分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ:背景噪声成像
发布时间：2022-01-16 11:22
随着城市化的发展,城市地球物理日益成为地球物理研究的重要方向,地震成像是构建城市地下空间三维/四维图像的重要手段,但面临观测成本高的困难.近年来国际上新发展的分布式光纤声波传感器作为高密度地震观测系统已经在地震层析成像方面得到了应用,在提高成像分辨率的同时,又降低了观测成本.本研究使用国产分布式光纤声波传感器开展了观测实验,利用480m埋地光缆记录了13h背景噪声,计算得到噪声互相关函数,获得了高频Rayleigh面波信号.采用多道面波分析方法提取相速度频散曲线,其结果与传统检波器记录和主动源结果较为一致.采用遗传算法反演得到了研究区内二维S波速度剖面,获得了下方沉积物横向变化特征.通过本次实验,初步验证了国产设备开展地震背景噪声成像研究、构建地下浅层结构模型的可行性.
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
典型背景噪声频谱
在两天的实验期间，分别进行了主动源激发实验和背景噪声连续记录，本文采用的连续记录总时长约为13h，包括了夜间和上午时段（19∶00—8∶00）．城市中交通噪声等人类活动相关噪声具有较为明显的日夜规律，图2a给出了109道DAS记录的噪声频谱．凌晨时间段的噪声水平明显低于早晨交通高峰期，在交通噪声频段，如10Hz处早晨噪声水平约为凌晨的10倍，在更高频段（>30Hz）两个时间段的噪声水平差异略小．类似的日夜规律也可以在地震仪的噪声频谱上观测到（图2b），但是两者频谱也存在一定的差异．地震仪的高频噪声下降较快，比如100Hz的噪声水平比10 Hz处约低2个量级，而DAS记录的噪声只下降了约1个量级，地震仪的低频段噪声水平也相对较低．两者频谱的差异可能是由多种因素造成的，其中最为重要的是两者的仪器响应特性不同．根据美国地质调查局（U.S.Geology Survey）的高噪声模型（New High Noise Model;Peterson,1993）预测在速度记录上10Hz噪声水平比1Hz处高约1个量级（Bormann,2002;Wielandt,2002），地震仪记录较为接近这一结果，而一般认为DAS记录对应的应变噪声谱在2～100 Hz频段随着频率增加而降低，在交通噪声频段存在一个频峰（如Jousset et al.,2018).噪声互相关函数的计算基于已有的成熟流程（Bensen et al.,2007），这一计算流程在前人DAS相关研究中已经得到了应用（如Zeng et al.,2017a;Dou et al.,2017）．本文采用每30s的连续记录降采样到100Hz，进行时间域和频率域归一化处理，然后计算噪声互相关函数，最后通过叠加提高面波信号的信噪比，获得可靠信号用于频散测量．根据背景噪声频谱，选取了1～25Hz带通滤波后的记录作为时间域归一化的归一化因子，然后在该频段进行频谱白化处理，最后利用时频域相位加权叠加算法将长时间的互相关函数进行叠加．图3a中给出了不同叠加时间长度的噪声互相关函数，所用道为位于台阵南侧的119和149道．通过长时间的叠加，面波信号更为显著．选取0.5s长的尾波窗口作为噪声窗口，计算面波信号窗口与其振幅平方比作为信噪比，由图3b可见信噪比随着叠加时间的增加迅速提高，在15000s后趋于稳定，因此本文采用15000s作为噪声互相关函数的叠加时间长度．
119道和149道的噪声互相关函数收敛图
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波[J]. 宋政宏,曾祥方,徐善辉,胡久鹏,孙天为,王宝善. 地球物理学报. 2020(02)
[2]分布式光纤声波传感器及其在天然地震学研究中的应用[J]. 张丽娜,任亚玲,林融冰,宋政宏,曾祥方. 地球物理学进展. 2020(01)
[3]Imaging shallow structure with active-source surface wave signal recorded by distributed acoustic sensing arrays[J]. Zhenghong Song,Xiangfang Zeng,Clifford H.Thurber,Hebert F.Wang,Dante Fratta. Earthquake Science. 2018(04)
