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工程地质动测技术_弹性波法

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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工程地质动测技术第二部分:弹性波法第一章基础知识弹性波法是工程物探中最常见的一种重要的测试方法,人工建立的弹性波在介质中传播的动态特征集中反映在两个方面,一是波的传播时间和空间的关系,称为运动学特征,另一是波传播中的振幅、频率和相位的变化规律,称动力学特征,利用相关的仪器设备观测着两种特性即研究波场特征,从而解决实际工程问题的一种方法。一、内部的质点会发生相互位置的变化,使得介质的形状或者大小产生变化。根据形变所表现出不同的特性,可分为弹性形变和塑性形变。当外力引起的形变没有超过某种限度时,随着外力去掉,介质的变形将消失,这种特性叫做弹性。相反当外力引起的变形超过某种限度时,即使外力去掉,变形也不会完全消失,这种特性叫做塑性。弹性和塑性是两种相互对立有相互统一的特性。我们在工程实践中所接触的岩土体即能表现出弹性性质,也能表现出塑性特性,这主要取决于岩土体的物理性质、外力的作用的大小和特征(延续时间和变化速率等)以及所处的外界条件(温度、压力等)。通常情况下,作用力小、作用时间比较短的情况下,大多数介质都表现为弹性性质。另外为了简化问题,一般将被研究体视为具有弹性特性,这样将使得被研究的问题大大简化。是一种能量的传递方式。是一种能量的传递方式。雷管引爆炸药,一般在一毫秒左右完成起爆。爆炸前沿的压强可达几十万大气压,远大于周围介质的弹性极限,药包附近的岩石破碎,挤压形成一个实际空穴,在它的外围,压强仍大于弹性极限,成为有一系列裂缝的塑性及非线性形变带,再向外压强继续减少,直到只引起完全弹性形变为止。这个区域的范围大致为一个球形,称为等效空。在等效果空穴边缘的质点,在爆炸脉冲的挤压下,偏离了自己的平衡位置,接着产生了一个迅速衰减的阻尼振动,这就是地震子波。波和面波在均匀介质中,质点是均匀连续分布的。因而,介质中局布地方的扰乱,应变和应力的传递都会以地震波的形式,由介质中的质点依次向外传递,一般说来,质点间连系越紧密,介质越坚硬,地震波传播速度越快。随着形变传递的类型不同,地震波分为不同的种类。⑴纵波,又称 是体积形变(即拉伸与挤压形变)在介质中的传递,该波的传播方向和质点的振动方向一致。⑵ 横波,也叫做切变波或 是剪切形变在介质中的传递。该波的传播方向与质点的振动方向相垂直,质点振动在水平平面中的横波分量称为 垂直平面的横波分量称为 能量弱 , 以致来自同一界面的横波总是比纵波晚到达 。 纵波和横波都在介质内部传播 , 统称为体波 。 根据弹性力学理论 , 还有两种仅仅沿弹性介质表面传播 。⑶ 瑞利波 , 有称 “ 地滚波 ” 或者 是沿介质与大气层接触的自由表面传播的波 , 其特点是质点大致作反时针方向轨迹为椭圆的运动 , 其椭圆长轴垂直于介质表面 。⑷ 勒夫波 , 有称 “ 蛇形波 ” 。 是沿着两中弹性介质的界面传播的波 , 其质点的运动轨迹见下图所示:5 横波和面波对比在弹性波测试领域 , 我们主要研究的是纵波 、 横波和瑞雷波 ,而勒夫波目前还没有实际应用 , 因此有必要将这三种波的特点进行对比概括分析 , 以便在实际测试过程中能够分辨出来 。①速度 s>频率 s>频散瑞雷波在成层状介质中具有频散特性,即瑞雷波的速度是其频率的函数,也就是说瑞雷波的速度随频率而变化。