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CN111856555B - 一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法 - Google Patents

一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法 Download PDF

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CN111856555B CN202010565552.2A CN202010565552A CN111856555B CN 111856555 B CN111856555 B CN 111856555B CN 202010565552 A CN202010565552 A CN 202010565552A CN 111856555 B CN111856555 B CN 111856555B
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Abstract

本发明涉及一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，该方法包括如下步骤：S1、布设接收排列进行面波数据的观测采集；S2、采用不同尺度的滑动空间窗从面波数据中提取得到局部波场；S3、对局部波场进行分析处理得到所有滑动空间窗对应的实测频散曲线；S4、将地下模型离散为网格单元，对每个网格单元的弹性参数赋初值；S5、计算所有滑动空间窗对应的理论频散曲线；S6、计算实测频散曲线和理论频散曲线的拟合度，若未拟合则修正地下模型中各网格单元的参数并重复步骤S5～S6直至达到设定拟合精度，实现地下结构波速成像。与现有技术相比，本发明方法即能保证频散数据质量又能具有高横向分辨率，提高地下结构探测结果的准确性。

Description

一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法
技术领域
本发明涉及一种地下空间开发与探测领域，尤其是涉及一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法。
背景技术
面波分析法作为一种无损、高效、经济的地球物理探测方法，在浅地表各类工程勘查以及地球内部结构研究等领域中都发挥了非常重要的作用。当前，常用的面波分析法主要有面波谱分析法(Spectral Analysis of Surface Waves,SASW)和面波多道分析法(Multichannel Analysis of Surface Wave,MASW)。
在面波谱分析法中，面波频散曲线通过测量两道接收信号的时间差或相位差来获取，该频散曲线所表征的面波相速度为路径平均相速度，因此即可采用基于水平层状模型假设的反演算法来得到一维剪切波速度结构，也可通过改变接收点位置和间距进行多次测量并结合层析成像算法来获取具有高横向分辨率的二维剪切波速度模型。然而，利用面波谱分析法提取的频散曲线精度易受到检波器耦合、随机噪音、空间假频以及面波高阶模式的影响，使该方法分析得到的剪切波速度可靠性较低。
相比于只利用两道接收信号，面波多道分析法利用波场变换将接收到的时空域多道面波信号变换到另一个域中(如频率-相速度域)来进行频散分析，并根据面波的强能量特征可提取得到高质量的面波频散数据，但由于在横向不均匀介质中利用面波多道分析法提取得到的频散曲线其物理意义尚不明确，因此对于观测排列具有一定接收长度的情况下也采用水平层状模型假设来近似整个排列下方的地层，从而导致最终反演得到的剪切波速度其横向分辨率较低。
总体而言，现有面波分析法或严重受限于数据质量，或存在横向分辨率低的问题，尚没有一种能切实有效解决实际横向不均匀介质模型的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种即能保证频散数据质量又能具有高横向分辨率的基于面波多尺度窗分析的地下探测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，该方法包括如下步骤：
S1、布设接收排列进行面波数据的观测采集；
S2、采用不同尺度的滑动空间窗从面波数据中提取得到局部波场；
S3、对局部波场进行分析处理得到所有滑动空间窗对应的实测频散曲线；
