震源车压制城市噪声机理及效果分析

2020-07-26黄华李忠生郑革辉吴大林王中圣袁子恒

物探与化探 2020年4期

黄华,李忠生,2,郑革辉,3,吴大林,王中圣,2,袁子恒,5

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；2.教育部西部矿产资源地质工程重点实验室，陕西西安 710054；3.四川省冶金地质勘查院，四川成都 050031；4.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005；5.中国石油集团测井有限公司，陕西西安 710077)

0 引言

随着城市化进程的快速推进和国民经济的高速发展，城市地球物理勘探近些年得到广泛应用，其中地震勘探因勘探深度范围广(从十几米到数百米甚至逾千米)、受地表物质干扰小、勘探精度高等优点而备受青睐[1-2]。在城市地震勘探中，如何克服交通振动等城市噪声一直是高品质数据采集的一大难题[3]，油田、煤田勘探中广泛使用的炸药震源因安全性差、破坏性强、污染大而无法使用；落重等简易机械震源激发能量偏弱、施工效率低下而较少采用；大锤震源虽效率高，但激发能量低，勘探深度浅而不适用较深的目的层[4-5]。

20世纪90年代末，中国地震局开展了城市活断层探测项目，把油田中使用效果良好的震源车引进到城市环境的地震勘探中，取得了非常不错的效果，随后该模式在多个城市的活断层探测中得到推广和应用，并相继取得了良好的结果[6-10]。可控震源具有振动能量大、重复激发一致性好、安全且无破坏、不污染环境等优点[11], 其被应用到城市地震勘探的主要原因也正是这些优点，当然也包括具有良好的抗城市噪声效果[12]。本文从震源车的工作原理出发，结合互相关滤波理论，模拟和探讨震源车压制噪声效果，并对实际城市环境中使用震源车采集资料进行分析。

1 互相关理论及震源车工作原理

互相关是地震资料数字处理中的一种数学运算方法，用来衡量两个波形之间的相似程度，具有线性滤波特性[13]。对于一维离散采样信号x(t)和y(t)，其互相关数学表达式可写为

(1)

式中,t是时间序列，τ是时移值。该式表示在相对时移为τ时，波形(信号)x(t)和y(t)的相关程度[14]。

可控震源的思想来源于脉冲压缩回声测距技术，目前使用的可控震源发出的多是正弦线性升频扫频信号，即从一个正弦起始频率连续扫描(升频)到终止频率，其瞬时频率设计为[15]:

(2)

式中：f1、f2分别为扫描起始频率和终止频率(Hz)，T为扫描时间长度(单位s)，t为时间变量，0≤t≤T。

如果地下存在多个地层界面，则每层界面都会产生反射信号(假设界面两侧介质的波阻抗不一致)，图1中的a、b、c分别代表3个不同地下界面的反射信号，地面检波器接收到的地层反射信号如图1d所示。

a、b、c—分别为地下三层界面的反射信号;d—三层界面反射信号混合后的原始波形;e—原始波形与扫描信号的互相关波形a、b、c—reflected waves of three different subsurface interfaces respectively;d—mixture wave signal of the figure a～figure c;e—reflected waveform after cross-correlation between the mixed wave signal and the vary-frequency sweep signal

可以看出，单纯从检波器记录到的原始反射波(图1d)中无法直观分辨出地层反射信息。这时，需利用互相关运算，将各个地层的反射波信息从原始信号中提取出来，图1e为震源车扫描信号与原始地层反射信号(图1d)互相关后的波形。可以看出，图1e的3个峰值，对应于地下3个界面的脉冲震源反射记录。可控震源通过一个长时间的低能量振动，利用互相关算法实现能量累积，从而达到类似炸药震源瞬间爆炸产生高能量的脉冲效果。

2 震源车压制噪声效果模拟分析

震源车除了可以产生类似脉冲震源的效果外，还具有高效压制背景噪声的优点[16]。下面分别从理论模拟和真实噪声环境对震源车压制噪声效果进行分析。

2.1 震源车单次激发压制随机噪声效果分析

参考野外采集现场常用的扫描参数[17-18]，这里设计了震源车扫描信号的参数如下：初始频率20 Hz，终止频率180 Hz，扫描时长12 s，瞬时频率由式(2)计算可得，振幅设定为1，考虑到互相关的吉布斯(Gibbs)效应，对扫描初始段和结尾段进行锥化处理[19]，初始段锥化为5%，结尾段锥化为10%，锥化部分采用布莱克曼(Blackman)窗函数[20]，其数学表达为:

A(t)=

(3)

式中：t1、t2分别为初始段和结尾段锥化的时间长度(单位s)，T为全程扫描时间长度(单位s)。

实际的城市环境中普遍存在振动噪声，特别在交通道路上施工时，交通振动干扰非常严重。下面将模拟的检波器采集信号加入一定的背景噪声，分析采集信号与震源车扫描信号的互相关情况。

