CN113189641A - 一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法；系统包括：人工锤击震源、多分量检波器、采集站主机、电脑以及若干数据传输线；方法为基于该系统采集分析和处理多模式瑞利波信号进行地下结构探测：首先利用垂向和水平向信号分析瑞利波不同模式的质点振动轨迹特征及其相位角曲线斜率差异，并据此对基阶模式和第一高阶模式瑞利波信号进行分离，进而在两个模式互不干扰的情况下提取基阶和第一高阶频散曲线，最后联合反演多模式频散曲线获得地层结构，实现对地下介质的探测。本发明提供的系统及方法利用两道多分量检波器采集瑞利波信号并对地下结构进行探测，减少了采集设备，降低了施工难度，同时提高了瑞利波探测的精度和准确性。

Description

一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法
技术领域
本发明属于地震面波探测方法领域；尤其涉及一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法。
背景技术
瑞利波是一种沿着地球自由表面扩散的地震波场，在传播过程中其不同频率成分的波动传播速度不同，具有频散的特性。理论与实践均已表明瑞利波的频散特征受其传播路径下方介质速度结构的控制，利用瑞利波的频散特性能够获得介质的内部结构，因此，瑞利波探测手段广泛应用于工程勘察、资源勘探、地球内部结构成像等不同领域中。
瑞利波具有多模式发育的特点，即某一频率会对应两个甚至多个传播速度(相速度)，通常将不同频率对应的以最低速度传播的部分称为瑞利波的基阶模式，速度较高一些的称为瑞利波的高阶模式，若有多个较高的传播速度则依次称为第一高阶模式瑞利波、第二高阶模式瑞利波等等，实际中通常能够观测到基阶和第一高阶模式。近年来的研究表明，瑞利波基阶模式的质点振动轨迹为“逆进”的椭圆，而第一高阶模式的质点振动轨迹为“顺进”的椭圆，二者在时间域记录中混叠在一起，难以区分，这就为后续的瑞利波数据处理及地下结构探测带来了影响，造成相位计算误差、频散能量分辨率降低以及探测精度下降等问题。因此，在实际应用中，瑞利波探测方法往往采用多道记录的方式，利用f-k变换、高分辨率线性拉东变换、τ-p变换等方法将瑞利波各模式的“频散核”从时间-距离域变换至频率-速度域，使得基阶和第一高阶模式的瑞利波能量相互分离，从而提高后续数据处理的精度和探测的效果。
然而上述方法的实施依赖于多道记录，在采集道较少时，无法很好的区分不同模式能量；并且实际中的瑞利波能量在不同模式之间是不均衡，当某个模式能量占主导时，较弱的模式在频散能量谱中往往不易识别(或在部分频段不易识别)。同时，多道采集方式也具有仪器设备较多、野外施工不便等问题。因此，如何基于更少的采集道数实现更高精度的瑞利波数据处理和地下探测是目前尚待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法。本发明基于两道多分量记录实现基阶和第一高阶瑞利波频散曲线的提取，并利用其反演横波速度进行地下结构探测。本发明提出的方法减少了地震信号采集设备，降低了野外施工难度，同时能够分离瑞利波基阶和高阶模式，获取多模式频散曲线，提高了探测的精度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种两道多模式瑞利波地下探测系统，包括：人工锤击震源、多分量检波器、采集站主机、电脑以及若干数据传输线；
其中，
所述多分量检波器的信号输出端通过数据传输线与所述采集站主机的输入端相连；
所述采集站主机的信号输出端与所述电脑的信号输入端相连，信号从所述多分量检波器传入所述电脑；
所述电脑对垂向和水平径向分量地震数据进行处理提取多模式瑞利波频散曲线并反演得到地下结构。
优选地，所述多分量检波器用于数据采集，记录垂向和水平径向分量的地震记录；所述多分量检波器的数量为2个。
优选地，所述人工锤击震源与两个多分量检波器布设于一条直测线上，多分量检波器的垂向分量沿铅垂方向竖直向下，水平分量与直测线远离震源的延展方向一致。
优选地，人工锤击震源与较近的多分量检波器的间距为5-15米，2个多分量检波器的间距为5-20米，人工锤击震源激发时重锤垂向下落高度不低于2米。
