一种微动勘探仪器及微动勘探方法

1.本发明涉及地震仪电子技术领域，尤其涉及一种微动勘探仪器及微动勘探方法。


背景技术：

2.微动是地球表面无论何时何地都存在的微小震动，是一种时间和空间上极不规则的震动现象，在浅层工程勘探领域，也叫地脉动，在大尺度地震层析成像中又被称为地震背景噪声。微动没有特定的震源，既由自然因素产生，也由人为因素产生。微动的能量以波的形式向远处传播，产生的信号振幅大约为10-4～10-2mm，频率范围主要集中在0.1～50hz，称为微动信号。由于震源复杂，微动信号可以被看做不同类型、不同速度波的集合，而波的传播取决于介质，所以微动信号中携带了地下介质信息，因此，可以通过微动勘探确定地表下方的内部结构。微动勘探技术以其具有无需人工源、抗干扰能力强、分辨率高、便捷环保等优势，在城市建设和地下空间开发等领域发挥着重要的作用。
3.微动勘探仪器一般由两部分单元组成，一部分为信号采集单元，常称之为检波器或地震仪，其负责微动信号的采集与存储。第二部分为信号处理分析单元，常为计算机软件，其负责通过一定的算法提取采集的微动信号中的频散曲线以分析地下结构。
4.目前，市场上比较具有代表性的微动勘探仪有：重庆地质仪器有限公司生产的esp便携式数字地震仪；深圳面元智能科技有限公司生产的smartsolo地震仪；重庆国科仪器有限公司生产的evs系列地震仪；合肥国为电子有限公司生产的gn309地震仪。然而他们都有共同的问题，即信号采集与信号处理分析分离。其地震仪仅为单一的信号采集单元，数据分析多为后期专业软件分析处理完成。一方面，此类仪器集成度不高，通常由施工人员进行连续的外业微动信号采集，随后返回进行内业工作，回收微动信号的数据进行手动处理与分析，操作繁琐。该仪器实时性较差，微动勘探周期较长，效率较低。另一方面，外业采集时存在环境干扰、检波器布置耦合不安全等风险因素，易采集到不良微动信号，影响地质数据处理的正确性。如若返回后才进行数据处理分析，可能存在返工重新勘探的风险。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种微动勘探仪器及微动勘探方法，用以解决现有技术中微动勘探仪集成度低导致的实时性差的问题。
6.为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种微动勘探仪器，包括：
8.控制单元，用于根据采集需求发出采集指令至采集单元；
9.采集单元，用于根据采集指令同步采集地球表面的多个微动信号，并将多个微动信号发送至嵌入式计算单元；
10.嵌入式计算单元，用于根据多个微动信号并基于h/v算法，实时计算h/v谱比值，并将h/v谱比值发送至所述成图单元；
11.成图单元，用于根据h/v谱比值，绘制等值线图。
12.第二方面，本发明还提供了一种微动勘探方法，基于上述的微动勘探仪器，包括：
13.获取采集需求，控制单元根据采集需求发出采集指令至采集单元；
14.根据采集指令启动采集单元，采集单元同步采集并存储地球表面的多个微动信号，并将多个微动信号发送至嵌入式计算单元；
15.基于h/v算法，嵌入式计算单元根据多个微动信号，实时计算h/v谱比值，并将h/v谱比值发送至成图单元；
16.成图单元根据h/v谱比值，绘制h/v等值线图。
17.优选的，获取采集需求，控制单元根据采集需求发出采集指令至采集单元，包括：
18.将采集单元布置在预设采集位置；
19.根据预设采集位置，确定采集需求；
20.控制单元根据采集需求发送采集指令至采集单元，控制采集单元采集多个微动信号。
21.优选的，基于h/v算法，嵌入式计算单元根据多个微动信号，实时计算h/v谱比值，包括：
22.基于h/v算法，嵌入式计算单元根据每一微动信号，得到每一微动信号的h/v谱比值；
23.嵌入式计算单元根据每一微动信号的h/v谱比值，计算综合h/v谱比值。
24.优选的，基于h/v算法，嵌入式计算单元根据每一微动信号，得到每一微动信号的h/v谱比值，包括：
25.对微动信号进行预处理，去除瞬时震动干扰信号；
26.对预处理后的微动信号进行分段处理，对分段处理后的微动信号进行加窗处理；
27.对加窗处理后的微动信号进行傅里叶变换，并进行滤波处理，得到频谱值；
28.根据频谱值，计算h/v谱比值。