S4、将地下模型离散为网格单元，对每个网格单元的弹性参数赋初值；
S5、计算所有滑动空间窗对应的理论频散曲线；
S6、计算实测频散曲线和理论频散曲线的拟合度，若未拟合则修正地下模型中各网格单元的参数并重复步骤S5～S6直至达到设定拟合精度，实现地下结构波速成像。
优选地，步骤S1中接收排列包括L个以一定道间距Δx布置而成的检波器。
优选地，步骤S1进行面波数据的观测采集时设置初始炮点，每激发一次将炮点沿测线方向移动设定距离，每次激发后得到一组面波数据。
优选地，步骤S2具体为：对于每一组面波数据均采用不同尺度的滑动空间窗沿接收排列方向滑动得到局部波场。
优选地，步骤S3具体包括：
S31、对于每一组面波数据提取出的局部波场分别生成各滑动空间窗对应的频散图像；
S32、对于任意一个滑动空间窗，将得到的多个频散图像进行叠加；
S33、根据叠加的频散图像得到各个滑动空间窗对应的实测频散曲线。
优选地，步骤S31中频散图像通过相移法或振幅归一化聚束分析得到，具体为：
Z(ω，v)＝|eH(ω，v)WS(ω)|
P(ω，v)＝Z(ω，v)2
其中，Z(ω，v)为相移法计算得到的实测振幅谱，P(ω，v)为振幅归一化聚束分析得到的实测功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，
Figure BDA0002547712280000021
为平面波导向矢量，其中xi为滑动空间窗中每一道的偏移距，K为滑动空间窗中的检波器总道数，
Figure BDA0002547712280000031
为局部波场中每道信号傅里叶谱组成的列向量，
Figure BDA0002547712280000032
为振幅归一化加权矩阵，diag表示对角阵。
优选地，步骤S5具体包括：
S51、计算每一列网格单元组合而成的层状模型的局部频散曲线；
S52、计算任意两道之间的相位差
Figure BDA0002547712280000033
Figure BDA0002547712280000034
其中，kp(ω)为m与n道之间的第p列网格单元弹性参数确定的局部空间波数，Δxp为m与n道之间第p列网格单元的宽度，P为m与n道之间的网格单元总列数；
S53、将相位差代入下式：
Figure BDA0002547712280000035
P′(ω，v)为理论功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，xmn为m与n道之间的距离，K为滑动空间窗中的检波器总道数；
S54、基于理论功率谱利用局部极大值搜索算法计算得到与每个滑动空间窗对应的理论频散曲线。
优选地，步骤S6修正地下模型中各网格单元的参数包括对网格单元的弹性参数或同时对弹性参数和网格单元的厚度进行更新修正。
优选地，网格单元的弹性参数包括剪切波速度、纵波速度和密度。
优选地，所述的修正通过反演算法进行。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明采用不同尺度的滑动空间窗来提取面波的频散信息，每个中心点处存在与多个滑动空间窗对应的多条频散曲线，充分挖掘了面波观测数据中的冗余性，从而能够更好地对地下弹性参数变化进行约束，使得地下探测准确性提高(地下探测结果通过地下结构波速成像进行展示)；
(2)本发明计算每个滑动空间窗的理论频散曲线过程中更恰当地考虑了地下介质的横变性，相比于水平层状模型的假设更接近实际情况，本发明方法计算得到的理论频散曲线更符合实测频散曲线所具有的意义，从而使得修正后的地下模型横向分辨率高；
(3)本发明地下模型修正过程中直接对二维地质模型进行反演解释，迭代修正过程中充分考虑了地下介质的二维响应，能够得到更合理准确的结果；
(4)本发明不仅可从面波观测数据中提取高质量的频散数据，还能够快速、高效地获取接收排列下方高横向分辨率的弹性参数结构，为地下空间开发与浅地表工程勘查探测提供了一种有效的解决方法。
附图说明
图1为本发明基于面波多尺度窗分析的地下探测方法的流程框图；
图2为本发明基于局部波场进行频散分析顺序示意图，图中▽代表一个检波器、■代表一条频散曲线；
图3为本发明利用小尺度滑动空间窗得到的频散曲线；
图4为本发明利用大尺度滑动空间窗得到的频散曲线；