优选地，所述电脑安装有fortran或matlab数据处理软件。
本发明还涉及基于前述两道多模式瑞利波地下探测系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：以常规一维直测线方式布设2道多分量检波器，并令检波器垂向分量沿重力方向竖直向下，检波器的一个水平向分量沿测线展布方向，利用人工锤击震源在测线端点外侧延长线一定距离处激发地震信号，则两道多分量检波器记录的信号为Uv(i,t)、Uh(i,t)，其中i＝1,2表示道号，t表示时间序列，Uv和Uh分别表示垂向记录和沿着测线方向的水平径向记录；
步骤2：对检波器记录的数据进行初至切除、带通滤波预处理，将预处理后的垂向和水平径向记录组合记为复数，其中水平径向地震记录做为复数的实部，垂向地震记录做为复数的虚部，即Ucomplex(i,t)＝Uh(i,t)+j·Uv(i,t)，j表示单位虚数，并规定径向分量远离震源方向的振动位移记为正实部，反之为负实部；垂向分量向下的振动位移记为正虚部，反之为负虚部；
步骤3：对步骤2得到的Ucomplex(i,t)计算相位角：
Figure BDA0002992818070000031
式中Imag表示虚部，Real表示实部。将计算得到的相位角解缠，使其沿时间序列连续展开，则质点振动轨迹“逆进”的基阶模式瑞利波信号将呈现出相位角随时间减小的特征，而质点轨迹“顺进”的第一高阶模式瑞利波将呈现相位角随时间增大的特征；
步骤4：利用Savitzky-Golay滤波器对步骤3得到的相位角数据进行平滑滤波，消除噪声引起的相位角数据高频扰动，然后绘制相位角随时间变化的曲线图，则基阶模式信号表现为负斜率、第一高阶模式表现为正斜率；
步骤5：瑞利波模式分离，根据步骤4得到的两道记录的相位角数据，将斜率为正的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到基阶模式瑞利波记录，记为Uv基阶(i,t)、Uh基阶(i,t)；将斜率为负的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到第一高阶模式瑞利波记录记为Uv高阶(i,t)、Uh高阶(i,t)；
步骤6：利用SASW或双台法对基阶模式瑞利波Uv基阶(1,t)和Uv基阶(2,t)进行处理计算得到基阶频散曲线；同样方法对高阶模式瑞利波Uv高阶(1,t)和Uv高阶(2,t)数据进行处理计算得到第一高阶模式频散曲线；
步骤7：利用半波长法估计地下地层的初始横波速度模型，然后利用基于奇异值分解的阻尼最小二乘方法对基阶和第一高阶频散曲线进行联合反演，得到地下横波速度结构，实现对地下介质结构的探测。
优选地，所述步骤2对检波器记录的数据进行预处理，预处理包括切除初至及带通滤波，滤波的通带频率设为5-60Hz，该频带内的瑞利波基阶和第一高阶模式质点振动轨迹分别表现为逆进和顺进的特征；再对预处理后的多分量检波器的垂向和水平径向记录数据进行组合，构建成实部为径向位移、虚部为垂向位移的复数形式的地震记录数据。
优选地，所述步骤3为对步骤2所得的复数地震记录求相位角，并对求得的角度进行相位解缠(unwrap)，使其在时间序列上连续分布，避免反正切函数计算结果的2π周期间断跳跃现象。
优选地，所述步骤4为利用Savitzky-Golay滤波器对相位角数据进行平滑滤波，设置滤波器阶数为3阶，若相位角数据点个数记为n，则设置滤波器框长度为大于阶数且处于
Figure BDA0002992818070000041
范围内的奇数。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的两道多模式瑞利波探测方法相比于常规两道探测方法，提高了信号处理的准确性和探测的精度，通过多分量检波器记录垂向和水平径向的地震信号，并利用多分量信号分析瑞利波不同模式的质点振动轨迹特征及其相位角曲线斜率差异，从而实现对基阶模式和第一高阶模式瑞利波信号的分离，最终在两个模式互不干扰的情况下提取了基阶和第一高阶频散曲线并联合反演地层结构。
