本发明公开了一种基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，包括：在异质体可疑区域附近布置一条参考测线，对测试信号作二维傅里叶变换得到频率—波数域谱，由谱脊线得到平均相速度；对测点测试信号作一维傅里叶变换，得到偏移距—频率域谱云图，由平均相速度将偏移距—频率域谱云图转换至偏移距—波长域谱云图，作为参考谱云图。在可疑区域布置一条测试线，得到测试谱云图，与参考谱云图比较，由谱云图特征扰动对应波长及偏移距预估异质体埋深、位置，由谱强度相对减弱或增强识别异质体类别。本发明通过对一组表面测点振动响应信号，得到偏移距—波长域表面波场谱云图，对谱图扰动特征分析，能预估异质体方位、埋深以及识别异质体类别。
1.一种基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、在异质体可疑区域附近布置一条参考测线，测线上等间距布置N个测点；
S2、以重锤作为振源的激振工具，激振位置与最近测点的距离确保测试波场由表面波主导，在激振位置地表放置锤垫，以多道地震仪或面波仪记录测线测点振动响应，得到距振源不同位置测点的测试信号；
S3、对不同位置的测试信号作柱面几何扩散衰减校正以消除柱面波阵面几何扩散导致测试信号衰减；
S4、对测线各测点测试信号作二维傅里叶变换得到频率—波数域谱，由谱脊线对应的频率及波数值，计算瑞利波平均波速，用符号 表示；
S5、对单个测点测试信号作傅里叶变换得到信号谱，由不同位置测点信号谱得到偏移距—频率谱云图，用符号λ及f分别表示波长及频率，根据波长、频率及瑞利波平均波速间关系式 将偏移距—频率谱云图转换至偏移距—波长域谱云图，由参考测线得到的谱云图作为参考谱云图；
S6、参考步骤S1、S2在异质体可疑区域地表面布置一条测试线，重新获取测试信号，按步骤S3对重新获取的测试信号作柱面几何扩散衰减校正，按步骤S5得到该测线上偏移距—波长域谱云图，作为测试谱云图；
S7、将步骤S6中测试谱云图与步骤S5中参考谱云图进行比较，在谱强度大于最大谱幅值10％的波长范围内，波能量较强，若测试谱云图与参考谱云图相似，认为在此波长范围内无可识别异质体；若测试谱云图与参考谱云图不相似，表示测试谱云图有较大扰动，由谱云图扰动位置对应的偏移距预估异质体前后边界位置；
S8、若测试谱云图在异质体上方波长较大谱强度呈减弱趋势，判断异质体剪切波速度相对周围介质较弱，为软质体；若波长较大波谱强度呈增强趋势，判断异质体剪切波速度相对周围介质较大，为硬质体；
S9、根据谱云图特征扰动对应的波长及偏移距预估异质体埋深及位置；
S10、重复步骤S6‑S9直至测线覆盖整个可疑区域。
2.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S1中布置测点的方法具体为：测线上等间距布置N个测点，N≥12，距振源由近至远测点编号依次为1、2、…、N，根据异质体长度及水平位置空间分辨率要求，测点间距取0.2～1m。
3.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S2中的激振位置、锤垫具体为：激振位置与最近测点距离为3‑5m，锤垫为长、宽10cm及厚3cm钢块。
4.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S3中进行几何扩散衰减校正的方法具体为：校正信号 由下式计算：
其中，r1、ri分别为第1个测点、第i个测点与振源间距，即偏移距，xi(t)为第i个测点信号，i＝1、2、…、N。
5.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S4中计算瑞利平均波速的方法具体为：用符号f及k分别表示频率及波数，由频率—波数域谱脊线各点对应的频率及波数按下式得到一组瑞利波速；
其中，下标j表示脊线上第j点，M表示在脊线上取点数量，fj及kj分别表示第j点对应的频率及波数，cj表示第j点对应瑞利波速；由脊线M个点对应的瑞利波速计算瑞利波平均波速，用符号 表示：
6.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S7中判断测试谱云图与参考谱云图是否相似的方法具体为：谱云图灰度或亮度与谱等值线等值距有关，当谱强度变化量小于最大谱幅值10％，在波能量较强分布波长范围内，测试谱云图灰度或亮度变化不明显，测试谱云图与参考谱云图相似，认为在此波长范围内无可识别异质体；当谱强度变化量大于或等于最大谱幅值
