本发明涉及地震勘探与地下结构反演，具体涉及一种基于六分量地震仪采集信号空间相关性的虚拟测点频散曲线提取及地下结构反演方法。
背景技术：
1、六分量地震仪能够同时采集三分量平动与三分量旋转信号，相较于传统的单分量地震仪和三分量地震仪，在地震波场分析中具有显著优势。具体而言，六分量地震仪能记录地震波在空间中六个自由度上的振幅与相位信息，同时能够通过平动与旋转分量间的互补关系，提高波场特征提取的精度。现有研究表明，六分量数据能够在单一测点上独立完成频散曲线的提取，从而反演该点位处的相速度–深度模型，实现对该测点处的地下结构识别。
2、然而，单台站方法存在空间覆盖范围有限的问题，由于每台仪器在同一时刻只能对单一测点进行数据采集，若要对一个区域形成足够密集的采样，必须在不同测点之间反复移动仪器，这导致数据采集效率较低。为了提高采集效率，通常采用多台六分量地震仪同步采集多个测点数据。当某个测点完成采集后，仪器被转移到下一位置，逐点推进，形成交替布设的采集方式。
3、在这种布设策略下，虽然单台站方法仍可应用于每个仪器所在位置，但其空间分辨率仍受限于实际仪器数量与布设密度。即使布设多台仪器，所得结构模型也仅能覆盖预设的测点位置，对于需要较高的测点密度或者连续空间的地下成像的应用场景中，这种方法面临较大的效率限制。尤其在需要高分辨率横向结构反演的场景中，例如城市地基检测、采矿区地质安全评估等，现有单台站方法难以满足空间覆盖与分辨率的要求。因此，如何在不增加额外硬件设备的情况下，利用现有多台仪器同步采集的数据，扩展可用测点数量、提升空间分辨率，成为该领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本发明针对现有六分量地震仪在提取频散曲线的应用中存在采集效率低、空间覆盖范围有限的问题，提出一种基于六分量地震信号空间相关性的地下结构扫描方法。本发明是一种基于六分量信号空间相关性的虚拟测点频散曲线提取及地下结构反演的新方法，通过利用多台六分量地震仪同步采集不同位置数据时的空间相关性，本发明能够在台站对的连线中点位置生成一个等效虚拟测点，并以此为基础提取频散曲线，进而重建该虚拟测点处的相速度–深度结构。现有的采用多台六分量地震仪同步采集多个测点数据的六分量频散曲线提取方法仪器布设示意图如图1所示，与现有六分量频散曲线提取方法相比，本发明的创新点在于其利用了六分量信号的空间相关性，而非分量相关性。单台站方法通过分析同一测点平动分量与旋转分量的相似性来约束频散曲线的提取，本发明则通过分析不同测点之间信号的相干性或相位差特征，实现了对虚拟测点的独立估计。这种差异使得虚拟测点结果不仅能够与单台站结果互为补充，而且可通过融合两类结果增强反演模型的可信度。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种基于六分量地震信号空间相关性的地下结构扫描方法，其步骤包括：
4、1)在目标区域内布设两台或多台六分量地震仪；
5、2)各所述六分量地震仪同步采集该目标区域内震源的六分量数据，并记录所述震源在各位置的激发时刻与坐标；
6、3)对各所述六分量地震仪采集的六分量数据进行预处理与时域对齐后，提取每一六分量数据中震源信号的主要分布频段[f1,f2]，并在频段[f1,f2]内选定n个待测频点f1,f2,…,fn；
7、4)从所述主要分布频段提取该n个待测频点f1,f2,…,fn中的第n个频点fn；然后利用该频点fn的六分量信号估计所述震源的后方位角θ；通过对每一对六分量地震仪a、b采集的六分量数据中第k对分量进行互相关计算得到该频点fn在该对六分量地震仪间a、b的走时差δt(fn)，然后根据后方位角θ和该对六分量地震仪间a、b间的距离d计算波的实际传播距离δx；根据实际传播距离δx和走时差δt(fn)的比值作为虚拟测点在该频点fn下的相速度c(fn)，以及根据该第k对分量的互相关峰值作为该相速度c(fn)的置信度coe(fn,k)；所述虚拟测点为两六分量地震仪a、b之间的中点；