(2)本发明利用两道多分量检波器采集瑞利波信号并对地下结构进行探测，相比多道探测方法减少了采集设备，降低了施工难度并提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1-人工锤击震源、2-多分量检波器、3-采集站主机、4-电脑、5-数据传输线。
图2为本发明的技术流程示意图；
图3为具体实施例中的垂向和水平径向地震记录示意图；
图4为具体实施例中的利用垂向和径向记录得到的质点振动轨迹示意图；
图5为具体实施例中求得的相位角随时间变化曲线示意图；
图6为具体实施例中得到的基阶和第一高阶频散曲线示意图；
图7为具体实施例中反演获得的地下结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例
本实施例涉及两道多模式瑞利波地下探测系统，见图1所示：包括人工锤击震源1、多分量检波器2、采集站主机3、电脑4、若干数据传输线5。
所述锤击震源1和两个多分量检波器2沿一维直测线布设，多分量检波器2通过数据线与采集站主机3相连，采集站主机3又通过数据线与电脑4相连，使多分量检波器2记录的多分量信号写入电脑硬盘，电脑4对信号进行相位角计算、模式分离、频散提取、反演等分析和处理运算，最终得到地下横波速度结构。
所述人工锤击震源1与较近的多分量检波器2距离为5-15米(震源偏移距的选择与信号波长及穿透深度有关，通常人工锤击震源1能量可达至地下30-40米深度，为使激发能量中的长波长瑞利波充分发育，根据野外经验选取5-15米震源距离，距离过大也会使得信号在到达检波器之前衰减严重)。两个多分量检波器2间距为5-20米(检波器间距的选取与拟探测地下目标地质体的尺度相关，在施工时根据探测目标情况具体确定)。
常规的两道或多道瑞利波探测方法是使用垂向单分量检波器接收数据信号，本发明中的信号采集是利用两道多分量检波器，主要目的是同时接收垂向和径向分量的信号，由于瑞利波质点振动主要在沿传播方向的竖直平面，因此本发明利用垂向和沿测线方向的水平径向分量能记录到更丰富瑞利波波场信息。
本实施例还涉及基于前述系统的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其技术流程见图2所示，其步骤包括以下：
步骤1：以常规一维直测线方式布设2道多分量检波器，并令检波器垂向分量沿重力方向竖直向下、水平径向分量沿测线方向，然后利用人工锤击震源在测线端点外侧延长线一定距离处激发地震信号，其中检波器采样间隔设置为0.5毫秒，采样长度1000毫秒，重锤下落高度≥2米。则两道多分量检波器记录的信号为Uv(i,t)、Uh(i,t)，其中i＝1,2表示道号，t表示时间序列，Uv和Uh分别表示垂向记录和沿着测线方向的水平径向记录(图3中的实线和虚线即分别表示其中一道检波器的水平径向和垂向记录)。
步骤2：对检波器记录的数据进行预处理，切除初至波，进行带通滤波保留5-60Hz频带的数据，将预处理后的垂向和水平径向记录组合记为复数，其中水平径向记录数据做为复数的实部，垂向记录数据做为复数的虚部，即
Ucomplex(i,t)＝Uh(i,t)+j·Uv(i,t)
式中j表示单位虚数，我们规定径向分量远离震源方向的振动位移记为正实部，反之为负实部；垂向分量向下的振动位移记为正虚部，反之为负虚部。
步骤3：对步骤2得到的Ucomplex(i,t)利用以下公式计算相位角：
Figure BDA0002992818070000071
式中Imag表示虚部，Real表示实部。通过上式反正切函数计算的相位角结果在[-π，π]区间内，因此还需要将相位角解缠(unwarp)，使其沿时间序列连续展开，则质点振动轨迹“逆进”的基阶模式瑞利波(图4中灰色曲线，曲线上的箭头表示质点振动轨迹沿逆时针方向)信号将呈现出相位角随时间减小的特征，而质点轨迹“顺进”的第一高阶模式瑞利波(图4中黑色曲线，曲线上的箭头表示质点振动轨迹沿顺时针方向)将呈现相位角随时间增大的特征。
步骤4：利用Savitzky-Golay滤波器对步骤3计算得到的相位角数据进行平滑滤波，消除噪声引起的相角数据高频扰动。滤波器的阶数和框长度与被处理的数据特征有关，针对瑞利波相位数据及处理经验，若将相位角数据点个数记为n，本发明将滤波器阶数定为3阶，滤波器框长度定为大于阶数并处于
Figure BDA0002992818070000072