图5为通过本发明方法得到的二维剪切波速度断面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1：布设接收排列进行面波数据的观测采集，接收排列包括L个以一定道间距Δx布置而成的检波器，进行面波数据的观测采集时设置初始炮点，每激发一次将炮点沿测线方向移动设定距离，每次激发后得到一组面波数据，本实施例设置观测排列由24道4Hz垂向检波器组成，道间距为1m，第一炮位于最小偏移距为0.5m的位置处，每激发一次将炮点沿测线方向移动1m、接收排列固定不动，最终得到25炮面波记录。
步骤S2：采用不同尺度的滑动空间窗从面波数据中提取得到局部波场，该过程对于每一组面波数据均采用不同尺度的滑动窗口沿接收排列方向滑动得到局部波场。
步骤S3：对局部波场进行分析处理得到所有滑动空间窗对应的实测频散曲线，具体包括：
步骤S31：对于每一组面波数据提取出的局部波场分别生成各滑动空间窗对应的频散图像，频散图像通过相移法或振幅归一化聚束分析得到，具体为：
Z(ω，v)＝|eH(ω，v)WS(ω)|
P(ω，v)＝Z(ω，v)2
其中，Z(ω，v)为相移法计算得到的实测振幅谱，P(ω，v)为振幅归一化聚束分析得到的实测功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，
Figure BDA0002547712280000051
为平面波导向矢量，其中xi为滑动空间窗中每一道的偏移距，K为滑动空间窗中的检波器总道数，
Figure BDA0002547712280000052
为局部波场中每道信号傅里叶谱组成的列向量，
Figure BDA0002547712280000053
为振幅归一化加权矩阵，diag表示对角阵；
步骤S32：对于任意一个滑动空间窗，将得到的多个频散图像进行叠加；
步骤S33：根据叠加的频散图像得到各个滑动空间窗对应的实测频散曲线。
本实施例中，如图2所示，最小窗Wmin的大小为6道，最大窗Wmax的大小为13道，得到频散图像后，提取得到与每个滑动空间窗对应的Vobs-ω曲线，即实测频散曲线，利用窗口大小为8道提取的频散曲线如图3所示，利用窗口大小为13道提取的频散曲线如图4所示，将所有空间窗的实测频散曲线整合至一起得到观测数据dobs＝[Vobs(Wi，ωj)，i＝1，2，...，I；j＝1，2，...J]T，其中I和J分别为空间窗和频率点的个数。
步骤S4：将地下模型离散为网格单元，对每个网格单元的弹性参数赋初值，网格单元的弹性参数包括剪切波速度、纵波速度和密度。本实施例中每个网格单元的初始宽度为1m、厚度为0.25m，每个网格单元的初始剪切波速度赋值为观测数据中的最大相速度118.5m/s、纵波速度赋值为2倍的剪切波速度、密度为1900kg/m3。
步骤S5：计算所有滑动窗口对应的理论频散曲线，具体地，包括：
步骤S51：计算每一列网格单元组合而成的层状模型的局部频散曲线；
步骤S52：计算任意两道之间的相位差
Figure BDA0002547712280000054
Figure BDA0002547712280000055
其中，kp(ω)为m与n道之间的第p列网格单元弹性参数确定的局部空间波数，Δxp为m与n道之间第p列网格单元的宽度，P为m与n道之间的网格单元总列数；
步骤S53：将相位差代入下式：
Figure BDA0002547712280000061
P′(ω，v)为理论功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，xmn为m与n道之间的距离，K为滑动空间窗中的检波器总道数；
步骤S54：基于理论功率谱利用局部极大值搜索算法计算得到与每个滑动空间窗对应的理论频散曲线Vcal-ω，整合至一起得到理论数据dcal＝[Vcal(Wi，ωj)，i＝1，2，...，I；j＝1，2，...J]T，其中I和J分别为空间窗和频率点的个数。
步骤S6：计算实测频散曲线和理论频散曲线的拟合度，若未拟合则通过反演算法修正地下模型中各网格单元的参数并重复步骤S5～S6直至达到设定拟合精度，得到地下剪切波分布，该步骤中修正地下模型中各网格单元的参数包括对网格单元的弹性参数或同时对弹性参数和网格单元的厚度进行更新修正，其中网格单元的弹性参数包括剪切波速度、纵波速度和密度。
本实施例地下结构波速成像可用图5所示的二维剪切波速度断面图展示，由图5可以反映：在地下存在一速度低于105m/s的低剪切波速度区域，该低速区域对应的范围在水平方向上为5.5～17.5m、深度方向上为2.5～5.5m。利用本发明技术获取的剪切波速度模型结构与已知信息吻合较好，充分地说明了本技术方法的可靠性。需要说明的是本实施例地下结构波速成像中仅展示了二维剪切波速度，利用本发明方法进行地下探测不仅仅局限于剪切波速的探测，还可获取纵波速度、衰减因子等参数，为地下空间开发与浅地表工程勘查探测提供了一种有效的解决方法。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (8)