29.优选的，对预处理后的微动信号进行分段处理，对分段处理后的微动信号进行加窗处理，包括：
30.确定时窗周期数，根据分段时间长度计算公式计算分段时间长度；
31.基于分段时间长度，对预处理后的微动信号进行分段处理；
32.确定窗函数，根据窗函数，对分段处理后的微动信号进行加窗处理；
33.其中，分段时间长度计算公式为f为当前计算的频率，t(f)为频率f下分段的时间长度，np为时窗周期数。
34.优选的，频谱值包括水平方向频谱值和垂直方向频谱值；水平方向频谱值包括东西向频谱值和南北向频谱值；根据频谱值，计算h/v谱比值，包括：
35.根据h/v谱比值计算公式，计算h/v谱比值；
36.其中，h/v谱比值计算公式为vf为微动信号垂直方向频谱值，h
ef
和h
nf
分别为微动信号水平方向上东西向和南北向频谱值。
37.优选的，成图单元根据h/v谱比值，绘制h/v等值线图，包括：
38.根据每一h/v谱比值，绘制每一h/v谱比值对应的h/v谱比曲线图；
39.根据每一h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图。
40.优选的，根据每一h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图，包括：基于双线性插值法，将每一h/v谱比曲线图进行拟合，得到h/v等值线图。
41.优选的，根据h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图，包括：将h/v等值线图进行归一化处理，得到h/v归一化等值线图。
42.采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种微动勘探仪器及微动勘探方法，通过控制单元控制采集单元开始采集，采集单元采集微动信号后，将微动信号发送至嵌入式计算单元，通过嵌入式计算单元计算出微动勘探结果，将微动勘探结果发送至成图单元，绘制出等值线图。本发明实现了将采集单元和计算单元集成在一个微动勘探仪器中，通过将采集单元和计算单元集成，可在外微动信号采集完毕后直接进行在线计算，现场实时查看到地质勘探结果，无需等待外业工作完毕后再进行内业手动数据分析，实现外业工作与内业数据分析的一体化，从而大大提高了地质勘探的效率同时避免了无效数据导致的返工，因此优化了勘探实时性且缩短了勘探周期。另外，仅需向该微动勘探仪器发出勘探指令即可等待获取勘探成果，数据回收及分析计算由仪器自动完成，无需人为干预，实现地质勘探的便捷化，极大的减小了地质勘探人员的作业压力，缩短了勘探项目中的数据处理与分析时间。
附图说明
43.图1为本发明提供的微动勘探仪器的一实施例的结构示意图；
44.图2为本发明提供的微动勘探方法的一实施例的流程示意图；
45.图3为本发明提供的微动勘探方法的一实施例的工作流程图；
46.图4为本发明提供的计算微动信号h/v谱比值的一实施例的流程示意图；
47.图5为本发明提供的单测点下多检波器的一实施例的h/v谱比曲线示意图；
48.图6为本发明提供的单测点下多检波器的一实施例的综合h/v谱比曲线示意图；
49.图7为本发明提供的多测点下多检波器的一实施例的综合频率域h/v等值线图；
50.图8为本发明提供的多测点下多检波器的一实施例的综合频率域h/v归一化等值线图；
51.图9为本发明提供的微动勘探仪器主控端控制单元的一实施例的界面示意图；
52.图10为本发明提供的微动勘探仪器主控端成图单元的一实施例的界面示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
54.在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.在对本技术的实施例进行阐述前，对相关词语进行解释说明：
56.h/v表示微动水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比，即h/v＝h(f)/v(f)。h/v谱比法即为水平/垂直分量谱比法。
57.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包
