寬頻拖曳式地震檢波器的面波精細化探測成像

摘要：傳統的主動源面波儀采用錐形速度型檢波器，具有頻帶窄、縱向分辨率低的缺點。傳統裝置移動測點需人工手動逐一移動檢波器，無法低成本快速采集高密度面波數據，橫向分辨率低。文中提出適應于硬化路面的拖曳式地震面波數據采集方法，設計重力耦合加速度檢波器，線性、陣列拖曳式檢波器串結構，提出高采樣以提高面波探測精度的方法，實現高密度、小道距、高采樣率、寬頻數據采集。分析模型數據和實測數據在不同采樣率時的結果表明，高采樣能壓制噪聲干擾增強低頻能量，保證足夠的探測深度；檢波器采集的面波數據，能保證在足夠的深度范圍內精細地刻畫速度層的變化，查明潛在的塌陷位置。將拖曳式地震檢波器應用于城市道路塌陷探測，體現高效采集、精細探測的優勢。

關鍵詞：檢波器；高采樣；高密度；面波；拖曳式地震

中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）07-074-12

近地表橫波速度分層（≤20 m 深）是城市地下空間探測的重要部分。瑞雷面波探測方法是利用頻散信息反演近地表橫波速度結構，具有探測深度深、分辨率高、成像直觀的優點，已廣泛應用于近地表橫波速度分層[1-3]。面波探測的步驟包括數據采集、頻散曲線提取[4]、頻散曲線反演和解釋[5-8]。數據采集是面波探測的關鍵步驟，直接影響后期數據處理和解釋的精度。按照數據采集模式分類，面波方法主要分為主動源和被動源。被動源面波數據采集時應用短周期小型地震儀采集，能適應不同觀測系統和地形地貌[9-10]，但工作效率和成像分辨率低，主要用于城市道路病害、深部基巖面探測、中深層速度結構分層等領域[11]。工程勘察領域，特別是城市道路病害、塌陷、堤壩滲漏檢測領域，被動源面波成像精度難以滿足需求。與被動源面波方法相比，主動源面波探測深度淺、施工效率高、橫向分辨率高。主動源面波數據采集時主要采用動圈式速度型檢波器[3，12]，體積大、頻帶窄、靈敏度低。壓電式加速度檢波器體積小、頻帶寬、靈敏度高，耦合方式更簡單有效[13-15]。傳統錐形速度型檢波器在施工時需要人工手動逐一移動檢波器，存在施工效率低、采集成本高、數據密度低和橫向分辨率低的問題。面波探測需要兼顧工作效率、探測深度和分辨率。主動源面波方法具有高分辨率特點，但普遍缺乏高性能檢波器，在施工方法和寬頻數據采集方面依舊需要提高，尤其在城市道路病害、堤壩滲漏檢測方面，迫切需要施工效率高、靈敏度高、頻帶寬的高性能檢波器。

傳統的錐形檢波器無法較好地適應城市道路、堤壩等硬化路面環境，拖曳式地震是解決硬化路面面波精細化探測的發展方向。適用于城市道路環境的陸地拖纜和耦合檢波器已有研究報道[16-17]。Yue 等[18]研制淺層拖曳式地震探測系統，配置船形速度型檢波器，具有高效、低成本和高可靠性的優點，并且成功應用于沿海淺灘的探測。已有的拖曳式地震檢波器在施工效率方面有明顯提高，但在應對城市環境噪聲干擾強、施工周期短、高分辨的需求時，優勢并不明顯。在城市道路、堤壩結構的面波探測時，需要依據探測目標大小和深度，合理布設觀測系統，便于達到最優的探測精度。若要實現深層目的層的速度分層，需要布設長排列、大偏移距觀測系統。若要實現淺層目標體的三維成像，需要布設三維陣列式、短排列、小偏移距觀測系統。這就要求拖曳式地震檢波器在施工現場有快速組裝、拆卸和快速移動的能力，能依據探測目標體快速布設對應的觀測系統。目前能滿足上述需求的拖曳式地震檢波器鮮有研究，迫切需要研究具備上述功能的高性能拖曳式檢波器。

城市環境內噪聲干擾嚴重，包括車輛、行人、建筑施工，嚴重影響主動源面波數據質量。強干擾噪聲能在現場實時識別，能重新采集補救。但隨機噪聲與面波數據相互混疊，數據采集時無法避免隨機噪聲的干擾。隨機噪聲影響面波頻譜，造成低頻成分能量受損，從而影響探測深度。后期數據處理方法，如曲波變換[19]、各向異性分段梯度濾波[20]、傅里葉濾波[21]、聚類和經驗小波變換[22]、L1 范數正則化的閾值濾波方法[23]等，能有效濾除隨機噪聲，但也會損害面波的頻散特性，影響面波的成像精度。數據采集參數會影響面波成像精度。采集參數中偏移距和道間距對面波頻譜和探測深度的影響已有研究，卻忽略了采樣率的影響。隨機噪聲干擾嚴重時，尚不知采樣率對面波頻譜和探測深度的影響。

隨著城市道路病害、堤壩滲漏檢測等硬化路面面波探測的有序開展，迫切需要研制能適應城市硬化路面施工的高性能檢波器。文中研究適應于硬化路面的拖曳式地震檢波器，設計重力耦合加速度檢波器，線性、陣列拖曳式檢波器串結構，實現了高效、低成本、小排列間距、小道間距、高采樣率數據采集。小道間距有助于優化面波頻譜。小排列間距有助于提高橫向分辨率。文中試圖從采樣率角度壓制隨機噪聲對面波頻譜的影響。模型數據中加入不同比例的隨機噪聲，詳細討論了采樣率對面波頻譜的影響。應用實測數據詳細討論采樣率對面波頻譜和探測深度的影響。文中研制的拖曳式地震檢波器應用于城市道路塌陷調查，論證在高效采集和精細探測方面的優勢。