考虑地下存在3个界面的地质模型，如表1所示，它们的双程反射时间分别是0.5、1.1和1.5 s，3个反射信号到达地表处的振幅分别为0.6、-0.4 和0.3(负号代表反射系数为负)，模拟地面采集的信号如图2a所示。为了对比背景噪声强度与有效反射信号强度之间的关系，这里使用相同时长内振动的平均振幅，即一个振动序列内所有离散采样点振幅绝对值的平均值进行比较。按此计算，上面3个反射信号叠加组成振动的平均振幅为0.37。

表1 地质模型

给出一系列高斯白噪声，在14 s(扫描时间12 s加反射波双程走时2 s)内的振幅平均值由小到大，然后将图2a中包含3个反射界面信息的振动信号分别与这些高斯噪声混合，再使用震源车扫描信号与这些携带背景噪声的采集信号利用式(1)进行互相关，并分析压制噪声效果。这里选出3个比较有代表性的噪声，振幅分别为5、10和15，图2b为振幅平均值为10的高斯噪声波形。从有效信息与噪声信号的直观大小对比可以看出，若两信号混合后，反射信息完全淹没在噪声之中，根本无法直观辨别。将选定的3组噪声与有效反射信号混合后模拟3条外业采集的原始记录，并将它们分别与震源的扫描信号做互相关计算，结果分别如图2c、d和e所示。

可以看出，图2d中的3个反射信号可清晰分辨出来，此时噪声平均振幅大约是有效反射信号平均振幅的27(10/0.37)倍，也就是说，当反射信号强度超过噪声强度的3.7%时即可通过互相关技术将其识别出来。

a—反射波信号;b—平均振幅值为10的高斯噪声信号;c、d、e—不同随机噪声强度(平均振幅值分别为5、10和15)的反射信号与扫描信号互相关效果a—reflected wave signal;b—Gaussian noise signal with an average amplitude value of 10;c、d、e—cross-correlation between reflected and scanned signals with different random noise intensities(average amplitude values of 5、10 and 15 respectively)

2.2 震源车重复激发压制随机噪声效果分析

实际上震源车具有重复激发一致性良好的优点，在一个激发点很容易实现能量的垂直叠加。另外，由于背景噪声是随机干扰，在进行重复激发叠加时，随机噪声的多次叠加会使噪声水平降低。因此，在环境干扰噪声比较强的地区施工时，通常采用多次重复激发模式采集数据，重复次数一般从几次到十几次，甚至几十次。

仍然使用表1的地质模型及前面设定的扫描参数模拟反射信号(图2a)，反射信号平均振幅为0.37。通过多次试算，选定平均振幅为30的高斯噪声作为背景，模拟震源车重复激发次数分别为1、2、4、8、16和32进行计算分析，结果如图3a～f。可以看出，在激发次数小于4时，有效信号都不是太好；当激发次数达到16时，完全可以辨别出反射信号，32次激发的信噪比已非常高。若以重复激发8次为识别有效信号的临界状态，此时噪声平均振幅大约是有效反射信号平均振幅的81(30/0.37)倍。这意味着，当反射信号强度超过噪声强度1.2%时，就可使用大于8次的重复激发手段得到较高信噪比的原始记录数据，可明显辨别反射震相，在此基础上，再利用通常使用的多次覆盖反射波观测方法，可取得质量较高的反射剖面。

a～f—重复激发次数为1、2、4、8、16和32的互相关效果a～f—cross-correlation effect of repeated excitation times of 1、2、4、8、16 and 32

2.3 震源车压制交通背景噪声效果分析

为了分析震源车对实际施工环境下的噪声压制效果，专门在城市主干道路繁忙交通环境下采集了背景噪声资料(图4)，采集参数为：道间距为3 m，240道接收，记录时长2 s。

图4 测线布置环境为交通繁忙的城市主干道Fig.4 The survey line on the main road of the city with heavy traffic

采集数据不做任何处理，如图5所示。为了给后续研究提供数据源，共采集了10炮噪声记录。可以看出，除了各种随机噪声外，道路上行驶车辆引起的交通振动噪声非常突出。

图5 实际噪声记录Fig.5 The real noise record

为了分析互相关对交通噪声的压制效果，将上文计算中的高斯噪声替换成在实际施工环境下采集的包含交通振动的背景噪声信号。为了便于分析和震相识别，这里采用多道的单炮记录进行互相关计算，选用图5中比较典型的131～160记录道作为背景噪声(图6a)，同时为了下面与12 s时长的扫描信号做互相关计算，将单道记录的2 s长度重复7次，形成记录长度14 s的背景噪声。