含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
58.本发明提供了一种微动勘探仪器及微动勘探方法，以下分别进行说明。
59.请参阅图1，图1为本发明提供的微动勘探仪器的一实施例的结构示意图，本发明的一个具体实施例，公开了一种微动勘探仪器，包括：
60.控制单元30，用于根据采集需求发出采集指令至采集单元10；
61.采集单元10，用于根据采集指令同步采集地球表面的多个微动信号，并将多个微动信号发送至嵌入式计算单元20；
62.嵌入式计算单元20，用于根据多个微动信号并基于h/v算法，实时计算h/v谱比值，并将h/v谱比值发送至所述成图单元40；
63.成图单元40，用于根据h/v谱比值，绘制等值线图。
64.需要说明的是，嵌入式计算单元和采集单元一起集成在本技术中的微动勘探仪器中。
65.在上述实施例中，采集单元10为分布式无线同步采集单元10，主要包括多个三分量检波器，需要在开始采集前需要根据预定位置及实际地理条件在待勘探现场布置，负责微动信号的采集与存储，形成原始勘探数据(微动信号)。
66.嵌入式计算单元20为嵌入式实时计算单元，用于回收存储分布式无线同步采集单元10现场采集的微动信号数据，对数据进行h/v谱比算法分析，现场直接生成微动勘探结果并存储，可以进行实时计算，从而实现降低勘探周期，减少数据处理与分析时间的效果。
67.控制单元30用于管理控制所述分布式无线同步采集单元10和嵌入式实时计算单元，可操控分布式无线同步采集单元10开始/取消信号采集、操控嵌入式实时计算单元进行在线数据分析计算。
68.成图单元40读取嵌入式实时计算单元分析得出的勘探结果一键式绘制得出h/v曲线图、频率域h/v等值线图以及频率域h/v归一化等值线图。
69.需要说明的是，本方案提供的微动勘探仪器内部拥有自建wifi局域网络，各单元间基于此自建局域网进行通讯。具体的说，分布式无线同步采集单元10、嵌入式实时计算单元、控制单元30及成图单元40之间的连接方法采用无线传输连接。
70.与现有技术相比，本实施例提供的一种微动勘探仪器，通过控制单元30控制采集单元10开始采集，采集单元10采集微动信号后，将微动信号发送至嵌入式计算单元20，通过嵌入式计算单元20计算出微动勘探结果，将微动勘探结果发送至成图单元40，绘制出等值线图。本发明实现了将采集单元10和计算单元集成在一个微动勘探仪器中，通过将采集单元10和计算单元集成，可在外微动信号采集完毕后直接进行在线计算，现场实时查看到地质勘探结果，无需等待外业工作完毕后再进行内业手动数据分析，实现外业工作与内业数据分析的一体化，从而大大提高了地质勘探的效率同时避免了无效数据导致的返工，因此优化了勘探实时性且缩短了勘探周期。另外，仅需向该微动勘探仪器发出勘探指令即可等待获取勘探成果，数据回收及分析计算由仪器自动完成，无需人为干预，实现地质勘探的便捷化，极大的减小了地质勘探人员的作业压力，缩短了勘探项目中的数据处理与分析时间。
71.请参阅图2，图2为本发明提供的微动勘探方法的一实施例的流程示意图，请参阅
图3，图3为本发明提供的微动勘探方法的一实施例的工作流程图，第二方面，本发明还提供了一种微动勘探方法，基于上述的微动勘探仪器，包括：
72.s201、获取采集需求，控制单元根据采集需求发出采集指令至采集单元；
73.s202、根据采集指令启动采集单元，采集单元同步采集并存储地球表面的多个微动信号，并将多个微动信号发送至嵌入式计算单元；
74.s203、基于h/v算法，嵌入式计算单元根据多个微动信号，实时计算h/v谱比值，并将h/v谱比值发送至成图单元；
75.s204、成图单元根据h/v谱比值，绘制h/v等值线图。
76.在上述实施例中，采集单元10通过设置的多个三分量检波器对地表的微动信号进行采集，在采集时，先将采集到的微动信号存储起来，在达到采集要求后，将该阶段采集的所有微动信号发送至嵌入式实时计算单元。
77.嵌入式计算单元20接收完毕所有微动信号以后，对每台三分量检波器的微动数据进行h/v算法分析计算，得出每台三分量检波器下方的h/v谱比值以及h/v谱比曲线，所有三分量检波器的h/v谱比曲线计算完毕以后，嵌入式实时计算单元对所有三分量检波器的h/v数据(h/v谱比值以及h/v谱比曲线)做均值处理，形成一个该测点台阵下方的综合h/v谱比曲线，随后将所有分析计算得到的结果文件存储并发送至成图单元40。
