CN118011479A - 基于地震方法的道路地质扫描系统及数据处理成像方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种基于地震方法的道路地质扫描系统及数据处理成像方法。道路地质扫描系统，包括：主控单元；一个拖曳式的可控震源，与主控单元通信连接；拖曳式的检波器电缆；多道检波器，各道检波器等间隔依次设置在所述检波器电缆处；每道所述检波器通过所述检波器电缆分别与所述主控单元通信连接；其中，所述主控单元用于根据检波器的信号，分析形成相速度频散曲线。本申请实施例解决了传统的微动探测技术存在采集时间长、低频段信号受城市噪音影响大、高频段信号质量差，导致工作效率不高的技术问题。

Description

基于地震方法的道路地质扫描系统及数据处理成像方法

技术领域

本申请涉及地质勘探技术领域，具体地，涉及一种基于地震方法的道路地质扫描系统及数据处理成像方法。

背景技术

传统的微动探测技术是天然源面波探测技术。传统的微动探测技术中没有特定的人工增加的震源，而是采用天然震源，即震源为观测点周围所有的物体。这样，微动探测技术中振动波来自观测点的四面八方，是一种由体波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)组成的复杂振动，其中面波的能量占信号总能量的70％以上，携带有大量的地球物理信息。

微动探测技术需要较长的采集时间才能保证低频范围内相速度频散曲线收敛连续，同时受城市噪音环境复杂且方向性影响较大。高频段信号往往质量较差，存在空间假频和频散交叉现象，导致探测盲区较大，需要配合主动源面波获得高频段相速度频散曲线。基于线形台阵多次覆盖的微动数据采集方法，虽然能满足一个阵列获得多个测点的地层速度，但是需要较多的采集台站，单阵列采集同样是需要较长采集时间来满足相速度频散曲线的收敛稳定。即微动探测技术不需要特定的震源，但是存在采集时间长、低频段信号受城市噪音影响大、高频段信号质量差，导致工作效率不高的缺陷。

地震映像法勘探(又称高密度地震勘探和地震多波勘探)，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅底层勘探方法。传统的地震映像法需要采集实验剖面获取最佳偏移距。

传统的微动探测技术和地震映像技术需要分别单独进行数据采集。

因此，传统的微动探测技术存在采集时间长、低频段信号受城市噪音影响大、高频段信号质量差，导致工作效率不高的技术问题。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于地震方法的道路地质扫描系统及数据处理成像方法，以解决传统的微动探测技术存在采集时间长、低频段信号受城市噪音影响大、高频段信号质量差，导致工作效率不高的技术问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于地震方法的道路地质扫描系统，包括：

主控单元；

一个拖曳式的可控震源，与主控单元通信连接；

拖曳式的检波器电缆；

多道检波器，各道检波器等间隔依次设置在所述检波器电缆处；每道所述检波器通过所述检波器电缆分别与所述主控单元通信连接；

其中，所述主控单元用于根据检波器的信号，分析形成相速度频散曲线。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种上述的道路地质扫描系统的数据处理成像方法，包括如下步骤：

步骤S100：将可控震源与检波器串位于一条直线上；

步骤S200：激发控制单元控制可控震源的激发时间和激发时间间隔，采集控制单元控制采集一定时长的震动信号，即将检波器模拟信号通过A/D转换模块，转换成数字信号后按照特定格式存储于存储模块中；

步骤S300：数据分析处理模块进行数据分析处理、成像。

本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：

本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，能够作为实现微动探测技术的设备。本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，在作为实现微动探测技术的设备时，本身具有独立的可控震源，这样，可控震源的激振频率能够实现自主控制，通过激振频率的控制，能够实现在短时间内产生更多的脉冲信号，进而实现检波器在短时间内能采集到更多的信号，采集时间较短。同时，通过可控震源连续激发产生脉冲信号，使得脉冲信号的信噪比较高。这样，压制了城市噪声源方向性引起的相速度失真。主控单元在形成相速度频散曲线的过程中，通过高信噪比数据叠加，加快了相速度频散曲线收敛速度。拖曳式的可控震源和拖曳式的检波器电缆的配合，实现道路地质扫描系统拖曳式工作，这样，能够实现快速连续探测。本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，作为实现微动探测技术的设备，具有独立的可控震源，可控震源产生的脉冲信号的频率可控和信噪比较高，使得检波器的采集时间较短且采集的信号质量较高，在形成相速度频散曲线的过程中，通过高信噪比数据叠加，相速度频散曲线收敛速度较快，进而使得工作效率较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的示意图；

