一种基于连续扫频振动的低频岩石物理测量方法

本发明涉及地震勘探中的低频岩石物理测量，具体涉及一种基于连续扫频振动的低频岩石物理测量方法。

背景技术：

1、岩石的弹性参数及能量耗散特征与频率、温度、压力和孔隙流体状态有关。低频应力-应变振动实验通过向岩样施加小幅动态载荷，测量载荷与形变之间的振幅和相位关系，可用于研究地震频段内的弹性频散与衰减，为地震资料解释和储层岩石物理建模提供实验依据。

2、现有低频测量通常采用离散固定频率激励，即在若干预设频率点依次施加正弦振动，待各频点响应稳定后记录多个周期，再计算该频率下的力学参数。该方式需要反复切换频率并等待系统稳定，宽频测量时间较长；当选取的频点较少时，难以充分描述频带内连续变化的参数，也可能遗漏局部频散特征。

3、连续扫频激励可在一次记录中覆盖一段频带，但其频率随时间变化，力和形变信号属于非平稳信号。直接采用整段记录的幅值统计量，不能获得随扫频时间变化的振幅比和相位差；仅对整段信号作傅里叶变换，也不利于区分沿扫频轨迹分布的有效信号与固定频率干扰、脉冲干扰等噪声。尤其在岩样形变较弱时，噪声会使幅值包络及瞬时相位发生明显波动。

4、此外，激振器驱动电压并不等于实际作用于岩样的动态力；重复扫频记录的触发偏差可能引起错位叠加；传感器幅频响应、通道固定时延和加载部件柔度也会影响测得的振幅比及相位差。当分析频带接近加载后测量系统的共振频率时，惯性与共振效应还可能使测量结果偏离岩样自身的准静态动态刚度。因此，需要建立从扫频设计、同步实测、记录对齐、时频域去噪到幅相提取和仪器校正的完整处理流程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于连续扫频振动的低频岩石物理测量方法，在设定温度、围压和轴向压力条件下，利用连续扫频激励、实际输入力与岩样形变同步采集、重复记录对齐叠加及时频域去噪，测定岩样振幅比值、相位差及相关力学参数；通过对实际输入力和岩样形变进行同步采集、对齐叠加、滑动短时窗傅里叶变换、时频域噪声压制及逆变换，获得去噪后的时间域信号，并由振幅包络比和瞬时相位差表征岩样在扫频过程中的力学响应。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、一种基于连续扫频振动的低频岩石物理测量方法，包括以下步骤：

4、s1，在既定温度、围压和轴向压力条件下，设计并确定参考扫频信号；

5、s2，通过激振器向待测岩样施加连续扫频振动，利用动态力传感器采集作用于待测岩样的实际输入力值，并利用形变传感器同步采集待测岩样的轴向形变响应；

6、s3，重复s2步骤不少于n次；

7、s4，将步骤s3采集到的力值信号和形变信号按照共同触发时刻对齐后进行叠加；

8、s5，对s4步骤得到的叠加信号进行滑动短时窗傅里叶变换获得时频谱；

9、s6，在时频谱内识别噪音与有效信号，并对噪音进行压制；

10、s7，对s6步骤获得的信号进行反傅里叶变换，得到时间域信号；

11、s8，根据s7得到的处理后的力值信号和形变信号计算二者随扫频时间变化的振幅比值与相位差进一步地，步骤s1中，参考扫频信号采用线性扫频时，参考扫频信号及其瞬时频率分别表示为：

12、；

13、其中，a为基准幅值，为窗函数以保证信号起止阶段平稳过渡，和分别为起始频率和终止频率，为扫频信号持续时间内的时间变量，t为扫频持续时间，为初始相位。

14、参考信号用于定义扫频时间与频率的关系，力学参数计算所用输入量为动态力传感器实测的力值。

15、进一步地，步骤s3中，重复次数n为大于4的整数；在相同扫频参数和试验条件下重复采集，将力与形变两通道的记录作为成对数据进行检查，对各次记录施加相同的时间校正量，再分别进行相干叠加。采用归一化平均叠加时，两通道使用相同的记录集合和相同权重，以保持二者原有的振幅比及相位关系。

