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。
技术实现要素：
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；
以所述声源为原点，沿所述声源激励方向构成一直角坐标系，两所述传感器沿垂直于所述声源激励方向的地表布放，且二者与所述声源的声程不同，信号采集方向与所述声源激励方向一致。
进一步地，所述短时互相关系数定义如下：
其中，x1(t)代表近端传感器信号，x2(t)代表远端传感器信号，
进一步地，激励信号通过功率放大器放大，且放大后反馈给激振器，所述激振器通过金属底座安装于地表，其中，激励时长根据所述激振器辐射效率进行调节。
进一步地，求取两个所述传感器之间的预估时延，将所述预估时延标注于短时互相关系数图中形成直线，与所述直线最为接近的曲线即为所述短时互相关系数的主瓣，主瓣峰值所对应的曲线即为所述互相关时延曲线。
进一步地，通过互相关或频谱相位的方法求取两个所述传感器之间的所述预估时延。
进一步地，所述互相关时延曲线与土壤弹性波色散曲线的关系如下：
其中，r为两个传感器之间的声程差，f-1(f)代表声源的调频频率为f时所对应的时间，τ(t)为互相关时延曲线。
通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：
本发明中，减小了算法参数对色散曲线的影响，通过设计并使用调频信号激励，计算两个传感器之间的短时互相关系数，确定互相关时延曲线，获取唯一且稳定的色散曲线；在设计调频信号时，通过增加对应频段的激励时长，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，相对于迭代匹配算法，降低了计算复杂度与计算量，参数的选取难度更小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的测量方法的流程图；
图2为表面波色散曲线测量示意图；
图3为水平横波色散曲线测量示意图；
图4为实施例中短时互相关系数结果；
图5为实施例中本发明的测量方法与频谱相位法得到的色散曲线对比图，其中实线为本发明方法的结果，虚线为频谱相位曲线法的结果；
附图标记：竖直点声源201、垂直于地面方向202、柱坐标系径向方向203、第一振动传感器204、第二振动传感器205、水平点声源301、声源激励方向302、垂直于声源激励方向的方向303、第三振动传感器304、第四振荡传感器305。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种土壤弹性波色散曲线的测量方法，包括以下步骤：
s1：依据测量需求设计声源调频信号；
s2：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；
s3：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；
s4：判断短时互相关系数的主瓣，确定互相关时延曲线；
s5：计算并绘制土壤中弹性波的色散曲线。
作为上述实施例的优选，步骤s3中，激励信号通过功率放大器放大，且放大后反馈给激振器，激振器通过金属底座安装于地表，其中，激励时长根据激振器辐射效率进行调节，具体地，在激振器辐射效率较低的频段上，应增加对应频段的激励时长。
作为上述实施例的优选，步骤s1中，声源调频信号的调频频率为时间的函数，记为f＝f(t)，其中，声源调频信号调频频率的变化率根据土壤弹性波色散的剧烈程度进行调节，具体地，在土壤弹性波色散较为剧烈的频段上，应减缓调频信号的频率变化率。
在具体实施过程中，步骤s2中，当弹性波为表面波时，使用竖直点声源激励；以声源为原点，垂直于地面的方向为轴向构建一柱坐标系，两传感器沿柱坐标系径向设置，且二者与声源的声程不同，信号采集方向与所述柱坐标系径向方向一致。具体如图2所示，以竖直点声源201为原点，垂直于地面方向202为轴向构成一柱坐标系；在柱坐标系径向方向203方向布放第一振动传感器204与第二振动传感器205。