[4]用面波联合勘探技术探测浅部速度结构[J]. 张维,何正勤,胡刚,李俊. 地球物理学进展. 2013(04)
[5]城市地球物理学发展展望[J]. 陈颙,陈龙生,于晟. 大地测量与地球动力学. 2003(04)
本文编号：3592559
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
典型背景噪声频谱
在两天的实验期间，分别进行了主动源激发实验和背景噪声连续记录，本文采用的连续记录总时长约为13h，包括了夜间和上午时段（19∶00—8∶00）．城市中交通噪声等人类活动相关噪声具有较为明显的日夜规律，图2a给出了109道DAS记录的噪声频谱．凌晨时间段的噪声水平明显低于早晨交通高峰期，在交通噪声频段，如10Hz处早晨噪声水平约为凌晨的10倍，在更高频段（>30Hz）两个时间段的噪声水平差异略小．类似的日夜规律也可以在地震仪的噪声频谱上观测到（图2b），但是两者频谱也存在一定的差异．地震仪的高频噪声下降较快，比如100Hz的噪声水平比10 Hz处约低2个量级，而DAS记录的噪声只下降了约1个量级，地震仪的低频段噪声水平也相对较低．两者频谱的差异可能是由多种因素造成的，其中最为重要的是两者的仪器响应特性不同．根据美国地质调查局（U.S.Geology Survey）的高噪声模型（New High Noise Model;Peterson,1993）预测在速度记录上10Hz噪声水平比1Hz处高约1个量级（Bormann,2002;Wielandt,2002），地震仪记录较为接近这一结果，而一般认为DAS记录对应的应变噪声谱在2～100 Hz频段随着频率增加而降低，在交通噪声频段存在一个频峰（如Jousset et al.,2018).噪声互相关函数的计算基于已有的成熟流程（Bensen et al.,2007），这一计算流程在前人DAS相关研究中已经得到了应用（如Zeng et al.,2017a;Dou et al.,2017）．本文采用每30s的连续记录降采样到100Hz，进行时间域和频率域归一化处理，然后计算噪声互相关函数，最后通过叠加提高面波信号的信噪比，获得可靠信号用于频散测量．根据背景噪声频谱，选取了1～25Hz带通滤波后的记录作为时间域归一化的归一化因子，然后在该频段进行频谱白化处理，最后利用时频域相位加权叠加算法将长时间的互相关函数进行叠加．图3a中给出了不同叠加时间长度的噪声互相关函数，所用道为位于台阵南侧的119和149道．通过长时间的叠加，面波信号更为显著．选取0.5s长的尾波窗口作为噪声窗口，计算面波信号窗口与其振幅平方比作为信噪比，由图3b可见信噪比随着叠加时间的增加迅速提高，在15000s后趋于稳定，因此本文采用15000s作为噪声互相关函数的叠加时间长度．
119道和149道的噪声互相关函数收敛图
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波[J]. 宋政宏,曾祥方,徐善辉,胡久鹏,孙天为,王宝善. 地球物理学报. 2020(02)
[2]分布式光纤声波传感器及其在天然地震学研究中的应用[J]. 张丽娜,任亚玲,林融冰,宋政宏,曾祥方. 地球物理学进展. 2020(01)
[3]Imaging shallow structure with active-source surface wave signal recorded by distributed acoustic sensing arrays[J]. Zhenghong Song,Xiangfang Zeng,Clifford H.Thurber,Hebert F.Wang,Dante Fratta. Earthquake Science. 2018(04)
[4]用面波联合勘探技术探测浅部速度结构[J]. 张维,何正勤,胡刚,李俊. 地球物理学进展. 2013(04)
[5]城市地球物理学发展展望[J]. 陈颙,陈龙生,于晟. 大地测量与地球动力学. 2003(04)
本文编号：3592559
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