8、5)对每一所述待测频点逐一重复步骤4)，获得所述虚拟测点在每一所述待测频点不同分量对应的相速度；在每一所述待测频点上，检查每一虚拟测点六分量的相速度是否在同一区间内，若超过设定比例的相速度在同一区间，则采用该区间的中位值作为该虚拟测点在该待测频点的最终相速度，否则对该虚拟测点在该待测频点下各分量的相速度的置信度归一化后作为加权系数对各相速度进行加权平均，作为该虚拟测点在该待测频点的最终相速度；
9、6)根据虚拟测点在各待测频点的最终相速度得到虚拟测点处的频散曲线c(f)；将每一虚拟测点处的频散曲线c(f)转换为对应虚拟测点处的速度–深度剖面c(z)；根据各虚拟测点处的速度–深度剖面c(z)与各六分量地震仪的空间位置插值获得该目标区域的地下速度结构模型。
10、优选的，其中，为置信度coe(fn,k)归一化后的取值，ck(fn)为虚拟测点在频点fn下第k个分量对应的相速度。
11、优选的，δx＝d cos(θ-β)；其中，β为两六分量地震仪a、b连线相对于正北方向的顺时针夹角，d为两六分量地震仪a、b之间的距离。
12、优选的，通过半波长法将每一虚拟测点处的频散曲线c(f)转换为对应虚拟测点处的速度–深度剖面c(z)。
13、优选的，
14、优选的，对各所述主要分布频段进行窄带滤波，提取该n个待测频点f1,f2，…,fn中的第n个频点fn。
15、优选的，计算相速度c(fn)时引入加权策略，对高信噪比频点的相速度估计结果给予更高权重。
16、本发明依托六分量地震仪应用过程中为提高数据采集效率同时使用多个六分量地震仪同时采集多个点位数据的情况，利用六分量信号的空间相关性在台站对中点位置形成一个虚拟测点，并获得该虚拟测点的频散曲线，进一步地，通过半波长法或正演拟合等方法，可以将所获得的频散曲线转化为相速度-深度模型，获得该虚拟测点处的地下结构模型。相比于现行的应用多个六分量地震仪同步采集多个测点六分量信号的布设方案，本发明不引入额外的硬件设备，直接利用现有设备和所采集的六分量数据进行分析，以有限的计算复杂度实现了在待测区域空间分辨率的有效提高。
17、本发明提出的基于六分量地震信号空间相关性的地下结构扫描方法的流程图如图2所示，仪器布设和信号处理具体包括以下步骤：
18、s1：在目标区域内布设两台或多台六分量地震仪，确保三分量平动传感器与三分量旋转传感器的敏感方向与地理方位精确对齐，为保证数据采集的可靠性，仪器安装前应清除基座区域的松散土壤或碎石，使传感器与地面形成紧耦合，减少接触不良引起的幅值相位畸变，震源可按场景灵活选择：野外采用环境噪声与车辆激振器联合以获取宽频带波场；井下依托主要生产设备(如采煤机、掘进机)产生的振动信号作为震源，以覆盖目标频带与深度；
19、s2：多台地震仪并采时需实现严格的时间同步，可通过统一时钟或高精度gps/rtk授时保证数据时间轴一致，从而保留台站间空间相关性。实验过程记录震源在各位置的激发时刻与坐标，使不同传播路径得到完整覆盖，实验过程中，震源在不同位置激发产生的波场应被完整记录，以覆盖多条传播路径并反映多种传播条件，为保证信号质量，采集多个观测时段信号作为独立样本，提高结果可靠性；
20、s3：采集的六分量数据首先进行时域预处理，包括去除趋势、剔除异常值、滤除强干扰信号，并精确对齐时间参考，随后采用短时傅里叶变换、连续小波变换或多分辨率时频分析方法，识别波场能量的主要分布频段，由于本方法主要关注不同台站相应分量的空间相关性，因此对于各个分量信号数据的绝对幅值不敏感，在预处理的步骤中还包括归一化处理，以确保后续分析过程中避免因台站间绝对幅值的差异而引入误差，提升后续分析算法的稳定性，获得预处理后的多台站六分量数据；
21、s4：对预处理后的六分量数据施加窄带滤波提取指定频点或窄频带信号成分，利用滤波后信号进行后方位角估计和传播时延估计，对于后方位角估计可以直接利用六分量信号的波形相似性(如基于横向平动与垂向旋转的相位一致性)进行估计，据此将各台站三分量水平数据投影到共同方向坐标系(径向/切向)，同时计算波的实际传播距离，对于待测信号在两个台站间的走时差可以通过将台站对同一对分量进行互相关计算来获得传播时延，并采用扫频激励以消除相位缠绕导致的相位模糊问题，根据所获得的波的实际传播距离和传播时延的比值获得虚拟测点在该频点下的相速度值；