或者，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；以声源为原点，沿声源激励方向构成一直角坐标系，两传感器沿垂直于声源激励方向的地表布放，且二者与声源的声程不同，信号采集方向与声源激励方向一致。具体如图3所示，以水平点声源301为原点，沿声源激励方向302构成一直角坐标系，在垂直于声源激励方向的方向303的地表布放第三振动传感器304和第四振荡传感器305。
作为上述实施例的优选，步骤s3中，短时互相关系数定义如下：
其中，x1(t)代表近端传感器信号，x2(t)代表远端传感器信号，
作为上述实施例的优选，步骤s4中，求取两个所传感器之间的预估时延τpredict。将τpredict标注于短时互相关系数图中形成直线，与直线最为接近的曲线即为所述短时互相关系数的主瓣，主瓣峰值所对应的曲线即为互相关时延曲线，记为τ(t)。其中，两个传感器之间的预估时延的求取可通过互相关或频谱相位的方法，且可使用噪声或脉冲信号进行激励。
作为上述实施例的优选，步骤s5中，互相关时延曲线与土壤弹性波色散曲线的关系如下：
其中，r为两个传感器之间的声程差，f-1(f)代表声源的调频频率为f时所对应的时间，τ(t)为互相关时延曲线。
综上所述，本发明中的技术方案在色散曲线测量前，依据所测弹性波类型，选择地表声源与传感器布置方式；针对地表声源激励，具体地，使用调频信号激励，即产生连续缓变的周期信号，因此在地表波场中，弹性波调频频率缓慢变化，由于土壤的色散特性，两个传感器之间的时延亦随时间缓慢变化，形成描述时延随时间变化的时延曲线。
在地表振动信号采集过程中，使用两个振动传感器采集地表振动信号，二者之间存在直达波声程差，当地表传感器与声源距离较近时，辐射场以直达波为主，直达波波速可由两个传感器所采信号的时延和传感器声程差求得。
在求取色散曲线的过程中，计算每一窗时间下弹性波的调频频率；使用窗时间的互相关时延和直达波声程差计算波速，作为相应频率点所对应的波速，绘制出“波速-频率”图，即可得到色散曲线。
以下将上述实施例赋予实际数据来证明测量方法所获得测量结果：
在具体测定土壤水平横波色散曲线时，测量频段为40hz至200hz，采用加速度计作为传感器来采集地面振动信号，采样频率为32768hz。
土壤水平横波色散曲线测量的具体实施步骤与结果如下：
1.调频信号设计过程中，依据测量需求设计16s扫频信号，扫频频率区间为40hz至200hz；
2.地表声源与传感器布放方式选取过程中，选择图3所示的测量方案。其中，第三振动传感器304和第四振荡传感器305与水平点声源301之间的距离分别为0.5m和3m，传感器采集信号方向为声源激励方向302一致，信号采样率为32768hz；
3.短时互相关系数求取过程中，使用2048点的矩形窗，窗时间步长为1024点，对应辨率为0.0312s,得到了短时互相关曲面图，如图4所示；
4.在求取时延曲线过程中，使用800hz低通带限噪声激励，通过互相关得到两个传感器之间的预估时延，约为0.01892s，如图4中的半透明平面所示；如图可见，预估时延τpredict与短时互相关曲面图中时间为0.02s附近的一条峰值曲线最为吻合，据此判断该曲线为短时互相关系数的主瓣，该曲线被确定为互相关时延曲线，记为τ(t)；
5.在色散曲线求取步骤中，已知两个传感器之间声程差为2.5m，则在窗时间为t时，传感器之间的弹性波波速为：
已知声源调频频率随时间变化函数为：
求取f＝f(t)的反函数t＝f-1(f)并带入到弹性波波速与时间的关系中，得到色散曲线：
由上式所绘的色散曲线如图5所示,图中实线为本发明所涉方法的结果，“*”形标记为频谱相位曲线法得到的结果,本实施例中的频谱相位曲线法使用了线性最小二乘拟合算法，在计算每个频点相速度时，使用了20个频点的数据，与之相对应的频带宽度为40hz，“*”形标记的横坐标为相应频带的中点。
由图5所示，频谱相位曲线的结果中出现了较大的波动，且与本发明所涉方法存在偏差。这是由于土壤中弹性波直达声波在某些频段的信噪比低，导致相位结果的偏移，从而引起色散曲线的较大波动。对比可见，本发明的测量方法中频率分辨率远高于频谱相位曲线法，色散曲线的波动范围较小，可通过多次测量得到更为平滑的土壤的色散曲线。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。