圆形7节点交互式微动数据采集系统及流程的制作方法

本发明涉及一种圆形7节点交互式微动数据采集系统及流程。

背景技术：

微动是一种没有特定震源，在任何时间任何地点都能观测到的振幅很小的微弱振动，其形变位移量只有几微米到几十微米。微动的来源主要包括自然因素(风、海浪、固体潮、气候变化等)以及人为因素(人类活动，机械振动等)。来自远震源的波动在传播过程中要经过途中地层介质，会携带与地层特性有关的地球物理信息，因此通过观测和研究地表微动，可以得到地层弹性参数以及结构特征。

研究微动常用的方法有fk和spac法，由于fk方法具有一定的局限性。spac法的数据采集是通过观测台阵来完成的。目前已有的spac数据采集台阵设计多为圆形4节点和6节点，多用于对精度要求不太高的地下大尺度结构研究，此类台阵获取的微动数据质量较差，相关性不够，如果用于城市浅地表结构探测，则难以保证速度结构反演精度，对地层结构分析带来很大的偏差，无法满足工程地勘需求。另一方面，传统台阵仅具有数据采集功能，不具备实时数据传输及监测功能，必须等数据全部采集完毕将数据带回后才能进行分析处理，缺少了现场数据质量判断环节，一旦数据质量不合格，则只能返场进行新一轮数据采集，势必会影响工程进度，产生额外费用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种圆形7节点交互式微动数据采集系统及流程。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

圆形7节点交互式微动数据采集系统，包括7个地震记录仪组成的台阵，其中6个地震记录仪均布在同一个虚拟圆的圆周上，1个地震记录仪设置在虚拟圆的圆心处；

台阵的直径应不小于目标频段中的最大波长。

作为优选方式，从任意方向看，测点间距不应小于目标频段中最短波长的一半，以减小波数域的混频误差。

作为优选方式，测点间距的最大间距取5～6倍的目标频段的最大波长。

作为优选方式，目标频段中最大波长和最小波长与场地特征参数有关，需利用场地下方三十米平均横波波速vs30和自振动周期tg来确定：λ＝0.05×vs30×tg。

作为优选方式，虚拟圆的半径为：

δxmin＝λmin/2

δxmax＝5λmax～6λmax

式中：λmin、λmax最小波长和最大波长

δxmin、δxmax观测台阵的最小半径和最大半径。

作为优选方式，

微动数据采集现场环境评估应包含以下几项内容：

(1)测区空间情况：获取测区高精度平面图及地下管线分布图等，根据区域内部地形条件及地上地下建构筑物分布情况进行网格划分，排查环境不良区域，为优化侧线设置提供参考。

(2)干扰源分析：固定频率干扰源，如工业机械，水泵，发电机等，应严格避免在此类干扰源附近进行数据采集；随机干扰源，如汽车等，应增加该点位数据记录时间以保证有足够的信号长度进行后期去噪处理。

(3)测区地表条件：测点地表是否允许仪器直接放置，应严格避免将仪器直接放置在泥地，长草地，液体浸润的土地等松软地表上；若测点地形条件无法直接放置仪器如峭壁，斜坡等，则应使用沙袋等人工耦合物用以固定仪器，应避免使用木板，泡沫等。

(4)地表及地下浅层构筑物分析：测点附近是否存在建筑物，树木等，地下浅层是否存在停车场、地下管道等。原则上应避免在上述物体附近采集数据。

(5)天气条件：当风速大于5m/s时应停止数据采集；避免在雨中进行数据采集；气象扰动，应避免在低气压环境中采集数据。

进行现场环境评估时需做好现场记录，填写信息记录表。

作为优选方式，为了获取高质量微动数据，需根据现场环境评估结果合理的设置测量参数。

作为优选方式，根据现场环境评估结果合理的设置测量参数具体应按照规范流程进行数据采集，规范流程包括仪器准备阶段和数据采集阶段。

作为优选方式，

仪器准备阶段：

1选择参数合适的地震信号采集装置：仪器采样率应远远大于最高目标频率的2倍；最低有效频率应远低于最低目标频率。

2仪器校准：进行仪器一致性测试，测试仪器之间的相关性，信号时间延迟等参数，并进行校正。

3根据现场环境评估结果确定数据采集测线走向及点位排布，并在测试点位上布设七节点圆形台阵。

作为优选方式，

数据采集阶段：

s1开启设备：检查地震记录仪电量是否充足、存储卡容量是否充足，确保gps信号稳定，等待gps时钟自动完成同步，指示灯处于闪烁状态，确定bluetooth模块连接正常，指示仪器完成时间校准并开始数据采集；

