发明提供的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，利用不同频率面波成分的分析获得不同深度地层的剪切波速，能实现大深度范围内海床沉积物剪切波速的测试，对大型海洋工程建设具有重要的现实意义。
综上所述，所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法及装置中，根据面波的相速度与剪切波速之间的对应关系，所述测量方法通过对海底天然噪声源进行检测，计算面波的频散数据，并通过遗传反演算法得到沉积物各深度的剪切波速，不依赖电子激振器来激发剪切波信号，不需要贯入海床或在海床上预先钻孔，在保障了测试精度和测试质量的同时，极大减小了能耗，降低了测量成本，提高了工作效率，不会对地层造成扰动。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或示例的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
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，本发明实施例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 (9)
1.一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，其特征在于，所述方法包括：
获取海床表面至少3个检波器单元按照指定间隔时长采集的海底噪声信号，所述检波器单元分布在同一圆周上；
将各检波器单元采集的海底噪声信号进行傅里叶变换得到频域数据；
在频域计算各检波器单元采集的海底噪声信号关于各频率的空间自相关系数，所述空间自相关系数等价于零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数比值的平方；所述空间自相关系数的计算式为：
其中，χ＝2πrf/c，SCCA(r,ω)为空间自相关系数，χ为贝塞尔函数的宗量，r为所述圆周的半径，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，π为圆周率，c为面波相速度，t表示时间，i为虚数单位，θ为检波器与参考方位之间的夹角，J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数，Z(t,r,θ)是检波器测量的噪声数据，PSD代表噪声的功率谱密度；
根据所述空间自相关系数计算各频率对应的贝塞尔函数的宗量，并根据所述宗量计算各频率面波的相速度，得到面波频散数据；
根据所述面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
2.根据权利要求1所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，其特征在于，所述检波器单元等距离分布在所述圆周上。
3.根据权利要求1所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
将各所述检波器单元采集的数据分割为多个时段的数据，并分别计算面波频散数据，并进行均值化处理；
根据均值化处理后的面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速。
4.根据权利要求1所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法，其特征在于，根据所述面波频散数据，利用遗传反演算法计算得到各深度海床地层的剪切波速，包括：
获取初始剪切波速模型，并基于面波传播方程计算参考面波频散数据，将所述参考面波频散数据与实测面波频散数据进行比对，并基于遗传反演算法的更新规则调整所述初始剪切波速模型，重复计算比对调整直至参考面波频散数据与实测面波频散数据吻合。
5.一种基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，其特征在于，所述装置包括：
支撑架，所述支撑架底部设有圆环支撑件；
至少3个检波器单元，设置在所述圆环支撑件上，用于检测海底噪声信号；
数据采集单元，设置在所述支撑架上，用于采集所述检波器单元测得的海底噪声信号，并执行如权利要求1至4任意一项所述基于海底噪声的沉积物剪切波速测量方法的步骤；
供电单元，设置在所述支撑架上，并向所述数据采集单元供电。
6.根据权利要求5所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，其特征在于，所述装置包括6个检波器单元，各检波器单元等距离设置在所述圆环支撑件上。
7.根据权利要求6所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，其特征在于，所述检波器单元采用固有频率为1Hz的检波器。
8.根据权利要求7所述的基于海底噪声的沉积物剪切波速测量装置，其特征在于，各检波器单元分别密封于球形的压力舱内，各检波器的底面与所述圆环支撑件所在的平面平行，所述压力舱连接固定于所述圆环支撑件上。
9.一种电子设备，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至4任一项所述方法的步骤。
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