基于f-k变换Scholte波参数提取优化

黄洪 卢旭东 姜承志

摘要：为提高在浅海环境下海底地震波采集效果，建立含有多种波动成分浅海声场模型，地震波包括横波、纵波、表面波即Scholte波。利用归一化法，Z-Score法对采集地震波信号预处理，得到震动幅值峰值降低，曲线更为平滑的震动曲线。理论推导和仿真数据结果表明：由Z-Score法预处理震动数据，经f-k变换得到f-k谱与归一化法预处理相比，f-k谱能量更为集中，分布更均匀，有利于Scholte波频散曲线提取。Z-Score法能提高Scholte波频散曲线提取效果。

关键词：Scholte波;预处理;Z-Score法;频散曲线

中图分类号：TP391  文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2020）06-0000-00

0引言

浅海环境下，地震波分析工作是研究海底地质结构关键。海水与水底介质分界面处由横波和纵波干涉形成的Scholte波具有能量大，衰减率低，传播距离长，携带有海底介质地质结构信息等特点。对Scholte波采集分析可获取海底地质结构信息，其主要内容是对其频散特性的研究。Scholte波有多种采集方法，当采用f-k变换提取Scholte波频散曲线时，提取效果优劣主要依靠f-k变换处理数据得到f-k谱的清晰度。对原始采集数据进行无量纲化预处理能够提高f-k谱清晰度，所以数据预处理研究在浅海地震波提取方面具有重要意义[1]。

1基本原理

浅海地震波采集信号是时间，空间二维点信号，为震幅，为时间。通过多个信号采集点同时采集信号形成多道面波，利用二维傅里叶变换对多道面波处理，得到f-k（为频率，为波数），最后利用f-k变换提取公式，得到该频率下的视速度。f-k变换提取公式如下：

式中为处理后参数值，x为采样参数值，为采样参数平均值，为标准差。

在多道面波信号经数据预处理后，还需对震动信号进行二维傅里叶变换（简称二维Fourier），二维Fourier变换主要应用于将图像从空间域转换到频率域，图像实质上是二维矩阵，仿真实验采集多道面波信号是二维信号，能够被处理[2-3]。

2浅海声场模拟

根据浅海海洋环境和Scholte波特征方程建立Pekeris声场模型，其中为声波在海水中传播速度;为海水密度，、为声波在海底介质中纵波、横波速度;为海底介质密度，H为深度;r为流-固界面质点到声源水平距离;为海底介质质点距流固界面深度;为面波波速[4]。

依據表1浅海声场设置参数，将参数代入式（4）中，得到理论频散曲线，当频率范围在0Hz-10Hz时，流-固界面表面Scholte波发生频散现象，当频率值大于10HZ时，Scholte波波速基本不发生变化，速度约为。

3数据采集与分析

本次仿真实验采用的是多道面波技术，需要仿真模拟水下接收信号。本节仿真模型200-400，每个传感器间距，当面波被激发时，同时对面波震速进行采集，一共采集48条Scholte波震动曲线，如图所示，1～16道信号采用一倍放大，17～32道信号采用二倍放大，33～48道信号采用四倍放大[5-6]。

将采集到的48道Scholte波震动曲线进行归一化法，Z-Score法数据处理，对处理后数据进行二维傅里叶变换，得到频率和波数能量关系云图，如图1所示，为归一化法处理后能量关系云图，如图2所示，为Z-Score法处理后能量关系云图。从图1和图2对比，Z-score法能量云图更为清晰便于提取能量峰值。因为Z-Score法提取效果更好，后续分析工作采用Z-Score法提取得到的能量云图。取能量云图中能量团峰值点，将采集得到峰值点集代入式1中，得到点集，把点集连接起来，得到Scholte波频散曲线，在10Hz以下时，Scholte波出现明显频散现象。在大于10Hz以上时，Scholte波波速变化不大，趋于稳定，约为900。该参数值与理论值相比，虽然速度存在一定程度降低，但这主要是水下模型，水下介质对Scholte波有阻挡作用，Scholte波存在一定衰减，所以该参数值符合理论值[7]。

4总结

通过数据处理提取的频散曲线和理论值比较，经归一化法或Z-Score法处理后，数据值无失真，符合理论。Z-Score法在频散曲线提取数据预处理中相比归一化法，提取f-k谱能量更加密集且集中，易于频散曲线提取。在浅海地震波初期数据处理工作中，Z-Score法在数据预处理阶段有很好的效果。

参考文献

[1]何樵登.地震波理论[M].北京：地质出版社，1988.

[2][美]安艺敬一P G理查兹，著，李钦祖，等，译.定量地震学——理论和方法[M].第一卷和第二卷，北京：地震出版社，1987.

[3][美]R E 谢里夫，[加]L.P吉尔达特，著，初英，李承楚，等，译.勘探地震学（上下册）[M].北京：石油工业出版社，1999.

[4]杨宝俊，牛滨化，阎贫.勘探地震学导论（二）[M].长春：吉林科技出版社，1992.

[5邱志刚，罗奇峰.几条地震波的归——化时-频反应谱分析[J].地球物理学报，2015，58（4）：1251-1258.

[6]邱志刚，罗奇峰.地震波的归——化时-频反应谱[J].振动工程学报，2014，27（01）：91-95.

[7]Dieter？rauch.Seismic？interface？waves？om？coastal？waters：a？review[J].ResearchGate，1980（86）：20-60.

收稿日期：2020-04-15

作者简介：黄洪（1995—），男，四川广安人，硕士，[1]研究方向：兵器工程。