10％，在波能量较强分布波长范围内，测试谱云图灰度或亮度变化明显，测试谱云图与参考谱云图不相似。
7.根据权利要求1所述的基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，其特征在于，所述步骤S9中预估异质体埋深的方法具体为：确定前边界附近区域谱云图弱扰动对应最大特征波长，用符号λc1表示，对软质体，在后边界附近区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度增强，对硬质体，在后边界附近区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度减弱，用符号λc2标记后方谱强度增强或减弱对应最大特征波长，则异质体埋深ht介于这两个谱扰动特征波长之间，即λc1
基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土工程或市政工程地下浅部异质体探测技术领域，尤其涉及一种基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法。
背景技术
[0002] 岩土工程或市政中经常会遇到充气或充水地下防空洞、溶洞、管道、软土、淤泥等，这些异质体剪切波速(或称刚度)低于周围介质，为软质体，对飘石、混凝土块等异质体，刚度高于周围介质，为硬质体。当场地含软质体或硬质体会影响施工安全及工程质量，特别是隧道盾构施工过程可能存在以下风险：开挖面失稳；衬砌结构稳定性受影响；地面沉降、建(构)筑物变形；盾构机突陷；盾构机刀盘刀具损坏；岩溶水侵蚀等，为确保施工安全及工程质量，地下异质体必须及时探测及处理。
[0003] 当场地存在异质体时，异质体与周围介质的材料特性参数出现差异，从而形成一个材料特性参数分界面。材料参数有热学的，磁学的、电学的、力学的，目前，已发展了很多不同种类物探方法探测这些物性参数分界面，如地质雷达、井中雷达、电磁波CT、高密度电法、电法CT等，不同物探方法有其局限性及适用范围。
[0004] 波的运动学及动力学特性对介质力学参数变化敏感，地震反射及折射法就是通过对体波在异质体散射分析探测异质体。但对浅部异质体，体波散射波在表面波场能量相对较弱，且体波散射波与表面波时间窗口往往重叠，因此，体波散射波信号识别难度较大。与体波相比，瑞利波能量主要分布于一个波长深度内，当浅部存在异质体，相对体波散射，瑞利波散射能量较大。
[0005] 对洞穴情形，已有一些研究利用瑞利波散射时程曲线确定洞穴位置及埋深，为了突出测试信号中瑞利波散射路径，需在频率—波数域对信号二维滤波，压制前行瑞利波。滤波参数与前行瑞利波波速有关，滤波参数设置不合适会影响滤波效果及分析结果。瑞利波散射导致表面波场表观相速度随频率扰动，扰动形态与洞穴位置及深度有关，利用表面两不同位置测点信号作互谱分析可得到表观相速度，但该方法易受体波干扰、测点与洞穴以及测点间距离等因素影响。由于不同波长在洞穴上方能量变化程度不同，利用谱强度扰动可较好预测地下浅部洞穴位置及埋深。洞穴只是软质体一个特例，浅部软质体及硬质体对表面波散射特征不同于洞穴情形，针对洞穴探测各种分析方法应用于一般地下浅部软质体及硬质体探测分析，可能会导致漏判或误判。本发明旨在基于表面谱扰动特征与异质体软硬类别关系，给出地下浅部异质体类别识别方法，同时也给出适用于各类异质体的方位及埋深预估方法。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，它利用软、硬异质体上方表面波谱强度扰动特征不同，通过对偏移距‑波长域谱云图扰动分析，由谱强度变化对应的偏移距，预测异质体在测线上沿波传播方向位置；由异质体上方表面谱强度减弱或增强识别异质体软硬类别；由异质体前后方谱扰动特征波长预测异质体埋深范围。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 本发明提供一种基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法，该方法包括以下步骤：
[0009] S1、在异质体可疑区域附近布置一条参考测线，测线上等间距布置N个测点；