图2为图1所示的道路地质扫描系统的主控单元的示意图；

图3为图1所示的道路地质扫描系统的工作流程图；

图4为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统采集数据的时间序列片段；

图5为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的数据18Hz、21Hz零阶贝塞尔函数拟合曲线；

图6为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的单个测点频散谱和相速度曲线收敛过程，1次叠加至90次叠加结束后频散谱和频散曲线；

图7为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的单个测点频散曲线通过自动创建初始模型的反演结果；

图8-1为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统剖面范围内所有测点的相速度曲线簇图；

图8-2为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统剖面范围内所有测点的相速度等值线剖面图；

图9为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的所有测点反演模型等值线剖面图及成果解释；

图10-1为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为10米的地震道剖面；

图10-2为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为15米的地震道剖面；

图10-3为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为18米的地震道剖面；

图10-4为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为20米的地震道剖面。

附图标记：

主控单元1，激发控制单元11，采集控制单元12，存储模块13，数据分析处理模块14，可控震源2，检波器电缆3，检波器4。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，包括：

主控单元1；

一个拖曳式的可控震源2，与主控单元1通信连接；

拖曳式的检波器电缆3；

多道检波器4，各道检波器4等间隔依次设置在所述检波器电缆3处；每道所述检波器4通过所述检波器电缆3分别与所述主控单元1通信连接；

其中，所述主控单元1用于根据检波器4的信号，分析形成相速度频散曲线。

本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，能够作为实现微动探测技术的设备。本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，在作为实现微动探测技术的设备时，本身具有独立的可控震源，这样，可控震源的激振频率能够实现自主控制，通过激振频率的控制，能够实现在短时间内产生更多的脉冲信号，进而实现检波器在短时间内能采集到更多的信号，采集时间较短。同时，通过可控震源连续激发产生脉冲信号，使得脉冲信号的信噪比较高。这样，压制了城市噪声源方向性引起的相速度失真。主控单元在形成相速度频散曲线的过程中，通过高信噪比数据叠加，加快了相速度频散曲线收敛速度。拖曳式的可控震源和拖曳式的检波器电缆的配合，实现道路地质扫描系统拖曳式工作，这样，能够实现快速连续探测。本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统，作为实现微动探测技术的设备，具有独立的可控震源，可控震源产生的脉冲信号的频率可控和信噪比较高，使得检波器的采集时间较短且采集的信号质量较高，在形成相速度频散曲线的过程中，通过高信噪比数据叠加，相速度频散曲线收敛速度较快，进而使得工作效率较高。

实施中，如图2所示，所述主控单元包括：

激发控制单元11，用于控制所述可控震源的激发时间及激发时间间隔；

采集控制单元12，用于在所述可控震源首次激发后开始采集数据，将检波器模拟信号通过A/D转换模块，转换成数字信号后按照特定格式存储于存储模块13中；

数据分析处理模块14，用于根据SPAC方法对当前测点存储数据进行处理分析、成像，提取频散曲线，频散曲线包括相速度-频率频散曲线v_r-f和相速度-深度曲线v_r-H。

所述数据分析处理模块还用于：

根据各个测点的地层参数模型实时绘制地层参数模型剖面图；

抽取每个测点同一道数据形成共偏移距地震映像剖面。

实施中，所述检波器的道数为大于等于10小于等于24；

所述检波器采用4Hz或者2Hz的垂直检波器。

实施中，相邻的检波器之间的固定间隔大于等于1米小于等于2米。

实施中，道路地质扫描系统还包括：

尼龙织带，相邻的检波器通过所述尼龙织带连接。即各道检波器形成检波器串。

具体的，拖曳式的可控震源与主控单元通信连接。由采集控制单元控制可控震源的激振频率，激振频率大于等于0.5s/次小于等于1s/次。激振频率对应激发时间间隔。

具体的，检波器电缆将检波器按照固定间隔固定在检波器电缆的仓体内。固定间隔的取值为大于等于1米小于等于2米。

具体的，检波器串具备一定自重有自稳能力，检波器采用4Hz或者2Hz的垂直检波器。

本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统在使用时，包括如下步骤：

步骤S100：布置线性探测台阵，即将可控震源与检波器串位于一条直线上；

步骤S200：激发控制单元控制可控震源的激发时间和激发时间间隔，采集控制单元控制采集一定时长的震动信号，即将检波器模拟信号通过A/D转换模块，转换成数字信号后按照特定格式存储于存储模块中；

