本發(fā)明屬于工程地球物理探測，特別涉及利用地表微弱振動(dòng)信號(hào)的一種基于隨機(jī)減量技術(shù)的瑞雷面波提純的微動(dòng)h/v曲線和變化率的計(jì)算方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、地球表面無論何時(shí)何地都存在一種天然的微弱震動(dòng)，它源于自然界和人類的各種活動(dòng)。自然界中的風(fēng)、潮汐、氣壓變化、火山活動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)；而人類活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)包括車輛移動(dòng)、工廠機(jī)械運(yùn)行，甚至人的行走等，前者頻率小于1hz，后者頻率大于1hz。

2、所有這些震動(dòng)的能量將以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，微動(dòng)是一種由體波(p波和s波)和面波(rayleigh波和love波)組成的復(fù)雜震動(dòng)，并且垂直方向上面波的能量占信號(hào)總能量的2/3以上。盡管微動(dòng)信號(hào)的振幅和形態(tài)隨時(shí)空變化而發(fā)生變化，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程描述。

3、目前的微動(dòng)探測方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線，主流方法是通過對頻散曲線和h/v的聯(lián)合反演，從而獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)(具體參考以下文件arai?h,tokimatsu?k.2005.s-wave?velocity?profiling?by?jointinversion?of?microtremor?dispersion?curve?and?horizontal-to-vertical(h/v)spectrum[j].bulletin?of?the?seismological?society?of?america,95(5):1766-1778。d’amico?v,picozzi?m,baliva?f,albarello?d.2008.ambient?noise?measurements?forpreliminary?site-effects?characterization?in?the?urban?area?of?florence,italy[j].bulletin?of?the?seismological?society?of?america,98(3):1373-1388.)。

4、微動(dòng)h/v曲線本質(zhì)為震動(dòng)在不同巖土層結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)垂直方向和水平方向的能量分配占比會(huì)發(fā)生變化，不同的土層結(jié)構(gòu)觀測到的h/v曲線的形態(tài)量值各不相同，即能量的占比分配能夠直接反映地下巖土層的結(jié)構(gòu)變化，這也是h/v曲線能夠用于探測地下巖土層中異常體的依據(jù)。

5、國內(nèi)外學(xué)者也將微動(dòng)h/v曲線應(yīng)用到工程地震領(lǐng)域。王偉君等(2011)利用微動(dòng)h/v探測保定地區(qū)近地表結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算土石分界面深度的變化，推斷保定斷裂兩條垂直位錯(cuò)明顯的正斷層。梁東輝等(2020)也采用微動(dòng)h/v曲線進(jìn)行地下河管道和溶洞探測。微動(dòng)h/v曲線也被用來獲取沉積層厚度，如張若晗等(2020)利用數(shù)據(jù)得到廣州及佛山部分地區(qū)的共振頻率和沉積層厚度分布；也適用于確定冰雪蓋層厚度，在冰川、南極冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測等方面已有了成功應(yīng)用(lévêque?et?al.,2010；picotti?et?al.,2017；yan?et?al.,2018)

6、傳統(tǒng)的微動(dòng)探測技術(shù)主要基于平穩(wěn)隨機(jī)過程理論，通過分析微動(dòng)信號(hào)中的面波頻散曲線和水平到垂直(h/v)譜比，來推斷地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)在工程地質(zhì)勘探、地震活動(dòng)性評估和地下結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮了重要作用。然而，現(xiàn)有技術(shù)在處理h/v譜比時(shí)，未能有效分離和剔除體波和love波的影響，導(dǎo)致對地下結(jié)構(gòu)變化的識(shí)別存在一定的局限性。常規(guī)的h/v曲線分析方法是對采集到的三分量數(shù)據(jù)按照下式進(jìn)行計(jì)算，并沒有進(jìn)行rayleigh波提純，是所有波形計(jì)算得到的結(jié)果：

7、

8、式中：為常規(guī)h/v值，hbody，hlove，hrayleigh為體波、love波、rayleigh波的水平分量振幅譜，vbody，vrayleigh為體波、rayleigh波的垂直分量振幅譜。由上面公式可看出，水平分量和垂直分量包含所有類型波場的能量，而實(shí)際上體波，love波、rayleigh波的各自能量占比很難測量，因此微動(dòng)頻散曲線與h/v曲線的聯(lián)合反演的準(zhǔn)確度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種提純的微動(dòng)h/v曲線和變化率的計(jì)算方法及應(yīng)用。

2、本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種提純的微動(dòng)h/v曲線和變化率的計(jì)算方法及應(yīng)用，它包括以下步驟：

3、步驟1：采用二維小間距的方式布置三分量檢波器，并采集地表微震動(dòng)信號(hào)，采集記錄時(shí)間不少于5min；

4、步驟2：分別計(jì)算基于隨機(jī)減量技術(shù)的瑞雷面波提純的各臺(tái)三分量檢波器所采集數(shù)據(jù)的微動(dòng)h/v曲線和變化率；包括以下流程：