[0010] S2、以重锤作为振源的激振工具，激振位置与最近测点的距离确保测试波场由表面波主导，在激振位置地表放置锤垫，以多道地震仪或面波仪记录测线测点振动响应，得到距振源不同位置测点的测试信号；
[0011] S3、对不同位置的测试信号作柱面几何扩散衰减校正以消除柱面波阵面几何扩散导致测试信号衰减；
[0012] S4、对测线各测点测试信号作二维傅里叶变换得到频率—波数域谱，由谱脊线对应的频率及波数值，计算瑞利波平均波速，用符号 表示；
[0013] S5、对单个测点测试信号作傅里叶变换得到信号谱，由不同位置测点信号谱得到偏移距—频率谱云图，用符号λ及f分别表示波长及频率，根据波长、频率及瑞利波平均波速间关系式 将步骤S4的偏移距—频率谱云图转换至偏移距—波长域谱云图，由参考测线得到的谱云图作为参考谱云图；
[0014] S6、参考步骤S1、S2在异质体可疑区域地表面布置一条测试线，重新获取测试信号，按步骤S3对重新获取的测试信号作柱面几何扩散衰减校正，按步骤S5得到该测线上偏移距—波长域谱云图，作为测试谱云图；
[0015] S7、将步骤S6中测试谱云图与步骤S5中参考谱云图进行比较，在谱强度大于最大谱幅值10％的波长范围内，波能量较强，若测试谱云图与参考谱云图相似，认为在此波长范围内无可识别异质体；若测试谱云图与参考谱云图不相似，表示测试谱云图有较大扰动，由谱云图扰动位置对应的偏移距预估异质体前后边界位置；
[0016] S8、若测试谱云图在异质体上方波长较大谱强度呈减弱趋势，判断异质体剪切波速度相对周围介质较弱，为软质体；若波长较大波谱强度呈增强趋势，判断异质体剪切波速度相对周围介质较大，为硬质体；
[0017] S9、根据谱云图特征扰动对应的波长及偏移距预估异质体埋深及位置；
[0018] S10、重复步骤S6‑S9直至测线覆盖整个可疑区域。
[0019] 进一步对，本发明的所述步骤S1中布置测点的方法具体为：
[0020] 测线上等间距布置N个测点，N≥12，距振源由近至远测点编号依次为1、2、…、N，根据异质体长度及水平位置空间分辨率要求，测点间距取0.2～1m。
[0021] 进一步对，本发明的所述步骤S2中的激振位置、锤垫具体为：
[0022] 激振位置与最近测点距离为3‑5m，锤垫为长、宽10cm及厚3cm钢块。
[0023] 进一步对，本发明的所述步骤S3中进行几何扩散衰减校正的方法具体为：
[0024] 校正信号 由下式计算：
[0025]
[0026] 其中，r1、ri分别为第1个测点、第i个测点与振源间距，即偏移距，xi(t)为第i个测点信号，i＝1、2、…、N。
[0027] 进一步对，本发明的所述步骤S4中计算瑞利平均波速的方法具体为：
[0028] 用符号f及k分别表示频率及波数，由频率—波数域谱脊线各点对应的频率及波数按下式得到一组瑞利波速；
[0029] cj＝2πfj/kj j＝1,2,…,M
[0030] 其中，下标j表示脊线上第j点，M表示在脊线上取点数量，fj及kj分别表示第j点对应的频率及波数，cj表示第j点对应瑞利波速；由脊线M个点对应的瑞利波速计算瑞利波平均波速，用符号 表示：
[0031]
[0032] 进一步对，本发明的所述步骤S7中判断测试谱云图与参考谱云图是否相似的方法具体为：
[0033] 谱云图灰度或亮度与谱等值线等值距有关，当谱强度变化量小于最大谱幅值10％，在波能量较强分布波长范围内，测试谱云图灰度或亮度变化不明显，测试谱云图与参考谱云图相似，认为在此波长范围内无可识别异质体；当谱强度变化量大于或等于最大谱幅值10％，在波能量较强分布波长范围内，测试谱云图灰度或亮度变化明显，测试谱云图与参考谱云图不相似。
[0034] 进一步对，本发明的所述步骤S9中预估异质体埋深的方法具体为：
[0035] 确定前边界附近区域谱云图弱扰动对应最大特征波长，用符号λc1表示，对软质体，在后边界附近区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度增强，对硬质体，在后边界附近区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度减弱，用符号λc2标记后方谱强度增强或减弱对应最大特征波长，则异质体埋深ht介于这两个谱扰动特征波长之间，即λc1＜ht＜λc2。
[0036] 本发明产生的有益效果是：
[0037] (1)表面波沿表面传播，波指向性好，能量分布于一个波长深度，通过选择振源可控制探测深度及谱频率范围；