步骤S300：数据分析处理模块进行数据分析处理、成像。

图3中，除最后一步“成果解释”以外的各个步骤，是具体实现步骤S200和步骤S300的步骤。

如图3所示：

设置可控震源激发频率、采集时长、采样间隔等采样参数，利用采集系统连续采集当前测点检波器串的震动数据并存储；

利用当前测点数据范围内震源激发次数设置截取窗口，将测点数据分段处理分析，计算频散谱，并进行叠加，得到总频散谱；从总频散谱中自动拾取频散曲线；

根据拾取的频散曲线建立地层参数模型；

移动探测系统获得下一测点的数据；

重复上述步骤获得的测点地层模型，实时绘制模型剖面图；

抽取每个测点同一道数据形成共偏移距剖面；

成果解释。

下面的步骤1-11是一种数据处理成像的具体实现方式，即是步骤S300：数据分析处理模块进行数据分析处理、成像的具体步骤。

微动数据分析处理采用SPAC方法理论，振动采集装置(即检波器)对应的观测台站(即测点)设置为固定间距线性排列。SPAC法认为地面传播的背景噪声信号主要由面波组成，而且由基阶面波占主导，求出的空间自相关系数为基阶面波的空间自相关系数。

(1)通过震源激发间隔对当前排列数据进行分段处理，数据段数N＝采集时长RL/激发时间间隔Tn。

(2)对每段数据进行带通滤波，对每道数据两两之间分别计算空间自相关函数：

其中X(m，ω，t)、X(n，ω，t)分别为第m、n道的时间(t)序列信号，r为两道间距，ω为角频率。即多道检波器自可控震源向外排列，依次为第1道、第2道、……、第m道、第n道、……，第m道检波器的信号为第m道的信号，第n道检波器的信号为第n道的信号；两道间距r对应相邻的检波器之间的固定间隔。

(3)对相同间距r对应的空间自相关系数取平均：

积分得到第一类零阶贝塞尔函数；

其中c(ω)是角频率为ω＝2πf的面波传播速度。

(4)重复上述步骤得到一系列不同间距r、不同角频率ω对应的空间自相关系数。

(5)在设定的相速度c(ω)范围内，按照设定速度扫描步长，对同一角频率ω、不同间距r对应的空间自相关系数，利用最小二乘法拟合对零阶贝塞尔函数求取宗量2πf/c(ω)。

(6)绘制每个相速度对应的每个频点贝塞尔函数拟合误差曲线。

(7)对拟合误差曲线进行归一化处理，生成拟合误差图谱。

(8)重复上述步骤完成所有分段数据的拟合误差图谱并叠加得到总图谱。对于拟合误差在正太分布三倍标准差(μ-3σ,μ+3σ)外的数据不参与叠加，提高总频散谱质量。

(9)自动拾取拟合误差最小值对应的相速度并绘制频散曲线，并自动提取有效频段范围内的频散点，得到该点最终频散曲线，频散曲线包括相速度-频率频散曲线v_r-f和相速度-深度频散曲线v_r-H。

(10)对测点相速度-深度频散曲线v_r-H进行圆滑处理，由下式计算视横波速度：

其中：v_r为相速度，t为周期。

将相速度-深度频散曲线v_r-H，转换成视横波速度v_x-H曲线，再经过内插拟合获得一条圆滑曲线。

同时对相速度-频率频散曲线v_r-f、曲线自动建立初始模型并反演得到一维地层速度模型H-V。以上内容由软件预设参数处理。依据速度模型进行地质分析解释。

(11)根据激震频率(对应/激发时间间隔Tn)、采样间隔等采集的参数，对每个测点数据集进行分段截取，时域叠加，压制噪音，突出有效信号，得到叠加信号。

(12)快速按照一定距离拖动线性探测台阵。重复上述步骤(1)-(11)完成连续测点的采集、处理、反演，对每个测点获得的参数曲线、模型合并成像，生成不同参数的等值线剖面图，最终得到整个测线下方地层速度分布，用于识别异常。同时，抽取每个台阵共偏移距地震道叠加信号并经过自动滤波、道均衡，形成多个共偏移距地震映像剖面。根据不同偏移距地震映像剖面同相轴分布特征来分析识别测线下方地层结构。