④能量 一次激发的能量中,纵波、横波和瑞雷波所占的相对能量如下表格波的类型 相对全部能量的百分比 备注瑞雷波 67纵波 7横波 26⑤衰减纵波和横波的波前为半球形面,其面积正比于半径 而瑞雷波的波前面约为一高度为 波前面面积与 就是说,体波的振幅反比于波传播的距离。衰减与 1/雷波的能量衰减与 1/此瑞雷波能量随传播距离的衰减较慢6 们引进质点的振动图和波剖图的概念。振动图是指质点离开平衡位置与弹性波旅行时间函数关系的图象。在振动图上我们可以引出以下的概念:⑴在振动图中,波的极大值称为波峰,极小值为波谷⑵相邻波峰与波谷之间的时间间隔称为波的视周期 T*⑶ 视周期的倒数称为视频率 f*⑷ 波前是指质点处于开始运动状态的位置,波尾是指质点波动恢复平衡位置,质点结束运动状态的位置。⑸用振动的周期、频率和振幅可以描述不同的震动:①周期:支点振动一次所需要的时间,周期是用来说明质点振动快慢,一般用 频率:质点在一秒内振动的次数,其也是用来描述质点振动快慢的物理量,一般用 幅:质点振动时间偏离平衡位置的最大位移,振幅是用来说明振动强弱(振动能量) ,一般用 期振动:振动一般分为周期振动和非周期振动。振动过程中周期或频率保持不变的振动称为周期振动。谐振动是属于周期性振动的一种,它的特点是在振动过程中位移随时间的的变化规律可以用正弦函数或余弦函数来表示,振动图形是一条正弦曲线,其具体的数学公式描述为:U=t ω +φ)其中: 表示振幅t ω +φ :振动的相位,其决定质点在任意一时刻的位置和方向,其中 ω 称为圆频率,它表示在 2π 时间范围内质点振动次数,且计算公式如下:ω=2πf= 2π/初始相位即 t=0时的相位⑤非周期振动:在振动过程中周期或频率发生变化的振动称为非周期振动,脉冲振动是属于非周期振动的一种,其特点是延续时间很短暂。在弹性波勘探领域,我们所研究的大 多数是脉冲振动。波剖面图是指某一时刻各质点与其平衡位置相互位置关系的图象。在波剖面图上可以引出以下的概念:⑴将相邻波峰或波谷之间的距离定义为视波长 λ *⑵ 根据波动理论,波前和波尾以速度 一个周期内部,波沿射线方向传播的距离为一个波长,即:λ=V* T ⑶波数:波长的倒数,一般用 k=1/ λ⑷ 谐振动的波动方程:描述质点波形的数学公式称为波动方程,谐振动的波动方程可描述为:U(t,x)=)=t 中:K= ω /V=2 π / λ =2 π 为圆波数,它是波数的 π 倍7 个函数可以是振幅、功率、相位或者其它任何性质,而独立参数一般是频率及波数或者二者之一。谱的优越之处在于以下两点:⑴它能在频率域(或波数域)中处理问题,其中独立变量(频率或波数)提供了一个唯一可靠的标志,使得不同的记录能借助于这个参量进行比较。⑵一般情况下,频率域的表示常常在计算机处理上较为简单在弹性波特征的研究中,可以将其转变成研究弹性波的频谱特征,因为波形与频谱之间是完全等价的,通过傅氏变换可以把他们联系起来。因此我们有必要介绍有关频谱的一些基本概念。① 振动的合成与分解任意一个周期振动的波形,无论如何复杂,均可以看成是许多正弦波叠加而成,而这些正弦波的频率是基本正弦波频率的整数倍。基本正弦波叫做基波,频率为基波频率整数倍的正弦波称为谐波。一个谐振动是由振幅、频率和相位三个量确定,改变其中其中任意一个量,则合成振动的波形会发生变化,具体如下图所示:因此,由分量波形叠加得到合成波形的过程称为振动的合成,反之,合成波也可以分解成组成它的分量波形,这个过程称为振动的分解。所以合成波形完全等价于组成它的分量波形,而分量波形又和它们的合成波形等价。② 周期振动和非周期振动的频谱周期振动和非周期振动在频谱上存在一定的差异,周期振动的频谱是由一些直线段组成 ,所以 ,周期震动的频谱又称为线谱。而非周期振动的频谱是连续的,它的波形是由无数个不同振幅、不同相位切频率连续变化的谐振动波形叠加而成。