范围内的奇数。然后绘制相位角随时间变化的曲线图，则基阶模式信号表现为负斜率、第一高阶模式表现为正斜率(如图5中的黑色细实线表示平滑滤波前的相位角曲线，灰色粗实线表示平滑滤波后的相位角曲线)。
步骤5：瑞利波模式分离，根据第四步得到的两道记录的相位角数据，将斜率为正的部分所对应的垂向分量和水平分量的时间域波形记录进行充零处理，得到基阶模式瑞利波记录，记为Uv基阶(i,t)、Uh基阶(i,t)，i＝1,2；将斜率为负的部分所对应的垂向分量和水平分量的时间域波形记录进行充零处理，得到第一高阶模式瑞利波记录记为Uv高阶(i,t)、Uh高阶(i,t)，i＝1,2。
步骤6：利用SASW或相位扫描法对Uv基阶(1,t)和Uv基阶(2,t)进行处理计算得到基阶频散曲线；同样方法对Uv高阶(1,t)和Uv高阶(2,t)数据进行处理计算得到第一高阶模式频散曲线(图6中实线和虚线分别为计算得到的基阶和第一高阶频散曲线)。SASW方法或相位扫描法具体计算过程可参考文献Nazarian S,Stokoe K H,Hudson W R.1983.Use of spectralanalysis of surface waves method for determination of moduli and thickness ofpavement system[J].Transportation Research Record Journal,930:38-45；尹晓菲.2016.高频面波的灵敏性分析及其反演方法的研究[D].中国地质大学博士学位论文。
步骤7：利用半波长法估计地下地层的初始横波速度模型，然后联合基阶和第一高阶频散曲线进行反演得到地下实际横波速度结构，实现对地下介质结构的探测(图7)。初始模型的估计及基阶高阶频散曲线联合反演的具体计算过程参考文献Xia J.,Miller R.D.,Park C.B.,et al.Inversion of high frequency surface waves with fundamentaland higher modes[J].Journal of Applied Geophysics,2003,52(1):45-57。
本发明提供的两道多模式瑞利波探测方法相比于常规两道探测方法，提高了信号处理的准确性和探测的精度，通过多分量检波器记录垂向和水平径向的地震信号，并利用多分量信号分析瑞利波不同模式的质点振动轨迹特征及其相位角曲线斜率差异，从而实现对基阶模式和第一高阶模式瑞利波信号的分离，最终在两个模式互不干扰的情况下提取了基阶和第一高阶频散曲线并联合反演地层结构。本发明利用两道多分量检波器采集瑞利波信号并对地下结构进行探测，相比于多道面波探测方法减少了采集设备，降低了施工难度并提高了工作效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (9)

1.一种两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，包括：人工锤击震源、多分量检波器、采集站主机、电脑以及若干数据传输线；
其中，
所述多分量检波器的信号输出端通过数据传输线与所述采集站主机的输入端相连；
所述采集站主机的信号输出端与所述电脑的信号输入端相连，信号从所述多分量检波器传入所述电脑；
所述电脑对垂向和水平径向分量地震数据进行处理提取多模式瑞利波频散曲线并反演得到地下结构。
2.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述多分量检波器用于数据采集，记录垂向和水平径向分量的地震数据；所述多分量检波器的数量为2个。
3.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述人工锤击震源与两个多分量检波器布设于一条直测线上，多分量检波器的垂向分量沿铅垂方向竖直向下，水平分量与直测线远离震源的延展方向一致。
4.如权利要求3所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，人工锤击震源与较近的多分量检波器的间距为5-15米，2个多分量检波器的间距为5-20米，人工锤击震源激发时重锤垂向下落高度不低于2米。