[0038] (2)异质体上方表面波场不同频率成份谱强度变化程度不同，相对于基于瑞利波散射路径或相速度扰动分析，谱云图扰动对异质体埋深及类别敏感；
[0039] (3)通过测点距可以调整异质体在传播方向分辨率
[0040] (4)对软硬异质体，异质体谱具有明显不同特征，由谱扰动易于识别异质体类别；
[0041] (5)偏移距和波长与位置参数及深度量纲相同，偏移距‑波长域谱云图扰动参数与洞穴方位及埋深参数具有直接相关性，结果可视化程度高。
附图说明
[0042] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0043] 图1是本发明实施例的均匀介质表面不同位置测试信号；
[0044] 图2是本发明实施例的均匀介质表面不同位置测试信号频率—波数域谱；
[0045] 图3是本发明实施例的均匀介质表面波场偏移距—波长域参考谱云图；
[0046] 图4是本发明实施例的表面波探测地下浅部异质体测试及分析示意图；
[0047] 图5是本发明实施例的含软质体表面不同位置测试信号；
[0048] 图6是本发明实施例的含软质体表面波场偏移距—波长域谱云图；
[0049] 图7是本发明实施例的含硬质体表面不同位置测试信号；
[0050] 图8是本发明实施例的含硬质体表面波场偏移距—波长域谱云图。
具体实施方式
[0051] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0052] 本发明实施例中，某均匀场地两不同区域分别设置了软土层及硬土层两类异质体，异质体长10m,埋深1m,高1m，本实施例以此两类异质体为例对基于表面波谱扰动特征识别地下浅部异质体类别方法加以说明。本发明包括以下步骤：
[0053] (1)在均匀区域布置一条测线，测线共有60测点，测点距0.4m,测点与振源最近距离为5m,由多道地震仪记录测点拾振器信号，测试信号经柱面几何扩散衰减校正后见图1；
[0054] (2)对测试信号作二维傅里叶变换得到频率—波数域谱，见图2，由谱能量最大脊线计算瑞利波平均波速
[0055] (3)对不同位置测试信号分别作傅里叶变换得到偏移距—频率域谱云图，利用波长与频率关系 将频率转换成波长，得到偏移距—波长域参考谱云图，谱强度大于最大谱幅值10％的波长范围见参考谱云图3；
[0056] (4)在软土层上方表面布置一条测线，测线共有60测点，测点距0.4m,测点与振源最近距离为5m,振源中心距软土层最近水平为15m，测试布置示意图如图4，由多道地震仪记录测点拾振器信号，测试信号经柱面几何扩散衰减校正后见图5；
[0057] (5)由步骤(2)得到的瑞利波平均波速 及图5所示不同位置测试信号，得到偏移距—波长域测试谱云图，见图6；
[0058] (6)在波能量较大的波长范围，比较测试与参考谱云图，在偏移距15m‑25m范围，一些波长相对埋深较大成份谱强度减弱，相对于10m‑15m之间谱强度，15m‑17m区域谱强度随波长呈渐进减弱，见图6箭头A所示，相对于15m‑25m之间谱强度,在25m‑27m区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度增强，见区域B所示。在偏移距方向，谱云图扰动与软质体位置基本对应，谱强度减弱与软质体类型对应，埋深介于前边界附近区域谱弱扰动特征波长及后边界谱强度增强特征波长之间，谱云图扰动区域与软质体区域比较见图6。
[0059] (7)采用步骤(4)方法，在硬土层上方表面布置一条测线，测试信号经柱面几何扩散衰减校正见图7；
[0060] (8)由步骤(2)得到的瑞利波平均波速 及图7所示不同位置测试信号，得到偏移距—波长域测试谱云图，见图8；
[0061] (9)在波能量较大的波长范围，比较测试与参考谱云图，在偏移距15m‑25m范围，一些波长相对埋深较大成份谱强度增强，相对于10m‑15m之间谱强度，15m‑16m区域谱强度随波长呈渐进增强，见图8箭头A所示，相对于15m‑25m谱幅值,在25m‑26m区域，一些波长相对埋深较大成份谱强度减弱，见箭头B所示。偏移距方向谱扰动与硬质体位置基本对应，谱强度增强与硬质体类型对应，埋深介于前边界弱扰动特征波长及后边界谱强度减弱特征波长之间，谱云图扰动区域与硬质体区域比较见图8。
[0062] 应当理解的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