8 设在弹性介质中,已知某时刻前面上各点,则可把这些点看作新的振动源,从 过 Δt 时间后,这些子波的波前所构成的包络面就是 t 时刻的新的波前面。根据惠更斯原理,若已知地震波在某一时刻 可求出任意时刻的新的波前面位置。如下图所示,在均匀各向同性介质中,在 1,若要求得 t=t 时刻的新波前面位置,首先以以它们为圆心,以 V+Δt 为半径 (作出一系列子波的波前面,然后作各子波波前面的包络面,则 t 的新波前面位置,而 据惠更斯原理可以确定波前到达介质中任意点的时间。给出地震波总是沿地震射线传播,以保证波到达某点时所用的旅行时间最少。在均匀各向同性介质中,显然,地震射线应当是从震源 为地震波只有沿这样的地震射线方向传播到达观测点,旅行时间才是最少的。在各向同性的均匀介质中,从一个等时面到另一个等时面,只有垂直距离最短,因此波沿垂直于等时面的路径传播所用旅行时间最少,故地震射线和等时面总是互相垂直的。用波前和波射线的概念来描述波动景观是一种简便而清晰的方法。此在观测地震波时,只有和波射线的方向一致,才能测得传播速度的真值V。而沿任一观测方向测得的速度值,并不是地震波传播的真实速度值,而是沿观测方向、距离 (这距离不等于波传播的实际路径 )和波实际传播时间的比值,这种速度称之为视速度 V*。设一平面波波前在 t和 t+Δt 时刻分别到达地面上 时波前传播的距离差为 Δs ,而时间差为 Δt ,于是真速度为 V =Δs /Δt 但由于观测是在地面进行的,地面上 x ,好像是波在 Δt 时间内传播了距离 Δx ,于是在地面上测得的视速度为:V*=Δx/ΔΔx =Δx 是有:V*=V/V/ 为波射线与地面法线之间的夹角 (称入射角 ), 出射角 )。关系式表示了视速度 V*和真速度 之为视速度定理。从视速度定理可得出视速度变化特征:(1)当 α =90° 时,即波沿测线方向入射到观测点时, V=V*,此时波的传播方向就是测线方向,视速度等于真速度。(2)当 α=0 时,即波垂直测线方向传播, V*→∞ ,此时波前同时到达地面各点,各点间没有时间差,好像波沿测线方向传播速度为无限大一样。(3)当地震波的入射角 α 由 0° 增大至 90° 时,视速度值 V*则由无限大变至真速度 V,因此在正常情况下有 V*≥ 4)在均匀各向同性介质中,由于 速度 V*的变化反映了地震波入射角的变化。射和透射(1)界面上将产生波的反射和透射,其规律和光波在非均匀介质中发生的反射和透射现象十分类似,可用惠更斯原理来说明。假设整个弹性空间由弹性分界面 下图所示。上半空间 1,下半空间 2。如果在介质 B,向分界面 入射,当波前面到达界面 ’点时,根据惠更斯原理可以将介面上的 A’点看成一个新震源,由该点产生一个新的扰动向四周介质传播,在介质 2传播。我们观察在 Δt 时间后,新扰动在 2介质中分别以 2传播,此时波前上 B’点用时间 Δt 传播到界面 ,于是可以 A’点为圆心,并以 1·Δt 为半径在介质 2·Δt 为半径在介质 从 别相切于 点。 ’B’传播到 中 ’B’在同一介质 们称它为反射波, 2介质内,称为透射波或透过波。如果令入射波前面 A’B’、反射波前面 射波前面 , α ’和β ,并分别称之为入射角、反射角和透射角。则从图上几何关系可得p ( =Δt/A ’Q ) 称之为射线常数。该式说明了,在同一个界面上的入射波,反射波以及透射波都具有相同的射线常数,并且入射角等于反射角,透射角的大小则决定于介质 2,这一关系式称之为斯奈尔定律,也可称为反射和折射定律。由于波射线始终垂直于波前面,因此在介质分界面上,可以用波射线来表示入射波、反射波和透射波三者之间的关系,显然它们亦应遵循斯奈尔定律。