78.成图单元40读取嵌入式计算单元20计算得到的h/v数据，进行至少一个测点的单检波器h/v谱比曲线及综合h/v谱比曲线的绘制，并得出综合h/v谱比曲线图，在综合h/v谱比曲线图中标注出该测点下方的均值谐振频率以及谱比值，用于精确判断土石分界面。
79.可在外业微动采集完毕后直接进行在线计算并得出h/v曲线，现场实时查看到地质勘探结果。无需等待外业工作完毕后再进行内业手动数据分析，实现外业工作与内业数据分析的一体化，从而大大提高了地质勘探的效率同时避免了无效数据导致的返工问题。
80.在本发明的一些实施例中，获取采集需求，控制单元30根据采集需求发出采集指令至采集单元10，包括：
81.将采集单元10布置在预设采集位置；
82.根据预设采集位置，确定采集需求；
83.控制单元30根据采集需求发送采集指令至采集单元10，控制采集单元10采集多个微动信号。
84.在上述实施例中，根据现场勘探环境及预置模式布置分布式无线同步采集单元10，布置完成以后，分布式无线同步采集单元10内的三分量检波器与控制单元30建立连接并自动进行无线时钟校准和时间同步，随后进入待命状态等待下一步指令。
85.控制单元30发出启动采集指令，分布式无线采集单元10接收采集指令后进行同步的微动信号采集与存储，形成原始勘探数据文件。
86.需要说明的是，当采集达到预设采集时长时，采集单元10将所有微动信号发送至嵌入式计算单元20，预设采集时长可以根据实际情况进行设置，本技术在此不做进一步限制，当采集到预设采集时长后，分布式无线同步单元自动将所采集的微动数据无线传输至嵌入式实时计算单元。
87.在本发明的一些实施例中，基于h/v算法，嵌入式计算单元20根据多个微动信号，实时计算h/v谱比值，包括：
88.基于h/v算法，嵌入式计算单元20根据每一微动信号，得到每一微动信号的h/v谱比值；
89.嵌入式计算单元20根据每一微动信号的h/v谱比值，计算综合h/v谱比值。
90.在上述实施例中，每台三分量检波器都会独自采集微动信号，嵌入式计算单元20接受所有三分量检波器采集的微动信号，然后对每台三分量检波器都会进行h/v算法分析计算，得出每台三分量检波器下方的h/v数据，并计算出综合h/v谱比值。
91.可以自动对微动信号进行分析计算，无需人为干预，实现地质勘探的便捷化，极大的减小了地质勘探人员的作业压力，缩短了勘探项目中的数据处理与分析时间。
92.请参阅图4，图4为本发明提供的计算微动信号h/v谱比值的一实施例的流程示意图，在本发明的一些实施例中，基于h/v算法，嵌入式计算单元20根据每一微动信号，得到每一微动信号的h/v谱比值，包括：
93.s401、对微动信号进行预处理，去除瞬时震动干扰信号；
94.s402、对预处理后的微动信号进行分段处理，对分段处理后的微动信号进行加窗处理；
95.s403、对加窗处理后的微动信号进行傅里叶变换，并进行滤波处理，得到频谱值；
96.s404、根据频谱值，计算h/v谱比值。
97.在上述实施例中，检波器采集到的微动信号是地表的直接信号，其中包含了很多干扰信号，首先对微动信号进行预处理，去除瞬时强震动干扰信号，得到无杂的微动信号。
98.对无杂的微动信号进行分段处理和加窗处理，使用时窗周期数对无杂的微动信号进行分段，在分段处理结束后，进行加窗以抑制数据分段造成的频率混淆与频谱泄漏。
99.傅里叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号，可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工。通过傅里叶变换，将加窗处理后的微动信号转换为了易于分析的频域信号，在进行滤波处理，剔除异常值，即得到频谱值。
100.进一步，根据微动信号的频谱值计算出h/v谱比值。
101.在本发明的一些实施例中，对预处理后的微动信号进行分段处理，对分段处理后的微动信号进行加窗处理，包括：
102.确定时窗周期数，根据分段时间长度计算公式计算分段时间长度；
103.基于分段时间长度，对预处理后的微动信号进行分段处理；
104.确定窗函数，根据窗函数，对分段处理后的微动信号进行加窗处理；
