[发明专利]一种土壤弹性波色散曲线的测量方法

说明书

本发明属于物质或物体探测技术领域，尤其涉及一种土壤弹性波色散曲线的测量方法，包括以下步骤：依据测量需求设计声源调频信号；依据所测弹性波为水平横波或表面波，选择合适的地表声源与两个传感器的布置方式；通过声源激励，两个传感器同步采集地面振动信号，计算两振动信号的短时互相关系数；判断短时互相关系数的主瓣，确定互相关时延曲线；计算并绘制土壤中弹性波的色散曲线。本发明中减小了算法参数对色散曲线的影响，获取唯一且稳定的色散曲线，解决了部分频段信噪比低的问题，具有较高的频率分辨率；在保证色散曲线频率分辨率的情况下，使用短时互相关进行时延估计，降低了计算复杂度与计算量，参数的选取难度更小。

技术领域

本发明属于物质或物体探测(地球物理勘探/浅埋物体探测)技术领域，具体地，涉及一种土壤弹性波色散曲线的测量方法。

背景技术

土壤属于多相颗粒介质，存在色散特性，即弹性波波速随频率发生变化。土壤弹性波的色散曲线是浅埋物体探测技术中的重要参数，为浅埋物体探测提供重要信息，具体地，为消除尾波影响和成像鬼影等奠定了基础。

现有色散曲线测量技术可分为频谱相位曲线法及迭代匹配法：

(1)频谱相位曲线法：该方法被广泛于电磁波与弹性波色散曲线测量，多采用脉冲或扫频等宽带激励信号，使用激光拾振仪或振动传感器采集振动信号，通过计算不同位置的振动信号之间的相位-频率曲线斜率估计时延，使用光程或声程差除以时延，得到色散曲线。但在土壤弹性波色散曲线测量应用中，该方法在求取相位曲线斜率时，斜率结果受曲线拟合区间宽度影响，即曲线拟合的宽度不同，色散曲线不同；此外，该方法受激励换能器频响与激励信号频谱特征的限制，在一些频段上信噪比低。

(2)迭代匹配法：此方法被应用于表面波色散曲线测量，在计算过程中调整材料各频率的广义胡克系数张量，将正演模拟结果与实测结果进行比较；经过多次迭代，得到色散曲线。该方法在处理实测数据时采用频谱相位曲线法，因此，存在与频谱相位法相同的问题，且该方法涉及到弹性波正演与求逆，计算量较大、计算复杂度较高，且对参数敏感。

鉴于上述两种方法所存在的问题，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种土壤弹性波色散曲线的测量方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种土壤弹性波色散曲线的测量方法，从而有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种土壤弹性波色散曲线的测量方法，包括以下步骤：

依据测量需求设计声源调频信号；

依据所测弹性波为水平横波或表面波，选择合适的地表声源与两个传感器的布置方式；

通过所述声源激励，两个所述传感器同步采集地面振动信号，计算两所述振动信号的短时互相关系数；

判断所述短时互相关系数的主瓣，确定互相关时延曲线；

计算并绘制土壤中弹性波的色散曲线。

进一步地，所述声源调频信号的调频频率为时间的函数。

进一步地，所述声源调频信号调频频率的变化率根据所述土壤弹性波色散的剧烈程度进行调节。

进一步地，当所述弹性波为表面波时，使用竖直点声源激励；

以所述声源为原点，垂直于地面的方向为轴向构建一柱坐标系，两所述传感器沿所述柱坐标系径向设置，且二者与所述声源的声程不同，信号采集方向与所述柱坐标系径向方向一致。

进一步地，当所测弹性波为水平横波时，使用水平点声源激励，声源激励方向平行于地表；