不过,此时的入射角 α 、反射角 α ’和透射角 β 分别为波的入射线、反射线、透射线和界面 图表示三者波射线和界面法线之间的关系2)地震波的折射及其特征地震波在传播过程中,当遇到波速不同的介质分界面,且其界面以下的速度 1时,根据斯奈尔定律,则波的透射角必大于其入射角 (β>α) ,且随着入射角 α 的增加而加大,当入射角 α 增大至某一角度 会使透射角β=90 ° ,这时根据下式可得 1/是透射波将沿界面滑行,产生了类似光学中的全反射现象。如下图所示,对这特殊的透射波通常称之为滑行波,界面上相应的入射点称为临界点, 滑行波沿着界面传播时,必然引起界面上各质点的振动,根据惠更斯原理,滑行波所经过的界面上各点,都可看作是一个新的振动源。由于界面两侧的介质质点存在着弹性联系,因此滑行波沿界面传播时,在上覆介质中将产生新波,在地震勘探中称它为折射波。根据惠更斯原理,还可进一步讨论折射波的传播方向以及折射波沿地面观测线的视速度 V*等特征。设地震波从 1的走时为 开始经过一个 Δt 的时刻,滑行波沿界面传播到 有 2=这时,在 射波传播到离 1Δt 距离为的地方。以 点为 S;则 线和界面法线夹角为 i‘。从图可以看出11/i=i’这说明折射波总是以临界角 在临界点 射波射线与反射波射线重合。若地面和界面平行,则折射波到地面的入射角亦等于 i,故地面上观测到的折射波视速度亦为 于在临界点以内 (不产生折射波,故地面的 间观测不到折射波,这个区间称为折射波的盲区。在三维空间内,折射波的波前面是圆台的侧面,当地面与界面平行时,地面的折射波盲区是以 直径的一个圆。这时若界面埋藏深度为 h,则盲区半径 h 明界面埋深 2相差越小盲区的范围就越大。由于折射波沿测线的视速度总是比 在一定的范围之外,来自地深处的折射波会比直达波先到达观测点,因而以初至波的形式出现而易于被识别,所以早期浅层地震勘探方法是以折射波法为主的。下图给出了以波前面表示的地震波传播过程中最先到达地面各不同点的波。例如,在沿测线的 以 同类型的岩石往往具有不同的物质成份,不同的结构等差异,而且即使是一类型的岩石由于存在环境条件的不同也会呈现出不同的弹性特征。这些都会引起弹性波传播条件变化,而弹性波勘探正是利用地下介质的这种变化来查明地质问题的。在不同的地区,由于所处环境的地层、岩性、构造及地表条件不同,对勘探的效果也会产生不同的影响。一般来说,勘探的地质效果受到两方面条件的限制,一是仪器、震源、工程技术人员的素质等技术条件;二是客观存在的地质情况和地表等因素的复杂程度,例如,当地表为沙漠,或丘陵山地,并且地下岩层构造等又较复杂时,则不仅现场施工困难,而且资料的处理和解释也会有很大的难度。这类地层岩性、地质构造及地表条件等因素对地震勘探的影响问题,也就是地震勘探的地质基础问题。(1)影响地震波速度的主要因素①岩石的密度一般情况下,岩石越致密,波速越高。如下图表示了部分岩石的密度与其波速的变化关系,说明了纵波速度随岩石的密度增大而增加。② 孔隙度岩石从其结构上来说可认为主要是由两部分组成,一部分是矿物颗粒,称为岩石的骨架,另一部分是由种种气体或液体充填的孔隙,因此岩石实际上是双相介质,地震波就在这种双相介质中传播。 1956年威利等人提出了一个较简单的速度和孔隙度之间的关系式,称为时间平均方程:式中, φ 为岩石的孔隙度; 上公式作出下图 (左 ),可以看出随着孔隙度的增加,速度值变小,而孔隙度的变化意味着岩石密度的变化,孔隙度同密度成线性反比关系。如下图 (右 )所示可以得出速度随着岩石密度的增大而增大的结论。③ 压力和温度压力又称地压,在压的大小不仅对岩石结构的骨架,而且也对其孔隙度及充填物质产生影响。一般地压大,介质的密度增大,波速也增大。而温度主要和岩石组分的状态(晶化或熔化等状态)有关,这将直接或间接地影响到岩石的弹性性质。