105.其中，分段时间长度计算公式为f为当前计算的频率，t(f)为频率f下分段的时间长度，np为时窗周期数。
106.在上述实施例中，根据时窗周期数计算可变的时间长度，然后对预处理后的微动信号进行分段处理。在算法执行中，np是作为输入常数参数，本仪器默认np＝50。
107.进行加窗操作，即将信号与一个窗函数相乘，加窗的目的是让一帧信号的幅度在两端渐变到0，渐变对傅里叶变换有好处，可以提高变换结果(即频谱)的分辨率。
108.在本发明的一些实施例中，频谱值包括水平方向频谱值和垂直方向频谱值；水平方向频谱值包括东西向频谱值和南北向频谱值；根据频谱值，计算h/v谱比值，包括：
109.根据h/v谱比值计算公式，计算h/v谱比值；
110.其中，h/v谱比值计算公式为vf为微动信号垂直方向频谱值，h
ef
和h
nf
分别为微动信号水平方向上东西向和南北向频谱值。
111.在上述实施例中，检波器采集到的微动信号是一个三维空间下的信号，通过微动信号得到的频谱值也是一个三维空间下的参数，将频谱值进行分解，得到水平方向频谱值和垂直方向频谱值，再进一步将水平方向频谱值分解为东西向频谱值和南北向频谱值，由东西向频谱值和南北向频谱值计算h/v谱比值。
112.请参阅图5，图5为本发明提供的单测点下多检波器的一实施例的h/v谱比曲线示意图，请参阅图6，图6为本发明提供的单测点下多检波器的一实施例的综合h/v谱比曲线示意图，在本发明的一些实施例中，成图单元40根据h/v谱比值，绘制h/v等值线图，包括：
113.根据每一h/v谱比值，绘制每一h/v谱比值对应的h/v谱比曲线图；
114.根据每一h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图。
115.在上述实施例中，成图单元40可读取一个测点的h/v数据，也可以读取多个测点的综合h/v数据，并根据读取的h/v数据，绘制出h/v谱比曲线图。需要说明的是，综合h/v谱比曲线图中标注出该测点下方的均值谐振频率以及谱比值，用于精确判断土石分界面。
116.请参阅图7，图7为本发明提供的多测点下多检波器的一实施例的综合频率域h/v等值线图，在本发明的一些实施例中，根据每一h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图，包括：基于双线性插值法，将每一h/v谱比曲线图进行拟合，得到h/v等值线图。
117.在上述实施例中，图7为二维h/v剖面图，通过读取多个测点的h/v谱比结果，使用双线性插值的方法线性拟合相邻测点间的h/v曲线，得到一条测线下的n测点的h/v二维剖面图。相比于单个测点h/v结果，二维剖面图可以直观的看到地下基岩面的起伏变化情况，对于判断地下不良地质体(孤石、岩溶)位置有重要作用。
118.请参阅图8，图8为本发明提供的多测点下多检波器的一实施例的综合频率域h/v归一化等值线图，在本发明的一些实施例中，根据h/v谱比曲线图，绘制h/v等值线图，包括：将h/v等值线图进行归一化处理，得到h/v归一化等值线图。
119.在上述实施例中，将多测点频率域h/v等值线进一步进行归一化处理，取区间内h/v的最大值为1，将所有频率段归一化至[0，1]区间内，突出h/v谱比值的变化特性以更好的放大不良地质体特征。
[0120]
请参阅图9，图9为本发明提供的微动勘探仪器主控端控制单元的一实施例的界面示意图，所述分布式无线采集单元10及嵌入式实时计算单元工作状态及信息均显示在设备列表中，顶部工具栏可一键对仪器进行控制。按预置模式布置好分布式无线采集单元10，单击启动按钮即可控制系统进行采集计算，等待结果生成。
[0121]
请参阅图10，图10为本发明提供的微动勘探仪器主控端成图单元的一实施例的界面示意图，其包括：数据导入模块1、成图参数配置模块2、成图结果展示模块3。数据导入模块1可导入单个或多个嵌入式硬件计算单元计算的数据结果，成图参数配置模块2可对成图参数进行各项精细的调整，各项地质信息成果均展示在成图结果展示模块3中。导入数据后系统便可按照预置参数自动形成展示本次微动勘探结果。
[0122]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。