一种掘进噪声源面波频散曲线提取方法及系统

本发明涉及地球物理勘探，特别是涉及一种掘进噪声源面波频散曲线提取方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、在城市浅地表面波探测技术发展的背景下，针对盾构施工隧道前方不良地质的超前预报问题，目前采用盾构掘进噪声作为震源，在地表布设长测线检波器接收面波信号，并基于噪声源面波数据处理流程实现灾害源成像的超前预报方法。其中，掘进噪声源面波频散曲线的获取是对地下波速结构进行反演成像的基础，能否获取高质量的面波频散曲线取决于频散成像方法的成像效果。

3、对于现有方法而言，仍存在三方面问题制约着掘进噪声源面波的频散曲线提取效果。

4、一方面，在盾构掘进噪声源面波于地下激励、地表接收，波场中携带大量体波信号干扰，对后续面波频散曲线提取过程造成严重影响。面波在时空域数据上具有独特的“扫帚状”同相轴形态，如何利用这一特点进行高质量的干扰压制。因此，亟需一种掘进噪声源面波数据质量优化方法，进而为后续面波频散曲线提取与反演过程提供数据基础。

5、另一方面，复杂的地下介质使面波表现出多模态频散特性，受益于地下激发的震源形式，掘进噪声源面波数据的频散谱中丰富的多阶模态频散信息的准确获取将有助于提高后续反演的分辨率与整体探测深度。但与此同时，掘进源面波数据多模态频散发育使得频散谱中各模态能量可辨识的频段范围窄，高阶模态频散能量间的“模式接吻”现象突显，严重影响频散曲线拾取的完整性与准确性。上述因素最终导致掘进噪声源面波数据频散谱中频散曲线的拾取难度大。因此，亟需解决实测掘进噪声源面波数据面临的频散曲线提取难题。

6、此外，现有方法面临短排列长度的掘进源面波数据的频散曲线提取难题。频散方程的推导基于平层假设，面波数据中提取出的频散曲线反映了该数据各道检波器排列范围内地下介质的平均波速，因此，用于进行频散曲线提取的面波数据排列长度越短，对应波速模型在水平方向的尺度越小，最终反演成像的横向分辨率越高。而盾构施工隧道所面临前方环境的地下介质中包含孤石、溶洞等小尺度不良地质，需要反演具有较高的横向分辨率，需要进行较短排列数据的频散曲线提取。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种掘进噪声源面波频散曲线提取方法及系统，压制噪声干扰，实现对有效面波信号的高质量获取，实现多模态频散能量的自适应分离，削弱各模态频散特征间的影响，提升对短排列数据频散曲线的提取能力，从而实现完整频散曲线的预测。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种掘进噪声源面波频散曲线提取方法，包括：

4、获取探测区域内测点对应的掘进噪声源面波数据，并去除干扰信号后，得到纯净面波信号；

5、构建频散曲线分模式提取网络，并以不同排列长度的面波模拟数据进行分阶段训练；

6、采用训练后的频散曲线分模式提取网络对纯净面波信号提取多模态面波频散曲线；其中，对纯净面波信号进行模态分离，并对分离后各模态的域特征图经谱转换后，得到各模态的频散曲线。

7、作为可选择的实施方式，构建数据质量优化网络，并采用干扰压制数据集对其进行训练后，对掘进噪声源面波数据去除干扰信号；

8、其中，所述干扰压制数据集包括由纯净面波信号与面波干扰信号合成的面波虚源炮集数据，和作为标签数据的纯净面波信号；

9、所述数据质量优化网络通过滑窗的形式，沿掘进噪声源面波数据的空间轴与时间轴平移，分别处理不同时空位置的掘进噪声源面波数据。

10、作为可选择的实施方式，所述频散曲线分模式提取网络包括并行的模态分离编码器，模态分离编码器包括多个卷积层组成的编码器与多个反卷积层组成的解码器，模态分离编码器通过二维离散傅里叶变换将纯净面波信号转换为f-k域特征图，k为波数、f为频率。

11、作为可选择的实施方式，所述频散曲线分模式提取网络还包括谱转换模块，用于对分离后各模态的域特征图进行谱转换，包括：对f-k域特征图保留频率轴，沿波数轴方向对f-k谱进行扫描，根据波数k、频率f与相速度v的关系得到各频率、波数对应的相速度，并在坐标图中记录相应的频散能量，从而将f-k域特征图重采样成f-v域特征图。

12、作为可选择的实施方式，各模态的频散曲线以二维矩阵的形式输出。

13、作为可选择的实施方式，所述频散曲线分模式提取网络的第一阶段训练的目标函数为：

14、

15、式中，b为训练样本数，m为频散曲线的模态阶数，为预测频散曲线，d为频散曲线标签。

16、作为可选择的实施方式，所述频散曲线分模式提取网络的第二阶段训练的目标函数为：

17、

18、式中，b为训练样本数，m为频散曲线的模态阶数，为预测频散曲线，d为频散曲线标签，nc为相应输入地震记录的道数。

19、第二方面，本发明提供一种掘进噪声源面波频散曲线提取系统，包括：

20、数据质量优化模块，被配置为获取探测区域内测点对应的掘进噪声源面波数据，并去除干扰信号后，得到纯净面波信号；

21、增强训练模块，被配置为构建频散曲线分模式提取网络，并以不同排列长度的面波模拟数据进行分阶段训练；

22、分模式提取模块，被配置为采用训练后的频散曲线分模式提取网络对纯净面波信号提取多模态面波频散曲线；其中，对纯净面波信号进行模态分离，并对分离后各模态的域特征图经谱转换后，得到各模态的频散曲线。

23、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

24、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、针对掘进噪声源面波数据中存在的体波干扰的问题，鉴于面波信号特有的“扫帚状”同相轴形态与干扰存在区别，本发明构建一种关注时空域信号形态的数据质量优化网络，该网络工作原理接近卷积核，更为关注输入数据的二维图像形态特征，从而在时空域信号形态这一面波信号与其它干扰信号本质区别的角度入手，压制数据中的噪声干扰，实现对有效面波信号的高质量获取，为后续面波频散曲线的提取提供高质量的数据支撑。

27、针对掘进噪声源面波数据频散谱中各模态能量分布相互影响从而导致多模态频散曲线提取质量与完整性的问题，本发明构建了频散曲线分模式提取网络，实现多模态频散能量的自适应分离，削弱各模态频散特征间的影响，从而实现完整频散曲线的预测。

28、针对能反映小尺度不良地质的短排列数据频散曲线提取这一实用性问题，本发明提出频散能量特征增强训练策略，利用不同排列长度的面波模拟数据分阶段训练网络，使频散曲线分模式提取网络捕获不同排列长度数据频散能量间的映射关系，获得自适应频散能量增强的能力，提升对短排列数据频散曲线的提取能力，从而更好的适用于不良地质模型对应面波数据的频散曲线提取任务。

29、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。