5.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述电脑安装有fortran或matlab数据处理软件。
6.一种基于权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：以常规一维直测线方式布设2道多分量检波器，并令检波器垂向分量沿重力方向竖直向下，检波器的一个水平向分量沿测线展布方向，利用人工锤击震源在测线端点外侧延长线一定距离处激发地震信号，则两道多分量检波器记录的信号为Uv(i,t)、Uh(i,t)，其中i＝1,2表示道号，t表示时间序列，Uv和Uh分别表示垂向记录和沿着测线方向的水平径向记录；
步骤2：对检波器记录的数据进行初至切除、带通滤波预处理，将预处理后的垂向和水平径向记录组合记为复数，其中水平径向记录数据做为复数的实部，垂向记录数据做为复数的虚部，即Ucomplex(i,t)＝Uh(i,t)+j·Uv(i,t)，j表示单位虚数，并规定径向分量远离震源方向的振动位移记为正实部，反之为负实部；垂向分量向下的振动位移记为正虚部，反之为负虚部；
步骤3：对步骤2得到的Ucomplex(i,t)计算相位角：
Figure FDA0002992818060000021
式中Imag表示虚部，Real表示实部。将计算得到的相位角解缠，使其沿时间序列连续展开，则质点振动轨迹“逆进”的基阶模式瑞利波信号将呈现出相位角随时间减小的特征，而质点轨迹“顺进”的第一高阶模式瑞利波将呈现相位角随时间增大的特征；
步骤4：利用Savitzky-Golay滤波器对步骤3得到的相位角数据进行平滑滤波，消除噪声引起的相位角数据高频扰动，然后绘制相位角随时间变化的曲线图，则基阶模式瑞利波信号在相位角曲线上表现为负斜率，第一高阶模式瑞利波信号在相位角曲线上表现为正斜率；
步骤5：瑞利波模式分离，根据步骤4得到的两道记录的相位角数据，将斜率为正的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到基阶模式瑞利波记录，记为Uv基阶(i,t)、Uh基阶(i,t)；将斜率为负的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到第一高阶模式瑞利波记录记为Uv高阶(i,t)、Uh高阶(i,t)；
步骤6：利用SASW或双台法对基阶模式瑞利波Uv基阶(1,t)和Uv基阶(2,t)进行处理，计算得到基阶频散曲线；同样方法对高阶模式瑞利波Uv高阶(1,t) 和Uv高阶(2,t)数据进行处理，计算得到第一高阶模式频散曲线；
步骤7：利用半波长法估计地下地层的初始横波速度模型，然后利用基于奇异值分解的阻尼最小二乘方法对基阶和第一高阶频散曲线进行联合反演，得到地下横波速度结构，实现对地下介质结构的探测。
7.如权利要求6所述的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其特征在于，所述步骤2对检波器记录的数据进行预处理，预处理包括切除初至及带通滤波，滤波的通带频率设为5-60Hz，该频带内的瑞利波基阶和第一高阶模式质点振动轨迹分别表现为“逆进”和“顺进”的椭圆；再对预处理后的多分量检波器的垂向和水平径向记录数据进行组合，构建成实部为水平径向地震记录、虚部为垂向地震记录的复数形式的数据。
8.如权利要求6所述的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其特征在于，所述步骤3为对步骤2所得的复数地震记录求相位角，并对求得的角度进行相位解缠(unwrap)，使其在时间序列上连续分布，避免反正切函数计算结果的2π周期间断跳跃现象。
9.如权利要求6所述的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其特征在于，所述步骤4为利用Savitzky-Golay滤波器对相位角数据进行平滑滤波，设置滤波器阶数为3阶，若相位角数据点个数记为n，则设置滤波器框长度为大于阶数且处于
Figure FDA0002992818060000031
范围内的奇数。
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