5、流程(1).對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線漂移校正預(yù)處理；

6、流程(2).去除近場短時(shí)強(qiáng)干擾信號(hào)，獲取相對平穩(wěn)的微動(dòng)信號(hào)；

7、流程(3).對三分量信號(hào)采用隨機(jī)減量技術(shù)進(jìn)行瑞雷波提純，求取h/v曲線；它包括以下過程：

8、過程(1).對信號(hào)進(jìn)行分窗處理；

9、過程(2).根據(jù)設(shè)定的頻率范圍和采樣率，采用切比雪夫窄帶濾波器對分窗數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到窄帶信號(hào)vf(t)；

10、過程(3).查找窄帶信號(hào)垂直分量數(shù)值符號(hào)變化點(diǎn)，以這些符號(hào)變化點(diǎn)為窄帶信號(hào)三分量新時(shí)窗的起點(diǎn)，這些符號(hào)變化點(diǎn)τi需要滿足以下條件：

11、vf(τi)≤0,且vf(τi+dt)＞0

12、式中，vf為切比雪夫?yàn)V波器后的窄帶垂直分量信號(hào)，dt為時(shí)間采樣率，

13、這樣，就形成了一系列新的時(shí)窗長度為δ的三分量數(shù)據(jù)，公式如下：

14、vf,i(t)＝vf(τi+t)

15、

16、式中，0≤t≤δ，f為切比雪夫?yàn)V波器的中心頻率，vf,i,ef,i,nf,i分別為切比雪夫?yàn)V波后的垂直分量，e-w分量，n-s分量信號(hào)，i為新時(shí)窗序號(hào)，t為時(shí)間序列，為在水平兩分量的時(shí)移，瑞雷波的垂直分量和水平分量有90°相移，故相當(dāng)于90°相移；

17、過程(4).對此時(shí)窗δ內(nèi)的兩個(gè)水平分量數(shù)據(jù)進(jìn)行投影得到合成的水平分量，公式如下，

18、hf,i(t)＝sin(θi)·ef,i(t)+cos(θi)·nf,i(t)

19、式中θi∈[0,2π]，且使垂直分量vf,i(t)和水平分量hf,i(t)的相關(guān)最大，計(jì)算公式如下：

20、

21、歸一化后的垂直分量和水平分量的相關(guān)系數(shù)c2f,i公式如下：

22、

23、過程(5).在時(shí)窗δ內(nèi)對水平分量hf,i(t)和垂直分量vf,i(t)使用相關(guān)系數(shù)c2f,i進(jìn)行加權(quán)，所有時(shí)窗δ進(jìn)行求和，得到新的水平分量hf,w(t)和垂直分量vf,w(t)，公式如下：

24、

25、過程(6).利用下列公式得到當(dāng)前頻率的h/v值；

26、

27、過程(7).對過程(2)設(shè)定的所有頻率進(jìn)行過程(2)至過程(6)的處理，得到h/v曲線；

28、過程(8).對所有分窗數(shù)據(jù)的h/v曲線進(jìn)行幾何平均，得到最終的h/v曲線；

29、流程(4).對h/v曲線進(jìn)行差分計(jì)算，得到h/v變化率曲線；

30、其中，流程(1)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線漂移校正過程如下：過程1.將原始數(shù)據(jù)按每2000個(gè)采樣點(diǎn)分為一段；過程2.分別對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到擬合結(jié)果；過程3.將每一段的原始數(shù)據(jù)減去該段的擬合結(jié)果，得到基線漂移校正后的結(jié)果數(shù)據(jù)；

31、步驟3：用matlab程序?qū)⒏鳒y點(diǎn)的h/v曲線和變化率曲線繪制二維h/v曲線和變化率曲線等值線圖或者三維切片圖；

32、步驟4：根據(jù)二維h/v曲線和變化率曲線等值線圖或者三維切片圖的異常特征推斷解釋異常目標(biāo)體。

33、所述基于微動(dòng)h/v變化率的計(jì)算方法，本發(fā)明的應(yīng)用在城市地質(zhì)調(diào)查、工程勘察和地下空間開發(fā)等領(lǐng)域提供了快速、準(zhǔn)確且環(huán)境友好的解決方案。

34、較之現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

35、1、本發(fā)明采用了人類活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源，人類活動(dòng)密集的城市環(huán)境不僅不會(huì)形成干擾，相反為淺層微動(dòng)勘探提供了豐富的高頻信號(hào)源；微動(dòng)勘探不需要人工激發(fā)的震源，不會(huì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，對地表?xiàng)l件要求低，不會(huì)妨礙交通，只需在測試時(shí)進(jìn)行靈活的臨時(shí)交通布控，完成測試后，可立即撤走布控設(shè)施；

36、2、引入并優(yōu)化隨機(jī)減量技術(shù)提純r(jià)ayleigh面波，計(jì)算的h/v曲線更接近rayleigh面波基階模態(tài)的橢圓率，物理意義明確，適用于聯(lián)合反演；同時(shí)對提純的h/v曲線計(jì)算變化率，可以了解地層波阻抗從大到小或從小到大順序變化的規(guī)律，能夠放大土層中細(xì)微的信號(hào)異常，更有效的反映出土層中障礙物或不良地質(zhì)的位置和細(xì)節(jié)變化；

37、3、采用二維小間距的方式布置檢波器，可以繪制三維的yz向、xz向和yz向的等頻率切片圖，能夠直觀呈現(xiàn)出障礙物的三維分布范圍。