CN104459763A - 紧支集小波探测地下空洞位置的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧支集小波探测地下空洞位置的方法，涉及地下空洞探测技术领域，该方法包括确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，根据紧支集小波分析法对采集的瑞雷波地震数据进行分析得到时-频分布图，根据时-频分布图分别计算出瑞雷波相速度和深度，以相速度为横坐标，深度为纵坐标，绘制H-V关系图，H-V关系图中相速度发生突变的地方即为地下空洞的位置。本发明的有益效果：因为瑞雷波是时变信号，选用的紧支集小波能兼顾小波函数的紧支集和平滑性，能高精度的模仿和分析瑞雷波地震信号，通过紧支集小波分析法探测地下空洞位置能准确判断地下空洞的具体的位置，提高判断地下空洞位置的准确性。

Description

紧支集小波探测地下空洞位置的方法及***

技术领域

本发明涉及地下空洞探测技术领域，特别涉及一种紧支集小波探测地下空洞位置的方法及***。

背景技术

天然形成或人工挖凿形成的地下空洞，对城市基础建设具有潜在巨大隐患。弄清地下空洞、空穴的分布情况是进行工程施工前需要解决的重要问题之一。地震勘探以其高分辨率特点在空洞探测中相较于其他地球物理方法具有显著优势，其中瑞雷面波勘探技术已经成为该方面的研究热点，比如MASW、ReMi、AARW和Spiking Fileter Analysis在空洞、地下管道探测中的应用，究其原因是因为瑞利面波在近地表的能量要远大于其他弹性波。近地表存在不均匀体时，沿近地表传播的瑞雷面波会发生散射现象，散射的强度取决于不均匀体与周围介质的物性差异。现有的技术探测地下空洞位置根据瑞雷波的波长不同，其穿透深度相应不同的特性，频散曲线会出现异常跳动，可以判断地下空洞的位置。如果不是空洞，是其他物体时，也会存在异常跳动，因此，现有技术存在容易误判的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种紧支集小波探测地下空洞位置的方法及***，能提高探测地下空洞位置准确度。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明提供了一种紧支集小波探测地下空洞位置的方法，包括以下步骤：

S1：确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，所述数字检波器检测原始瑞雷波地震数据；

S2：对所述数字检波器的检测数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，得到瑞雷波的相速度；

S3：根据所述瑞雷波的相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度，以所述相速度为横坐标，所述深度为纵坐标，绘制深度-相速度关系图；

S4：判断所述关系图中是否存在相速度发生突变，如果存在，相速度发生突变处为空洞位置。

进一步，所述S2根据所述探测数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，再根据所述时-频分布图得到时间差，得到瑞雷波的相速度的具体步骤包括，

S201：根据所述相距为x的相邻数字检波器的两道地震波数据记录分别利用紧支集小波法绘制时-频分布图；

S202：在所述时-频分布图上确定一个固定频率，在所述时-频分布图上找到所述频率能量极值点所对应的时间，计算出所述频率在相邻两个时-频分布图上的时间差t；

S203：根据V＝x/t计算出所述频率的瑞雷波相速度。

进一步，所述S3中根据瑞雷波相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度的具体步骤：将所述V代入H＝V/(2f)计算出H，其中，H代表深度即瑞雷波从地面传到地下的距离，V表示相速度，以V为横坐标，H为纵坐标，绘制出H-V关系图。

本发明还包括一种紧支集小波探测地下空洞位置的***，包括传感器组，用于采集监测点的地震波数据；

地震波数据处理模块，用于对所述传感器组采集的数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，计算出瑞雷波的相速度，再计算出瑞雷波从地面传到地下的深度，以相速度为横坐标，深度为纵坐标绘制深度-相速度关系图，判断关系图中是否存在相速度发生突变的地方，如果存在，所述相速度发生突变处为地下空洞位置；

输出装置，用于输出地震波数据处理模块判断出地下空洞所在的位置。

进一步，所述传感器组采用多个数字检波器。

进一步，所述地震波数据处理模块计算出瑞雷波的相速度的具体步骤包括：

S201：根据所述相距为x的相邻数字检波器的两道地震波数据记录分别利用紧支集小波法绘制时-频分布图；

S202：在所述时-频分布图上确定一个固定频率，在所述时-频分布图上找到所述频率能量极值点所对应的时间，计算出所述频率在相邻两个时-频分布图上的时间差t；

S203：根据V＝x/t计算出所述频率的瑞雷波相速度。

进一步，所述地震波数据处理模块根据瑞雷波相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度的具体步骤：将所述V代入H＝V/(2f)计算出H，其中，H代表深度即瑞雷波从地面传到地下的距离，V表示相速度，以V为横坐标，H为纵坐标，绘制出H-V关系图。