16、进一步地，步骤s4中，对齐叠加要求每次重复扫频的起始时刻进行比对校正，然后再分别对输入力值和轴向形变响应进行叠加，避免造成由于错位叠加引起的信号畸变；叠加之后求平均，分别得到平均输入力值和平均轴向形变响应如下所示；

17、；

18、；

19、其中，j为记录序号，n为最大重复次数，为第j次重复测试的实际输入力值，为第j次重复测试采集到的待测岩样轴向形变响应。

20、进一步地，步骤s5中，滑动短时窗傅里叶变换是指利用时窗函数将s4获得的力值信号和形变信号划分成多个连续的片段，然后对每一个片段进行傅里叶变换，从而将一维时间域信号变换到二维时间-频率域信号。

21、进一步地，步骤s6中的噪音与有效信号识别，首先分析参考扫频信号的时频域特征进行有效信号特征确认，然后对步骤s4得到的平均输入力值和平均轴向位移形变响应进行时频域滤波达到压制噪音的目的，实现有效信号时频谱分离，得到去噪之后的有效平均输入力值和有效平均轴向位移形变响应。

22、进一步地，骤s7中，反傅里叶变换是指通过傅里叶逆变换，将时频域有效信号变换至时间域，得到时间域去噪之后的力值和形变信号。

23、进一步地，步骤s8中，振幅比值是通过首先分别求取力值信号振幅包络和形变振幅包络，然后计算二者的比值，然后再经过仪器校正获得样品的刚度。

24、进一步地，步骤s8中相位差是分别对力值信号和形变信号作希尔伯特变换，然后获得二者的瞬时相位差；对步骤s6得到的和分别作希尔伯特变换，相对应得到和，然后求取其振幅包络比值和瞬时相位差：

25、；

26、；

27、其中，unwrap是相位解卷绕计算，atan2为求取相位差的反正切函数。

28、滑动短时窗傅里叶变换通过沿时间轴移动窗函数，对相邻且有重叠的信号片段分别进行傅里叶变换，获得同时包含幅值和相位信息的复时频谱。根据参考扫频信号的时频轨迹及实测输入力的时频分布确定有效信号区域，在保留有效信号复数信息的条件下抑制区域外噪声；随后对各窗口内的复频谱作逆变换，并采用与分析窗和窗间步长匹配的重叠相加及归一化方式恢复连续时间记录。

29、对恢复得到的力值信号和形变信号分别构建希尔伯特解析信号，取其模值作为振幅包络，取其辐角作为瞬时相位。以同一时刻的力振幅包络除以形变振幅包络，获得振幅比；对两通道瞬时相位进行展开并相减，获得相位差。经传感器灵敏度、通道幅相响应及必要的加载系统柔度校正后，得到岩样的刚度及相位响应。

30、对于瞬时频率单调变化的扫频记录，在满足局部窄带和缓变响应条件的有效时段内，按照已知扫频规律将时间域振幅比和相位差映射到相应频率。在线性黏弹性解释适用且仪器相位已校正时，可进一步求取复动态刚度及刚度损耗因子；在形变标距和岩样几何尺寸明确时，可换算相应的复弹性模量。

31、本发明具有以下有益效果：

32、（1）连续扫频在单次激励中覆盖预设频带，减少离散频点切换及反复等待过程，并获得沿扫频轨迹连续分布的响应信息。在达到相同有效频带和数据质量要求的条件下，有利于缩短宽频测试时间并提高参数曲线的采样密度。

33、（2）同步实测实际输入力和岩样形变，可将激振器输出随频率变化的影响纳入力与形变的比值计算；结合传感器幅相校正，可减少用驱动指令代替输入力及通道时延造成的系统误差。

34、共同触发与成对时间校正使重复扫频信号保持相干。对于重复之间近似独立、零均值的随机噪声，平均叠加能够降低噪声幅值，提高弱形变响应的可识别程度；时频域处理进一步利用有效信号沿扫频轨迹分布的特征，抑制叠加后残留的轨迹外噪声。

35、（3）先对复时频谱去噪并重构时域信号，再提取包络与瞬时相位，可减小噪声对幅值比及相位差的扰动，形成与扫频时间和频率对应的参数曲线。保存完整力与形变记录还可支持重复性检查、重新选择处理参数及相关脉冲压缩分析。上述改善程度由噪声特征、扫频速率、仪器标定和试验稳定性共同决定。