22、s5：对预设频点逐一重复s4，直至获得该虚拟测点六个分量在各个频点对应的相速度值，即完整的频散曲线，根据各分量互相关峰值、信噪比或相位一致性等指标，评估每个分量在不同频率下的可靠性，并得到整体置信度，在每个频率上，检查每个分量的估计值是否聚集在相近范围内，若存在多数聚集结果，则采用该聚集结果的中位值作为该频率的最终值，并赋予更高置信度，若分量结果分散或无明显聚类，则按照各自可靠性和置信度进行加权平均，获得融合后的频散曲线；
23、s6：将各个测点处的频散曲线转换为该测点处速度–深度剖面(如半波长近似、正演拟合等方法)，最终的地下速度结构模型通过各个虚拟测点结果与各个单台站结果的空间插值获得，由单台站六分量地震仪分量相关性获得的频散曲线能够保证深部结构可靠性，而根据空间相关性获得的等效虚拟测点处的频散曲线则提供了更高空间分辨率，融合可采用置信度加权策略，使得两种结果在空间上互补，形成高可信度、高分辨率的地下速度结构。
24、优选地，s1中所述的震源若以车辆激振器或生产设备产生的信号作为震源信号时，该产生的信号应具有足够持续时间和较宽的频谱范围，以确保采集到完整的六分量波场数据，为后续速度频散特征提供观测基础。
25、优选地，s2中所述确保各台站的采集时间精确同步，除了采用性能指标符合条件的硬件以保障观测外，为防止现场时钟漂移，可在采集前后分别进行时钟偏移检测，并通过插值或重采样技术进行修正，以避免相位计算出现系统性误差。
26、优选地，s3所述的预处理后的多台站六分量数据需要根据台站进行划分，若台站数超过两个时，将台站两两配对，形成多个台站对，对每个台站对逐一处理，仅有两台时，按唯一台站对开展后续步骤。
27、优选地，步骤s4所述的利用台站对的同方向两个分量进行互相关以获得传播时延，也可以采用时频分析来获得频谱相位差，利用波的传播相位差、频率及实际传播距离对相速度进行估计；
28、优选地，步骤s4所述的应用窄带滤波以提取特定频率信号进而获得该频点处频散曲线的过程中，可在该频点估计相速度时引入加权策略，对高信噪比频点的相速度估计结果给予更高权重，也可通过多段时间窗统计提高虚拟测点结果的鲁棒性。
29、优选地，步骤s5所述的检查估计值聚集效果的操作包括对离群值进行剔除，并对最终曲线进行平滑处理，确保曲线在频率范围内连续且物理合理，最终形成一条稳健的虚拟测点频散曲线，并附带反映可靠性的估计值。
30、本发明的特点为：
31、本发明提供了一种基于六分量地震信号空间相关性的地下结构扫描方法，该方法充分利用了六分量地震信号的空间相关性，通过分析台站对间的信号空间相关性，打破了单台站方法仅能依赖分量相关性的局限，硬件上，本方法无需额外硬件设备，在现有六分量地震仪布设方案下直接应用，仅在算法层面以较低的计算复杂度即可实现一种独立于单台站六分量频散曲线提取方法的估计结果，此外，在多台仪器同时采集时，可进行两两组合，大幅增加虚拟测点数量，提升地下结构反演的横向分辨率。
32、与现有技术相比，本发明的积极效果为：
33、本发明提出的一种基于六分量地震信号空间相关性的地下结构扫描方法，提供了一种无需增加硬件投入即可显著提高测点密度和空间分辨率的高效方法。所获得的虚拟测点频散曲线能够补充单台站方法在空间采样上的不足，由于所得虚拟测点频散曲线与单台站结果相互独立，因此既可以交叉验证以提高结果的可靠性，也可以互为补充以改善空间分辨率。除了提供频散曲线的估计结果，在估计过程中的互相关分析还提供了可作为对频散曲线估计结果可靠性量化表示的互相关系数，利用互相关系数加权的融合策略，本方法可以将单测点的地下结构模型与本发明所获得的地下速度结构模型融合，在保证可靠性的同时呈现更加精细、连贯的地下结构成像。对于存在横向非均质性、复杂浅部结构的区域，本方法具有显著优势。