本发明的有益效果：

本发明的紧支集小波探测地下空洞位置的方法，确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，根据紧支集小波分析法对采集的瑞雷波地震数据进行分析得到时-频分布图，根据时-频分布图分别计算出瑞雷波相速度和深度，以相速度为横坐标，深度为纵坐标，绘制H-V关系图，H-V关系图中相速度发生突变的地方即为地下空洞的位置。因为瑞雷波是时变信号，选用的紧支集小波能兼顾小波函数的紧支集和平滑性，能高精度的模仿和分析瑞雷波地震信号，通过紧支集小波分析法探测地下空洞位置能准确判断地下空洞的具体的位置，提高判断地下空洞位置的准确性。

紧支集小波探测地下空洞位置的***采用的硬件简单，只需在待检测点安装多个数字检波器，即可采集瑞雷波原始实测数据，根据实测数据得出波形图，再根据紧支集小波分析法得到时-频分布图，再计算出相速度和深度，绘制H-V关系图，判断H-V关系图中是否存在相速度发生突变，如果相速度发生突变，则可以确定相速度发生突变的位置为地下空洞的位置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明实施例1的流程图；

图2为本发明的一个数字检波器根据实测的数据绘制的波形图；

图3为本发明的另一个数字检波器根据实测的数据绘制的波形图；

图4为本发明的H-V关系图；

图5为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，

实施例1

本发明包括一种紧支集小波探测地下空洞位置的方法，具体包括以下步骤：

S1：确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，所述数字检波器检测原始瑞雷波地震数据；

S2：对所述数字检波器的检测数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，得到瑞雷波的相速度；

S3：根据所述瑞雷波的相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度，以所述相速度为横坐标，所述深度为纵坐标，绘制深度-相速度关系图；

S4：判断所述关系图中是否存在相速度发生突变，如果存在，相速度发生突变处为空洞位置。

确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，如图1所示，在激震源附近设置多个数字检波器，数字检波器之间的间距为x。根据间距为x的2个数字检波器实测瑞雷波地震数据绘制的波形图，如图2和图3所示。根据数字检波器采集的地震数据，选取间距为x的两道数字检波器的数据利用紧支集小波函数进行分析，分析后得到时-频分布图。

利用紧支集小波分析求瑞雷波相速度的过程：

设f∈L²(R),紧支集小波变换的定义为 $W_f(a,b)=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}\left(1\right),$ 式(1)中，b平移参数，a为尺度参数。式(1)我们可以看出，正是窗函数(2)，式(2)中的尺度参数a和位置参数b的变化使紧支集小波变换具有了局域特性，它既是时间的函数又是频率的函数。式(1)即为信号f(t)的时-频分布函数，利用这个时-频分布函数，可以求得瑞雷波的相速度：

(1)对相距为x的N个检波器接收到的信号做多尺度紧支集小波分析根据不同尺度所对应的频率段，选取需要的尺度下的信号。对选定的信号再做多尺度的紧支集小波分析得到一系列时-频分布图；

(2)对于每一个固定频率f，分别在每个时-频分布图上寻找该频率能量极值点所对应的时间t₁、t₂、…t_n，进而可以计算出该频率在相邻两个时－频分布图上的时间差t＝t_n-t_n-1(0＜n＜N)，这个时差就是该频率以其相速度在相邻两个检波器之间传播形成的时间差；

(3)相速度的计算利用公式

$V=\frac{x}{t}---\left(3\right)$

可计算出每一固定频率f在相邻两道传播的相速度V。

(4)频散曲线的绘制。根据第(3)步的计算结果，可以绘出瑞雷波相速度随频率的变化曲线。

(5)根据半波长解释法其中，H代表深度即波从地面传到地下的距离，V表示相速度。根据由式(3)、式(4)计算出的H，V，以横坐标为V，纵坐标为H，绘制出H与V的关系图。如图4所示，在地底下0.05～0.15m处出现相速度发生突变，说明该处存在空洞。因此，通过H-V即深度与相速度之间的关系图就可以确定地下空洞所在的位置。

由于瑞雷波是时变信号，选用的紧支集小波能兼顾小波函数的紧支集和平滑性，能高精度的模仿和分析信号，通过紧支集小波分析法探测地下空洞位置能准确判断地下空洞的具体的位置，提高判断地下空洞位置的准确性。

实施例2

如图5所示，本发明还包括一种紧支集小波变换探测地下空洞位置的***，包括传感器组，用于采集监测点的地震波数据；地震波数据处理模块，用于对所述传感器组采集的数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，计算出瑞雷波的相速度，再计算出瑞雷波从地面传到地下的深度，以相速度为横坐标，深度为纵坐标，绘制H-V关系图，判断H-V关系图中所示相速度是否发生突变，如果相速度发生突变，H-V关系图中示出相速度发生突变处为地下空洞位置；输出装置，用于输出地震波数据处理模块判断出地下空洞的位置。传感器组与地震波数据处理模块连接，地震波数据处理模块与输出装置连接。所述传感器组采用多个数字检波器，数字检波器之间的间距为x。

