[发明专利]一种两道多模式瑞利波地下探测系统及方法

权利要求书

1.一种两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，包括：人工锤击震源、多分量检波器、采集站主机、电脑以及若干数据传输线；

其中，

所述多分量检波器的信号输出端通过数据传输线与所述采集站主机的输入端相连；

所述采集站主机的信号输出端与所述电脑的信号输入端相连，信号从所述多分量检波器传入所述电脑；

所述电脑对垂向和水平径向分量地震数据进行处理提取多模式瑞利波频散曲线并反演得到地下结构。

2.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述多分量检波器用于数据采集，记录垂向和水平径向分量的地震数据；所述多分量检波器的数量为2个。

3.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述人工锤击震源与两个多分量检波器布设于一条直测线上，多分量检波器的垂向分量沿铅垂方向竖直向下，水平分量与直测线远离震源的延展方向一致。

4.如权利要求3所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，人工锤击震源与较近的多分量检波器的间距为5-15米，2个多分量检波器的间距为5-20米，人工锤击震源激发时重锤垂向下落高度不低于2米。

5.如权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测系统，其特征在于，所述电脑安装有fortran或matlab数据处理软件。

6.一种基于权利要求1所述的两道多模式瑞利波地下探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以常规一维直测线方式布设2道多分量检波器，并令检波器垂向分量沿重力方向竖直向下，检波器的一个水平向分量沿测线展布方向，利用人工锤击震源在测线端点外侧延长线一定距离处激发地震信号，则两道多分量检波器记录的信号为U_v(i,t)、U_h(i,t)，其中i＝1,2表示道号，t表示时间序列，U_v和U_h分别表示垂向记录和沿着测线方向的水平径向记录；

步骤2：对检波器记录的数据进行初至切除、带通滤波预处理，将预处理后的垂向和水平径向记录组合记为复数，其中水平径向记录数据做为复数的实部，垂向记录数据做为复数的虚部，即U_complex(i,t)＝U_h(i,t)+j·U_v(i,t)，j表示单位虚数，并规定径向分量远离震源方向的振动位移记为正实部，反之为负实部；垂向分量向下的振动位移记为正虚部，反之为负虚部；

步骤3：对步骤2得到的U_complex(i,t)计算相位角：

式中Imag表示虚部，Real表示实部。将计算得到的相位角解缠，使其沿时间序列连续展开，则质点振动轨迹“逆进”的基阶模式瑞利波信号将呈现出相位角随时间减小的特征，而质点轨迹“顺进”的第一高阶模式瑞利波将呈现相位角随时间增大的特征；

步骤4：利用Savitzky-Golay滤波器对步骤3得到的相位角数据进行平滑滤波，消除噪声引起的相位角数据高频扰动，然后绘制相位角随时间变化的曲线图，则基阶模式瑞利波信号在相位角曲线上表现为负斜率，第一高阶模式瑞利波信号在相位角曲线上表现为正斜率；

步骤5：瑞利波模式分离，根据步骤4得到的两道记录的相位角数据，将斜率为正的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到基阶模式瑞利波记录，记为U_v基阶(i,t)、U_h基阶(i,t)；将斜率为负的部分所对应时刻的时间域波形记录进行充零处理，则得到第一高阶模式瑞利波记录记为U_v高阶(i,t)、U_h高阶(i,t)；

步骤6：利用SASW或双台法对基阶模式瑞利波U_v基阶(1,t)和U_v基阶(2,t)进行处理，计算得到基阶频散曲线；同样方法对高阶模式瑞利波U_v高阶(1,t) 和U_v高阶(2,t)数据进行处理，计算得到第一高阶模式频散曲线；

步骤7：利用半波长法估计地下地层的初始横波速度模型，然后利用基于奇异值分解的阻尼最小二乘方法对基阶和第一高阶频散曲线进行联合反演，得到地下横波速度结构，实现对地下介质结构的探测。