1.一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、布设接收排列进行面波数据的观测采集；
S2、采用不同尺度的滑动空间窗从面波数据中提取得到局部波场；
S3、对局部波场进行分析处理得到所有滑动空间窗对应的实测频散曲线；
S4、将地下模型离散为网格单元，对每个网格单元的弹性参数赋初值；
S5、计算所有滑动空间窗对应的理论频散曲线；
S6、计算实测频散曲线和理论频散曲线的拟合度，若未拟合则修正地下模型中各网格单元的参数并重复步骤S5～S6直至达到设定拟合精度，实现地下结构波速成像；
步骤S1中接收排列包括L个以一定道间距Δx布置而成的检波器；
步骤S5具体包括：
S51、计算每一列网格单元组合而成的层状模型的局部频散曲线；
S52、计算任意两道之间的相位差
Figure FDA0003015861620000011
Figure FDA0003015861620000012
其中，kp(ω)为m与n道之间的第p列网格单元弹性参数确定的局部空间波数，Δxp为m与n道之间第p列网格单元的宽度，P为m与n道之间的网格单元总列数；
S53、将相位差代入下式：
Figure FDA0003015861620000013
P′(ω，v)为理论功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，xmn为m与n道之间的距离，K为滑动空间窗中的检波器总道数；
S54、基于理论功率谱利用局部极大值搜索算法计算得到与每个滑动空间窗对应的理论频散曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，步骤S1进行面波数据的观测采集时设置初始炮点，每激发一次将炮点沿测线方向移动设定距离，每次激发后得到一组面波数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，步骤S2具体为：对于每一组面波数据均采用不同尺度的滑动空间窗沿接收排列方向滑动得到局部波场。
4.根据权利要求3所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、对于每一组面波数据提取出的局部波场分别生成各滑动空间窗对应的频散图像；
S32、对于任意一个滑动空间窗，将得到的多个频散图像进行叠加；
S33、根据叠加的频散图像得到各个滑动空间窗对应的实测频散曲线。
5.根据权利要求4所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，步骤S31中频散图像通过相移法或振幅归一化聚束分析得到，具体为：
Z(ω，v)＝|eH(ω，v)WS(ω)|
P(ω，v)＝Z(ω，v)2
其中，Z(ω，v)为相移法计算得到的实测振幅谱，P(ω，v)为振幅归一化聚束分析得到的实测功率谱，ω为角频率，单位为rad/s，v为试验相速度，单位为m/s，
Figure FDA0003015861620000021
为平面波导向矢量，eH(ω，v)为e(ω，v)的共轭转置矩阵，其中xi为滑动空间窗中每一道的偏移距，K为滑动空间窗中的检波器总道数，
Figure FDA0003015861620000022
为局部波场中每道信号傅里叶谱组成的列向量，
Figure FDA0003015861620000023
为振幅归一化加权矩阵，diag表示对角阵。
6.根据权利要求1所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，步骤S6修正地下模型中各网格单元的参数包括对网格单元的弹性参数或同时对弹性参数和网格单元的厚度进行更新修正。
7.根据权利要求6所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，网格单元的弹性参数包括剪切波速度、纵波速度和密度。
8.根据权利要求1所述的一种基于面波多尺度窗分析的地下探测方法，其特征在于，所述的修正通过反演算法进行。
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