基于多重同步压缩变换的面波群速度频散能量成像方法

本发明涉及地球探测与信息，尤其是涉及基于多重同步压缩变换的面波群速度频散能量成像方法。

背景技术：

1、横波速度是近地表岩土工程十分重要的参数，其准确与否对于水文地质与工程地质十分重要。地震面波是无损获取近地表横波速度的重要方法之一。当前地震面波方法主要是利用瑞雷波的相速度反演计算而得，多数研究也集中在相速度频散能量成像方面，而对于群速度的频散能量成像方面开展的研究较少。近年来，国内外一些专家对群速度频散能量开展了研究，主要方法有多重滤波法、小波变换法及基于s变换的时频分析法。但这些方法多存在频散能量图分辨率较低、鲁棒性较差、计算量较大等不足。

2、当前面波群速度频散能量成像方法有多重滤波法、小波变换法及基于s变换的时频分析法。但这些方法多存在频散能量图分辨率较低、鲁棒性较差、计算量较大等不足。如当前较为常用的多重滤波方法对地震记录采用一系列带通滤波器，并计算所得信号的包络来估计群速度。该方法利用的是带通滤波器的中心频率或包络的瞬时频率作为群速度计算时的频率。此方法存在能量聚焦性较差且在低频端群速度计算误差较大的不足。基于s变换的时频分析方法通过调节高斯时窗宽度去获得较高的时频分辨率并提高低频段频散曲线估计的准确度，但在实践中发现该方法在面波多模态时频散成像效果较差、分辨率不高且调节时窗参数十分困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于多重同步压缩变换的面波群速度频散能量成像方法，相对于其他方法主要在两个环节进行了改进：（1）从时频分析环节通过采用时频谱大幅提高且具有较高计算效率的多重压缩变换方法显著提高了面波群速度频散谱的分辨率及并具有较高的计算效率；（2）在共频率切片群速度扫描环节采用相似系数法进一步提高了频散成像的能量聚焦性及在复杂环境噪音下的抗干扰能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于多重同步压缩变换的面波群速度频散能量成像方法，包括以下步骤：

3、s1、输入地震面波数据 s( t,x)并对该地震面波数据的每一道进行多重同步压缩变换到时间-频率域，将每道的时间-频率域数据合并到一起产生一个三维时频数据体 ts( t, x, f)；

4、s2、对步骤s1的三维时频数据体 ts( t, x, f)沿频率轴提取频率为 f i时的共频率切片数据 ts( t, x)；

5、s3、设置群速度区间[ v min ,v max]，将在步骤s2得到的共频率切片数据 ts( t, x)采用相似系数法倾斜扫描叠加的方式计算面波群速度区间内不同速度的叠加能量；

6、s4、对频率范围为[ f min ,f max]的共频率切片数据重复步骤s2与步骤s3，将不同频率、不同面波群速度下的叠加能量合并在一起得到最终的面波频散能量图。

7、优选的，在步骤s1中，包括以下步骤：

8、s11、首先对地震面波数据进行振幅增益、滤波及切除处理，增强面波信号，然后对每道地震面波数据进行短时傅里叶变换；

9、s12、设置迭代次数为 n，对短时傅里叶变换结果进行多重同步压缩变换。

10、优选的，在步骤s11中，其中，单道地震信号 s( t)表示为：

11、                                     （1）

12、式中， k为单组分信号的个数， t为时间， x为偏移距， a k( t)为瞬时振幅， ᵠ k( t)为瞬时相位， i为虚数单位；

13、对应的地震信号短时傅里叶变换为：

14、                                   （2）

15、式中，为信号 s( t)的短时傅里叶变换， g( u-t)为时窗， u为时移因子，是角频率。

16、优选的，在步骤s12中，其多重同步压缩变换过程如下表述：

17、                             （3）

18、式中，为脉冲函数，是多次迭代估算的瞬时频率， η为同步压缩变换的频率。

19、优选的，在步骤s3中，对步骤s2的所有频率范围的共频率切片数据 ts( t, x)在截距时间 t=0处采用相似系数法倾斜扫描叠加的方式计算不同面波群速度时的叠加能量，其中，相似系数法倾斜扫描叠加的公式如下：

20、                                       （4）

21、式中， sc为不同群速度计算的叠加能量， l为地震道数目 ，m为截距时间 t=0~ m的时窗， r i为偏移距为 x时群速度 v对应的延迟时，即 r i =( x i /v) /δ t， a为地震道序号， b为时间采样点序号。

22、因此，本发明采用上述基于多重同步压缩变换的面波群速度频散能量成像方法，采用通过多重同步压缩变换以快速获得高质量、高分辨率的频散图像，解决传统时频分析方法面波频散能量分辨率较低的不足，在此时频分析基础之上采用相似系数法分析方法提高群速度频散能量成像在噪音干扰下的鲁棒性和分辨率。该方法简便易行，显著提高了面波群速度频散谱的分辨率及抗噪性，并具有较高的计算效率。

23、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。