地压和温度对波速的影响,主要对深部岩层作用较大,在浅层中通常不考虑。④埋藏深度和地质年代相同的岩石在埋藏深度不同时其波速往往也不同,通常岩层的埋藏深度愈大,受到上覆岩层的压力愈大,使其孔隙度变小而密度增大,因而波速也愈大。此外,工作中还发现,同样的岩石,当地质年代不同时,地震波的传播速度也有所不同,一般年代老的岩层比新岩层具有较高的波速。在下图中表示了各种不同地质年代的岩层其纵波速度随深度的变化关系,就某一地质年代的地层而言,速度随深度增加而增大,对于同一深度,则地质年代较老的岩层波速较大。⑤ 其它因素另外地质构造运动,岩层的风化侵蚀等也都会引起波速的变化,如在强烈的褶皱区往往可观测到波速的增大,而风化侵蚀作用将使岩石的结构变得疏松而使波速减小。从上面讨论中可知,速度随密度增加而增大,这与理论波速公式式中所得的波速随岩石密度增加而减小的规律似乎相矛盾。但实际上,随着岩石致密程度的增加,岩石弹性系数的增长比密度增加更快,另外,速度公式是在理想的完全弹性体中导出的,而我们所研究的沉积岩是一种双相介质,二者是不同的,所以总的说来,波速随密度的增而加增加。(下式为理论波速分式)(2)地震波在沉积岩,变质岩和火成岩中传播的速度特征①沉积岩地震波在沉积岩中的传播速度主要取决于岩石的组份及其胶结作用,而压力和成岩地质年代等也有一定的影响。大部分沉积岩具有明显的层状结构,当这些层厚度小于地震波的波长时,沿着地层方向传播的地震波其速度将大于沿垂直地层方向传播的速度。这时将会出现各向异性现象。②变质岩变质岩在形成时期由于高压和高温的作用,它们变得致密并且形成结晶,使其弹性系数值增大。它们的速度值几乎总是大于沉积岩,而与深度的关系并不是那样密切,仅仅在最上面通常易受风化的部分,显示出速度随深度的明显变化。人们根据实验室测定,求得结晶片岩的速度在 3100到 7500m/ 种岩石在自然的条件下,大部分速度值在 5700到 6300m/ 且随着深度增加显示出微小的增加。结晶的和沉积的片岩则具有较大的各向异性值,且其吸收系数很小,一般为 n ·10m 。③火成岩火成岩一般地说同样具有比沉积岩大的速度,其中颗粒较大的侵入岩,则呈现出比喷发岩更高的波速,例如辉长岩的速度比玄武岩的高,而多孔隙的凝灰岩波速则很低,大约只有2000m/ 下表中列出了部分火成岩的密度和速度值。收系数也是反映岩体介质特征的一个重要参数。吸收系数的大小直接影响地震波传播中能量的衰减速度,使地震信号的形状和振幅发生变化。通常疏松和破碎的岩石其吸收系数要比固结致密的岩石大,在风化层和断裂带的吸收系数往往很大,因此可以通过观测和分析地震波振幅和波形的衰减变化特征来确定断层及破碎带的存在另外,由于实际的岩土介质并不是理想的弹性介质,地震波实际的衰减往往比理论计算的要大些。但这种衰减引起的振幅变化规律,完全符合负指数关系。至于吸收衰减和地震波频率之间的关系,则较为复杂,按照胶结摩擦理论,认为吸收系数和频率的平方成正比即 α=但根据弹性理论则认为吸收系数和频率是线性关系,即 α= 对于致密坚固的岩石适合于弹性理论的关系,疏松介质则符合摩擦理论关系。研究吸收现象,测定岩石的吸收系数,对于了解岩石的性质和结构有一定的意义。因此,人们在野外和实验室对吸收系数 α 与岩石的性质,如密度、结构、孔隙度,成份及外界压力等的关系做了许多研究,以帮助地震资料的地质解释。实验表明,纵波的吸收系数和横波的吸收系数是不等的。特别是在一些风化岩石和疏松层中,一般横波的吸收 系数大于纵波的吸收系数,也就是说横波的衰减比纵波要快。在干旱沙漠地区,或沼泽、草原等风化较厚的地区,通常都有强烈的吸收衰减作用,使地震记录质 量变坏,这时必须采取一定的措施来改善记录条件,以提高地震记录的质量。