s2仪器方位：按照测点排布设计方案，将各仪器按圆形台阵方式依次布置在各测试点位，仪表盘正北方向与实际正北方向调节一致；

s3仪器调平：调节仪器旋钮，使水平指示盘内小气泡居中，调至仪器水平摆放，以有效接收微动信号；

s4开始采集：尽量保持周围环境相对安静，记录测点起止测试时间，单个测点数据采集时间不少于20分钟，有重大干扰源经过时可适当延长采集时间；

s5现场施工备注：测试过程中对每个测试点做好测试环境记录，对现场周围的人工活动进行记录，观测并记录观测现场周围是否出现大型干扰源(如大型车辆经过、其他地面施工机械等会导致出现大幅度地表振动的情况)、中小型干扰源(如行人路过、小型车辆经过、坠落物等)。对测点进行拍照，记录实地其他信息；

s6仪器实时监控：在数据采集过程中应对地震记录仪的工作状态信号灯进行实时监控，如发现信号灯异常应做及时处理，做好记录并重新补测该点位；

s7现场数据监测：在布置完台阵仪器后，开启数据传输模块，连接数据监测终端，数据传输模块通过蓝牙传输方式将数据传送到数据监测终端，实现探测数据实时传送，并使用终端上的配套软件监测各个台阵获取的数据。通过数据信号波形及现场干扰源情况分析判断数据质量。及时发现受干扰的信号段，根据信号受污染程度来选择是否需要重新采集。判断数据是否合格，对数据不合格的测点进行重测；

s8整理归档：包括数据文件的读取和存档，野外记录归档。

本发明的有益效果是：相比于传统4,6节点观测系统，对比分析了两个核心参数：1.数据采集质量；2.施工效率，7节点系统在数据采集质量、施工效率以及施工成本方面均具有明显优势。

附图说明

图1为spac系数vs台阵方案；

图2为台阵布设平面示意图；

图3为微动数据现场采集操作流程图；

图4为数据开窗去噪；

图5为质量较好的数据波形图；

图6为轻度污染的数据波形图；

图7为严重污染的数据波形图；

图8为实施例中信息记录表的示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1和图2所示，圆形7节点交互式微动数据采集系统，包括7个地震记录仪组成的台阵，其中6个地震记录仪均布在同一个虚拟圆的圆周上，1个地震记录仪设置在虚拟圆的圆心处；

台阵的直径(即虚拟圆的直径)应不小于目标频段(通常为1-30hz，根据实际探测深度来定，目前在城市浅地表地勘中基本是五十米内，所以1-30hz就足够)中的最大波长，因为实际采集到的信号频段是很宽的只选取目标频段即可。研究微动常用的方法有fk和spac法，由于fk方法具有一定的局限性，本发明选用的是spac方法。

本发明基于一系列城市浅地表微动勘探项目，分析对比了不同节点数目台阵的性能，提出全新的7节点观测台阵方案，并在此基础上增加了实时数据传输模块，实现了现场交互式数据采集，能够现场对数据进行分析，发现不合格的数据，及时应急处理。