计算所用的反射波信号仍然使用表1的地质模型产生的模拟信号，设激发源位于131道，将3个反射信号强度的平均振幅设定为0.37，30道交通噪声信号的平均振幅设为3个强度，分别是1、2和3。然后将接收到的反射扫描信号与不同强度的背景噪声混合，模拟真实情况下检波器接收到的振动信号，再将混合后的振动信号与震源扫描信号做互相关计算，结果如图6b～d所示。

a—30道(131#～160#)城市噪声记录; b～d—不同噪声强度(平均振幅值分别为1、2和3)下的反射信号与扫描信号互相关效果a—30 channels (131#～160#) city noise record;b)～d—cross-correlation between reflected and scanned signals at different noise intensities (average amplitude values of 1、2 and 3, respectively)

可以看出，最强的反射，即第1层界面的反射信号，能够很容易的在3个强度的背景噪声中识别出来。但对于最弱的第3层界面反射信号，在平均幅值为3的背景噪声中，交通噪声最大的区域较难分辨。在平均振幅为2和1的噪声记录中，最弱的反射信号基本上可以识别出(见图6右侧放大的小图)。这一结果说明，当反射信号强度超过背景噪声的18.5%(0.37/2)时，可以进行互相关识别，也就是说当震源车单次激发时，可压制有效信号5倍的交通背景噪声。

上面的计算仅仅考虑的是一次激发，若考虑多次重复激发、叠加记录，则可清晰分辨更弱能量的反射信号。计算时，需每次更换不同的背景噪声，即从前面采集的10炮记录中(共2 400道)任意抽出相邻的30道作为背景。然后对每次采集的14 s长度的数据直接叠加，最后与震源扫描信号做互相关运算。经试算，这里给出了反射信号平均振幅和背景噪声平均振幅分别为0.37和10时的计算结果，激发次数分别为1、2、4、8和16次，相关后的结果见图7a～e。

a～e—重复激发次数分别为1、2、4、8和16次的互相关效果a～e—cross-correlation effect of repeated excitation times of 1、2、4、8 and 16

可以看出，重复激发8次时可清晰辨认有效反射信号(见图7右侧放大的小图)，此时，反射信号平均振幅约为背景噪声平均振幅的3.7%(0.37/10)，或者说当震源车重复激发8次时，可压制有效信号27倍的交通背景噪声。

综合上面的模拟计算分析可知，震源车通过激发扫描信号，然后对接收信号进行互相关，从单次激发到8次的重复激发，可压制相当于有效信号强度27～81倍的随机背景噪声以及5～27倍的交通背景噪声，说明震源车具有极高的压制噪声的特性。

3 工程勘探实例效果

在西安地铁工程建设中，需要对隐伏的西安地裂缝进行人工地震勘探，以确定其确切位置和性质等未知信息。勘探测线布置在城市主干道路边，大小车辆川流不息(图4)，交通振动干扰大。课题组选用美国Metrz公司M18/612型(18T)震源车作为激发源，扫描参数为：线性升频扫描20～180 Hz，扫描时长12 s，震源出力参数设置为75%；采用24次覆盖反射波法，道间距3 m，240道接收的观测系统[21]。

图8为采用以上观测系统并重复激发12次的野外单炮记录，可以看出，各个地层的反射信号清晰连续，勘探深度可达双层反射时间1 000 ms左右，对应地层深度约900～1 000 m。

图8 可控震源采集地震记录(重复激发12次)[21]Fig.8 An original field record by vibroseis (12 times repeated excitation)

图9是经资料处理后得到的反射叠加剖面图(局部)，图中有效信号信噪比高，各反射波震相清晰连续，地质构造明显。图9中的F1～F3被解释为断层异常。随后布置了工程钻探进行验证，3个异常均得到确认，并且地震勘探确定的位置与钻孔验证吻合良好。其中F3被认定为西安地裂缝，其地质钻探剖面如图10所示，十几米深的古土壤地层底界断距达2.8 m[21]。

图10 地质钻探剖面(F3)[21]Fig.10 Geological drilling profile (F3)

图9 实际工程反射叠加剖面(部分)[21]Fig.9 The actual stacked profile(partial)

本次勘探区域为西安西南郊的皂河沣河阶地，近地表为河湖相地层，水位深度约15 m。虽然近地表松散的第四系对地震波高频段有较强的吸收，使得接收到的地下界面反射信号形态与震源车发出的扫描信号形态之间存在一定程度的失真，从而削弱互相关压制噪声效果[22]，但无论是单炮记录，还是最终叠加剖面，均显示了非常高的信噪比，达到了良好的效果。说明震源车不仅具有非常好的压制城市噪声特性，也适用于常见的松散第四系探区。