二、数学基本知识介绍在工程物探中,需要借助工程数学、信号分析技术、场论等等数学工具对测试数据进行非常复杂的分析、处理和模拟,从而达到探测目的。下面就常见的几种数学方法介绍给大家。与被测试物理量成正比的连续变化的量,理论上讲,模拟信号的分辨率是无限高的。从数学的角度为连续函数即变量 Δt=0 。测试系统中的信号的检测、显示和记录系统是实现把被测物理量变化的规律通过某中方法显示和记录下来,以便进行分析和研究。在传统的测试系统中,几乎都是模拟信号,例如在岩石变形实验中对应变的观测、光线示波器、 拟信号具有如下的优点:⑴信号的分辨率高⑵数据显示一般采用指针,其位移与被测量的变化成模拟关系,便于判断被测试量的变化趋势⑶测试系统硬件设备简单,成本低模拟信号的缺点⑴无法进行计算机自动控制⑵测试原始数据无法进行保存和回放⑶测试数据无法采用数学的方法进行处理传统的测试系统中,大多数采用模拟信号方式,其主要的原因是受到计算机技术的限制。现在测试仪器已经全部采用数字信号技术。数学上描述为离散函数。其优点:⑴测试数据可储存和回放⑵可对信号实现数学处理⑶测试结果可以图形和表格的形式实时显示缺点:⑴与模拟信号相比较,分辨率低⑵测试系统比较复杂,仪器设备成本高就目前而言,我们所接触到的所有弹性波测试领域中的仪器设备,均实现了数字化,因此非常有必要就数字信号中的一些相关术语介绍给大家。① 采样率一个地震信号是一个连续的时间函数,在数字记录中,连续的地震信号以固定的时间速率抽样,我们将这个时间速率称为采样间隔,即定义为相互两个点之间的时间间隔。采样率则是采样间隔的倒数,即单位时间内抽取取的样点数。习惯上,我们将采样率的定义成为采样间隔,而采样频率定义为采样率,高采样率通常是指采样率数值小。从上面的定义可以看出,采样率越高则数字信号越接近模拟信号,当采样率 =0时,数字信号已成为模拟信号。②采样长度在对模拟信号进行抽样时,由于受到计算机寻址能力以及硬件的限制,不可能于整个模拟信号进行抽样,因此一般需要定义采样长度这样一个量来限制。采样长度可通俗地定义为对模拟信号连续抽取的样点数。对于数字信号而言,采样率与采样长度的乘积为信号的采集时间即表示在该时间内的信号为实际采集到的有效信号。③采样定律在采集数字信号时,仪器所能够采集到的最大频率如下式:(2* Δt)其中: 奎斯特频率Δt :采样率其具体的物理含义是一个连续信号一旦数字化,其形成的数字信号的最高频率。由上式可知,采样率越高则数字信号中的高频率成分越多。④ 假频在模拟信号进行数字化时,采样率是一个非常重要的参数,它将关系后数字化后的信号与原模拟信号的相似程度即数化误差。a:模拟信号 b:数字信号 c:重新建立的模拟信号如下图所示,重建的信号比原有信号在细节上有所差异,这些细节主要表现在高频成分,在重新抽样时丢失。如果选择更高的采样率则重新建的信号将能够更精确地代表原始信号。以 24 其尼奎斯特频率分别为 25025为重抽样的结果信号损失了,但以较低的频率重现信号,即重抽取样后谱折回来。如下图:2522用 4用 82用 400用 2当用 4用8的高频率成分由75其低频成分则保持不变因此,一个连续信号采用低采样率(采样不足)得到的离散序列实际上包含有连续信号中高频成分的贡献,这些高频成分折迭到离散时间序列中去显示出较低的频率,这个现象称为假频。假频的计算公式如下:2其中: 假频 信号频率 采样率)对于第二个问题,为了使在零与尼奎斯特频率之间的频带中没有假频,在对采集数据行数字化之前加上高切去假滤波器,一般情况下该滤波器的切割频率是尼奎斯特频率的四分之三或者二分之一,而且要求这个滤波器的陡度大,以便将尼奎斯特频率以上的频率极大地销弱。知以 f(t),求它的频谱 F(f)时,可用傅里叶变换公式来计算,由于数字地震仪采集的数字记录是取 :2( ) ( ) i f f t e d t ( ) 0 , 1 , 2.. . 