相比于传统4,6节点观测系统，7节点系统在数据采集质量、施工效率以及施工成本方面均具有明显优势，对比分析了两个核心参数：1.数据采集质量；2.施工效率。

首先对比不同节点数目的台阵所获取的数据质量。通过spac曲线可以直接看出数据的好坏，spac曲线越接近理论曲线(零阶贝塞尔曲线)则数据质量越好，反之则越差。如图1所示，圆周上节点的数目对获得的spac曲线影响显著。当圆周上只分布3个节点时，即4节点台阵，得到的spac曲线相关性偏低，整体形态与标准零阶贝塞尔曲线相差很大，且小范围内的起伏波动频繁，表明4节点台阵稳定性和抗干扰能力较差，在周边条件复杂，存在较多瞬时非稳态噪音的环境中难以获得高精度的spac曲线。随着圆周上分布节点数目增加，从图中可以看出6节点台阵的spac曲线相比4节点台阵质量有所提高，而7节点台阵获取的spac曲线无论是整体形态准确性还是曲线平滑程度均为最佳，与理论曲线(零阶贝塞尔曲线)非常接近，这表明7节点台阵获取的数据质量明显优于4，6节点台阵。

施工成本以及施工效率对比分析：

对于工程项目来说，施工效率同样是非常重要的指标。圆周上节点所构成的内接多边形形状会对施工效率造成影响。4和6节点台阵位于圆周上节点数目分别为3和5，为奇数，则形成的内接多边形没有经过圆心的对角线，这会给仪器布设带来不便，降低施工效率同时也会影响布点精度。综合考虑，在保证spac曲线获取精度的前提下，兼顾施工效率，7节点台阵无疑是最优方案。

在一个优选实施例中，从任意方向看，测点间距(测点间距是两个台阵中心点之间的距离，即两个相邻虚拟圆的圆心距离)不应小于目标频段中最短波长的一半，以减小波数域的混频误差。如图2所示，在测量线路上设置有至少两个观测点，观测点之间的距离(测点间距)为10m，台阵或者虚拟圆的半径为3m。

在一个优选实施例中，测点间距的最大间距取5～6倍的目标频段的最大波长。

在一个优选实施例中，目标频段中最大波长和最小波长与场地特征参数有关，需利用场地下方三十米平均横波波速(或上覆盖层30m的平均剪切波速)vs30和自振动周期(或场地自振周期)tg来确定：λ＝0.05×vs30×tg。

相关参数按下表进行取值：

场地条件分类标准

在一个优选实施例中，虚拟圆的半径为：

δxmin＝λmin/2

δxmax＝5λmax～6λmax

式中：λmin、λmax最小波长和最大波长

δxmin、δxmax观测台阵的最小半径和最大半径。

在一个优选实施例中，现场为中硬土条件，经计算最小和最大波长为：

λmin＝4mλmax＝9m

则rmin＝λmin/2＝2m；rmax＝5λmax～6λmax＝45m～54m

式中：λmin、λmax最小波长和最大波长，rmin、rmax观测台阵的最小半径和最大半径。

在一个优选实施例中，微动数据采集现场环境评估应包含以下几项内容：

(1)测区空间情况：获取测区高精度平面图及地下管线分布图等，根据区域内部地形条件及地上地下建构筑物分布情况进行网格划分，排查环境不良区域，为优化侧线设置提供参考。

(2)干扰源分析：固定频率干扰源，如工业机械，水泵，发电机等，应严格避免在此类干扰源附近(100m以内)进行数据采集；随机干扰源，如汽车等，应增加该点位数据记录时间以保证有足够的信号长度进行后期去噪处理。

(3)测区地表条件：测点地表是否允许仪器直接放置，应严格避免将仪器直接放置在泥地，长草地，液体浸润的土地等松软地表上；若测点地形条件无法直接放置仪器如峭壁，斜坡等，则应使用沙袋等人工耦合物用以固定仪器，应避免使用木板，泡沫等。