地震波数据处理模块计算出瑞雷波的相速度的具体步骤包括：

S201：根据所述相距为x的相邻数字检波器的两道地震波数据记录分别利用紧支集小波法绘制时-频分布图；

S202：对于每一个固定频率f，分别在每个时-频分布图上寻找该频率能量极值点所对应的时间t₁、t₂、…t_n，进而可以计算出该频率在相邻两个时－频分布图上的时间差t＝t_n-t_n-1(0＜n＜N)，这个时差就是该频率以其相速度在相邻两个数字检波器之间传播形成的时间差；

S203：根据V＝x/t计算出所述频率的相速度可计算出每一固定频率f在相邻两道传播的相速度V。

地震波数据处理模块判断空洞位置的具体方法：将所述V代入H＝V/(2f)计算出H，其中，H代表深度即波从地面传到地下的距离，V表示相速度，以V为横坐标，H为纵坐标，绘制出H-V关系图，判断H-V关系图中是否存在相速度发生突变的地方如果存在，则关系图中相速度发生突变的地方为地下空洞位置，地震波数据处理模块判断出地下空洞的具***置。如图4所示，在地底下0.05～0.15m处出现相速度发生突变，说明该处存在空洞。

输出装置输出地震波数据处理模块处理后判断出空洞的位置，供人们参考。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.紧支集小波探测地下空洞位置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定监测区域，在监测区域中确定监测点，在监测点的具***置安装数字检波器，所述数字检波器检测原始瑞雷波地震数据；

S2：对所述数字检波器的检测数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，得到瑞雷波的相速度；

S3：根据所述瑞雷波的相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度，以所述相速度为横坐标，所述深度为纵坐标，绘制深度-相速度关系图；

S4：判断所述关系图中是否存在相速度发生突变，如果存在，相速度发生突变处为空洞位置。

2.如权利要求1所述的紧支集小波探测地下空洞位置的方法，其特征在于：所述S2根据所述探测数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，再根据所述时-频分布图得到时间差，得到瑞雷波的相速度的具体步骤包括，

S201：根据所述相距为x的相邻数字检波器的两道地震波数据记录分别利用紧支集小波法绘制时-频分布图；

S202：在所述时-频分布图上确定一个固定频率，在所述时-频分布图上找到所述频率能量极值点所对应的时间，计算出所述频率在相邻两个时-频分布图上的时间差t；

S203：根据V＝x/t计算出所述频率的相速度。

3.如权利要求1所述的紧支集小波探测地下空洞位置的方法，其特征在于：所述S3中根据瑞雷波相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度的具体步骤：将所述V代入H＝V/(2f)计算出H，其中，H代表深度即瑞雷波从地面传到地下的距离，V表示相速度，以V为横坐标，H为纵坐标，绘制出H-V关系图。

4.紧支集小波探测地下空洞位置的***，其特征在于：包括传感器组，用于采集监测点的地震波数据；

地震波数据处理模块，用于对所述传感器组采集的数据利用紧支集小波分析法获取时-频分布图，然后根据所述时-频分布图得到时间差，计算出瑞雷波的相速度，再计算出瑞雷波从地面传到地下的深度，以相速度为横坐标，深度为纵坐标绘制图形，判断所述绘制图形中是否存在相速度发生突变的地方，所述相速度发生突变处为地下空洞位置；

输出装置，用于输出地震波数据处理模块判断出地下空洞所在的位置。

5.如权利要求4所述的紧支集小波探测地下空洞位置的***，其特征在于：所述传感器组采用多个数字检波器。

6.如权利要求4所述的紧支集小波探测地下空洞位置的***，其特征在于：所述地震波数据处理模块计算出瑞雷波的相速度的具体步骤包括：

S201：根据所述相距为x的相邻数字检波器的两道地震波数据记录分别利用紧支集小波分析法绘制时-频分布图；

S202：在所述时-频分布图上确定一个固定频率，在所述时-频分布图上找到所述频率能量极值点所对应的时间，计算出所述频率在相邻两个时-频分布图上的时间差t；

S203：根据V＝x/t计算出所述频率的瑞雷波相速度。

7.如权利要求4所述的紧支集小波探测地下空洞位置的***，其特征在于：所述根据瑞雷波相速度计算得到瑞雷波从地面传到地下的深度的具体步骤：将所述V代入H＝V/(2f)计算出H，其中，H代表深度即瑞雷波从地面传到地下的距离，V表示相速度，以V为横坐标，H为纵坐标，绘制出H-V关系图。