1f n n N  公式中, t= Δ 为采样率,计算数字地震记录 f(的频谱时,则要用离散傅里叶变换公式:其中, f=m=0,1,2,3… 且如果将上面的公式展开,则可表示为如下的公式:由此可知,其频谱为复变函数,并给出振幅谱和相位谱的计算公式:120( ) ( )Nm md f n e   1/110022( ) ( ) c ) ( ) si n( )n m nF m d f n i f      实部:虚部:振幅谱:相位谱:102( ) ( ) c )md f   102( ) ( ) si n( ) F md f   22()F m d R E F I M F()( ) a r c ta n ( )()I M F m F m d上面我们只讨论了以时间为变量的简单函数 f(,如果我们将时间和距离作为变量的函数 f( k)进行频谱分析,则称之为二维频谱分析,其反映的是函数在时间和空间上的变化规律。是根据有效波和干扰波在频率上的差异,来压制干扰波,提高信噪比。实现滤波的方法,可以采用设计滤波电路等硬件技术进行滤波,也可以在计算机上进行数字运算来实现滤波。二者实现滤波的方法不同,但是其滤波原理是一致的。前者称为模拟滤波,后者称为数字滤波。由于模拟滤波采用的是通过更改电器元件的参数来实现的,因此存在结构复杂、不灵活等缺点,而数字滤波则具有灵活多样的特点。实现数字滤波的方法,既可以在时间域做褶积运算,也可以在频率域进行乘积运算。其运算的公式如下:其中: F^(t) t) t) ) ( ) * ( ) ( ) ( )F t h t f t f f t d    下面以图形的方式说明滤波的过程:根据滤波运算方式的不同,滤波处理还有脉冲响应、频率响应等和褶积滤波,其中上面所介绍的就是褶积滤波。在地震数据处理过程中,最常常见到的是如下四种类型的滤波模型:⑴低切滤波(高截滤波) ⑵高且滤波(低截滤波)⑶带通滤波 ⑷陷波滤波三、硬件基本知识任何工程物探方法均离不开仪器设备,因此仪器设备和传感器的发展水平严重制约着工程物探方法的发展。下面将一些基本的硬件知识介绍给大家。主要构成如下图所示:前放滤波前放滤波前放滤波前放滤波多路转换开关瞬时浮点放大模数转换接口电路数据存储控制计算机数据显示数据处理增益代码下面就其中的一些重要部件进行简单说明:①前置放大器前置放大器的作用是为了对信号进行放大和滤除各种干扰,以提高多路转换开关输出的信噪比。该装置一般是低噪声放大级,能够将输入的电平提高到大大超过滤波器所产生的噪声水平。同时,它提供高的输入阻抗和低的输出阻抗,以符合传感器对阻抗的要求。②多路转换开关多路转换开关位于前置放大器和瞬时浮点放大器之间,其主要作用是把多通道输出的模拟量信号离散化,并依次排列成一路输出到瞬时浮点放大器。注意,对于多道信号而言,只有在一个采样时间间隔内(采样率),才能够对其它通道进行离散化。因此多路转换开关的开关速率将决定仪器具有的最高采样率,或者在相同采样率下所能够处理的通道数量。③瞬时浮点放大从传感器输入的信号,其动态范围可达到 120了能够不畸变地把信号记录下来。一方面可通过增大仪器的动态范围来增加数字的位数来实现,这种方式主要是采用位数较高的模数转换器,称为定点采集。该方法受到模数转换器位数的限制,在技术方法上实现起来比较困难。另外一方法可采用动态实时调整增益的方法来增加仪器的动态范围,该方法技术即称为瞬时浮点放大技术。其主要原理是检测模数转换器输入信号的大小,计算一增益数值以使该信号调整到模数转换器最佳的工作范围,当该时刻信号经过模数转换之后,再利用计算的增益恢复信号。因此瞬时浮点放大的作用是给每个样点确定一个增益参数。