(4)地表及地下浅层构筑物分析：测点附近是否存在建筑物，树木等，地下浅层是否存在停车场、地下管道等。原则上应避免在上述物体附近采集数据。

(5)天气条件：当风速大于5m/s时应停止数据采集；避免在雨中进行数据采集(包括小雨)；气象扰动，应避免在低气压环境中采集数据。

进行现场环境评估时需做好现场记录，填写信息记录表，信息记录表样式如图8所示。

在一个优选实施例中，为了获取高质量微动数据，需根据现场环境评估结果合理的设置测量参数。

在一个优选实施例中，根据现场环境评估结果合理的设置测量参数具体应按照规范流程进行数据采集，规范流程包括仪器准备阶段和数据采集阶段。

在一个优选实施例中，仪器准备阶段：

7选择参数合适的地震信号采集装置：仪器(地震记录仪)采样率应远远大于最高目标频率的2倍；最低有效频率应远低于最低目标频率。

8仪器校准：进行仪器一致性测试，测试仪器之间的相关性，信号时间延迟等参数，并进行校正。

9根据现场环境评估结果确定数据采集测线走向及点位排布，并在测试点位上布设七节点圆形台阵。

在一个优选实施例中，数据采集阶段：

s1开启设备：检查地震记录仪电量是否充足、存储卡容量是否充足，确保gps信号稳定，等待gps时钟自动完成同步，指示灯处于闪烁状态，确定bluetooth模块连接正常，指示仪器完成时间校准并开始数据采集；

s2仪器方位：按照测点排布设计方案，将各仪器按圆形台阵方式依次布置在各测试点位，仪表盘正北方向与实际正北方向调节一致；

s3仪器调平：调节仪器旋钮，使水平指示盘内小气泡居中，调至仪器水平摆放，以有效接收微动信号；

s4开始采集：尽量保持周围环境相对安静，记录测点起止测试时间，单个测点数据采集时间不少于20分钟，有重大干扰源经过时可适当延长采集时间；

s5现场施工备注：测试过程中对每个测试点做好测试环境记录，对现场周围的人工活动进行记录，观测并记录观测现场周围是否出现大型干扰源(如大型车辆经过、其他地面施工机械等会导致出现大幅度地表振动的情况)、中小型干扰源(如行人路过、小型车辆经过、坠落物等)。对测点进行拍照，记录实地其他信息；

s6仪器实时监控：在数据采集过程中应对地震记录仪的工作状态信号灯进行实时监控，如发现信号灯异常应做及时处理，做好记录并重新补测该点位；

s7现场数据监测：在布置完台阵仪器(地震记录仪)后，开启数据传输模块，连接数据监测终端，数据传输模块通过蓝牙传输方式将数据传送到数据监测终端，实现探测数据实时传送，并使用终端上的配套软件监测各个台阵获取的数据。通过数据信号波形及现场干扰源情况分析判断数据质量(如大型干扰源存在时会导致数据被严重污染；中小型干扰源存在时会导致数据被轻度污染)。及时发现受干扰的信号段，根据信号受污染程度来选择是否需要重新采集。判断数据是否合格，对数据不合格的测点进行重测；

数据质量判别方法及标准：

通过对现场数据在时域进行开窗，时窗宽度的选择需要根据信号频谱来确定，一般来说可选择信号主周期的20-50倍。确定时窗宽度后需要计算每个时窗内的信号振幅均值(sta,短时均值)以及整个数据段的平均值(lta,长时均值)，比值sta/lta，度量了每个时窗信号段的相对尖峰程度，通常将比值过大(>3)的信号视为短时干扰，需剔除该窗内的数据。如图4所示，空白窗口内的信号即为需要消除的干扰信号。

各种数据质量的波形图展示及相应的处理措施：如图5所示，(1)质量较好的数据波形图：直接存储该数据；如图6所示，(2)轻度污染的数据波形图：需对数据进行滤波处理后再存储；如图7所示，(3)严重污染的数据波形图：剔除该数据，重新进行数据采集。上述三类仅为示例，主要判断依据为sta/lta，通常将比值过大(>3)的信号视为短时干扰，需剔除该窗内的数据。

s8整理归档：包括数据文件的读取和存档，野外记录归档。微动数据现场采集操作流程图如图3所示。

本发明提供的圆形7节点交互式微动数据采集系统可以获取更高质量的微动数据，保证数据的相干性，并实现了数据实时传输与监控，大大提高了地层速度结构反演精度，为城市浅地表微动勘探提供了数据保障，同时也能提高了施工效率，节约项目成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。