图4为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统采集数据的时间序列片段。

图5为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的数据18Hz、21Hz零阶贝塞尔函数拟合曲线。

图6为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的单个测点频散谱和相速度曲线收敛过程，1次叠加至90次叠加结束后频散谱和频散曲线。

图7为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的单个测点频散曲线通过自动创建初始模型的反演结果。

图8-1为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统剖面范围内所有测点的相速度曲线簇图。

图8-2为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统剖面范围内所有测点的相速度等值线剖面图。

图9为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的所有测点反演模型等值线剖面图及成果解释。

图10-1为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为10米的地震道剖面。

图10-2为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为15米的地震道剖面。

图10-3为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为18米的地震道剖面。

图10-4为本申请实施例的基于地震方法的道路地质扫描系统的共偏移距为20米的地震道剖面。

本申请的基于地震方法的道路地质扫描系统及其数据处理成像方法，通过线性阵列方式排列的检波信号，并采用尼龙织带连接各个检波器，从而实现了快速移动作为测点的检波器。在排列直线上布置可控震源，解决了SPAC方法因城市内震源方向不确定性导致的线性排列频散谱失真问题，同时增加了频散曲线的收敛速度。传统常规天然源地震探测技术需要采集10-20分钟的数据来实现频散曲线收敛。而本申请只需1-2分钟即可，大大提高了外业探测速度。采用实时成像，从而实现实时监控数据质量。传统的常规地震映像法需要采集实验剖面获取最佳偏移距。本申请同时获得多个共偏移距地震映像剖面，提供更丰富成果剖面图。

在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于地震方法的道路地质扫描系统，其特征在于，包括：

主控单元；

一个拖曳式的可控震源，与主控单元通信连接；

拖曳式的检波器电缆；

多道检波器，各道检波器等间隔依次设置在所述检波器电缆处；每道所述检波器通过所述检波器电缆分别与所述主控单元通信连接；

其中，所述主控单元用于根据检波器的信号，分析形成相速度频散曲线。

2.根据权利要求1所述的道路地质扫描系统，其特征在于，所述主控单元包括：

激发控制单元，用于控制所述可控震源的激发时间及激发时间间隔；

采集控制单元，用于在所述可控震源首次激发后开始采集数据，将检波器模拟信号通过A/D转换模块，转换成数字信号后按照特定格式存储于存储模块中；

数据分析处理模块，用于根据SPAC方法对当前测点存储数据进行处理，提取相速度频散曲线，再根据相速度频散曲线反演建立地层参数模型。

3.根据权利要求2所述的道路地质扫描系统，其特征在于，所述数据分析处理模块还用于：

抽取每个测点同一道的数据，形成共偏移距地震映像剖面。

4.根据权利要求1至3任一所述的道路地质扫描系统，其特征在于，所述检波器的道数为大于等于10小于等于24。

5.根据权利要求1至3任一所述的道路地质扫描系统，其特征在于，所述检波器采用4Hz或者2Hz的垂直检波器。

6.根据权利要求1至3任一所述的道路地质扫描系统，其特征在于，相邻的检波器之间的固定间隔大于等于1米小于等于2米。

7.根据权利要求1至3任一所述的道路地质扫描系统，其特征在于，还包括：

连接带，相邻的检波器通过所述连接带连接。

8.根据权利要求7所述的道路地质扫描系统，其特征在于，所述连接带为尼龙织带。

9.一种权利要求1至8任一所述的道路地质扫描系统的数据处理成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100：将可控震源与检波器串位于一条直线上；

步骤S200：激发控制单元控制可控震源的激发时间和激发时间间隔，采集控制单元控制采集一定时长的震动信号，即将检波器模拟信号通过A/D转换模块，转换成数字信号后按照特定格式存储于存储模块中；

步骤S300：数据分析处理模块进行数据分析处理、成像。