④ 模数转换对于数字化仪器而言,它是不能接收模拟量,必须首先通过模数转换器将模拟量转换为数字量,才能被计算机所接受和处理。因此模数转换要执行两个基本任务 化是将信号转换成离散量子,量化单位越小,整量化的误差就越小,数字量也就越接近模拟量本身。编码是对每个离散量子用二进制码赋值。模数转换器件是数字化仪器设备最重要的部分,其技术指标将直接决定仪器设备的性能,下面就模数转换器其中的技术指标介绍如下:分辨率:分辨率是指模数转换器所能够分辨的最小电压增量,他反映对微小输入量变化的敏感性。例 12位的模数转换器的分辨率为Δ=1/212=换精度转换精度是指实际输出量化值与理想量化值之间的差别,是衡量模数转换器性能的重要指标。转换速度模数转换器是指每秒内完成的转换次数,转换速度主要取决于模数转换器的类型和结构,通常情况下,提高转换速度就会降低精度。程测试结果的正确很大程度上取决与仪器设备的好坏。因此如何评价仪器的性能非常重要,通常对仪器的评价有如下几个方面的参数:⑴ 通道数仪器具有的独立的测量通道,仪器的通道数越多,能够开展的测试方法也就越多,而且测试效率也非常高。但是仪器通道数的确定应该考虑物探工作的具体内容,不应该盲目地追求多的通道数量,否则会产生较大的浪费。一般以 24道为宜。⑵采样率在保证一定的动态范围的前提下,应该保证仪器有足够高的采样率,否则会限制仪器的使用领域。⑶动态范围在测试中由于被检测的信号变化范围非常大,因此要求仪器的动态范围也必须大,才能既将小信号检测到,同时大信号也不能溢出。但是在技术角度上讲,要实现大的动态范围比较困难,因此弹性波测试而言,仪器的动态范围在 96参数主要由仪器内的模数转化器的位数决定。⑷道间抑制比对于多通道的测试仪器而言,道间抑制比是衡量仪器的重要技术指标,所谓的道间抑制比是指相邻两个通道对相互串音干扰信号的抑制能力。通常要求仪器的道间抑制比应该大于 80谐波失真该参数主要考察仪器的线性度,即输入的信号与采集信号之间的差别。一般要求仪器在 右。⑹通道一致性通道一致性主要包括信号相位的一致性和幅值一致性两个方面,在通道上共同输入一个标准信号,则各通道上采集的信号在相位和幅值上应该一致。通常要求仪器优于 ⑺仪器静噪是指出仪器在没有信号输入的情况下,由于内部元气件产生的噪声,一般要求仪器的噪声水平应该在 1微伏以下。需要测量的物理量大多数为非电量,如速度、加速度、力等。为了使非电量用电测方法来测定和记录,必须设法将他们转化为电量,这种将被测物理量直接转换为相应容易检测、传输或处理的信号的元件称为传感器,也称做换能器、变换器或探头。传感器一般按照被测物理量、变化原理和能量转换方式分类。按照变换原理可分为电阻式、电容式、差动变压器和光电式等。按照被测物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器等。在弹性波测试中最常用的传感器为速度传感器,一般有动圈式速度传感器和压电式传感器两种。⑴动圈式速度传感器动圈式速度传感器是弹性波测试中最为常用的传感器,其基本原理是永久磁钢通过外壳与被测试物体藕荷,并通过弹簧与放置在其中的线圈相连接,当外壳受到震动时,在弹簧的制约下磁钢与线圈之间将产生相对位移,线圈在磁场内运动将产生感应电动势,从而将机械振动能量转换为电能。产生的感应电压其大小与振动强度成正比例,因此可以通过测量感应电动势的大小来确定振动强度。该类型的传感器具有线形范围大、测量精度高、稳定性好和使用方便等特点。⑵ 压电式传感器有些电介质材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生极化效应,这将导致介质两端表面出现符号相反的
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