基于介质表面测试的面波CT成像技术初探

2020-12-30于维刚陈俊栋

物探化探计算技术 2020年6期

于维刚，卢松,2，陈俊栋，粟健

(1．中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731； 2．中铁科学研究院有限公司 “何发亮”专家工作室，成都 611731；3．中铁科学研究院有限公司，成都 611731)

0 引言

传统CT成像技术，采用的是特征场透射走时和振幅差异来重构介质内部特征值或衰减系数的分布，并通过像素、色谱、立体网络等方式进行综合展示，以期达到直观反映介质体内部特征图像之目的。随着CT技术和各专业学科的发展，使得CT技术在非医学行业也得到了广泛地应用。

19世纪末期，英国学者瑞雷首先从理论上确定了瑞雷面波，其主要分布在自由界面附近。20世纪50年代后，相关研究发现当介质为均匀各向同性时，瑞雷面波的相速度和群速度将一致，当为层状介质时瑞雷波的相速度将不一致，其相速度随着频率变化而变化，即存在频散现象[1-3]。

目前，学者在CT探测技术及面波探测技术上，从测试设备的简捷性、数据处理、反演算法、成果展示等方面，做出了众多研究。然而，未见有学者综合两种方法，实现介质表面测试的面波CT成像技术[4]。笔者引入面波CT成像技术，取二种方法之精华，开展在介质或构筑体表面布换能器的面波CT成像技术。

1 基于面波的CT技术

1.1 面波特征分析

面波作为地震波的一种，在传统反射法、折射法探测工程中，属噪声成份，又称地滚波(图1)。面波只存在于界面附近，典型的面波包括斯通利波、勒夫波、瑞雷波等，其振幅均随着离开界面深度的增加而按指数减弱，且具有显著的频散现象。瑞雷面波既有P波成分也有SV波成分，但无SH波成分，其能量主要集中在介质自由表明附近，且相比于体波(纵波、横波)能量衰减较慢，与纵波、横波的速度差异也较大，可以更好地进行分离(图2)。面波在传播过程中，介质的质点以逆时针方向旋转、长轴与地面垂直、运动轨迹呈现椭圆极化的特点，以波前约为一个高度λR(R波长)的圆柱体向外扩散[2,5-6]。

图1 面波质点运动轨迹及传播Fig.1 Track and propagation of surface wave particles motion

图2 典形波形曲线不同成分时域分布Fig.2 Time domain distribution of different components of typical waveform curves

由于瑞雷面波在均匀半空间介质中进行传播时，其质点振动为转动的椭圆形，且在介质表面附近所有弹性波的入射能量中，瑞雷波所占比重最大，约为全部激发能量的2/3，远大于纵波所占比重7%及横波所占比重26%，因此在利用瑞雷波作为有效信号进行浅地表探测时，数据信噪比能够得到极大提高[7-9]，为开展面波CT探测技术提供了理论基础。

1.2 弹性波CT技术

图3 CT剖面网络射线示意图Fig.3 Schematic diagram of CT profile network ray

图4 不同成份波首波特征Fig.4 Head wave characteristics of different components

根据反演成像所针对的物理参数的不同，弹性波CT技术目前主要分为两大类：波速CT和吸收系数CT，由于速度参数直观可靠且物理意义明确，因此笔者主要采用的是波速CT。在利用走时数据进行成像时，不同的反演算法均基于成像单元内射线通过的长度，因此准确获取有效信号的传播路径及其初至走时显得至关重要。对于射线路径矩阵及其走时的求解，目前较常用的方法主要有最短路径法、有限差分方程法、旅行时线性插值法等[10-11]。由于最短路径法在求解复杂介质中的走时具有较高的稳定性，因此，笔者对于射线走时及路径的求解均基于最短路径算法之上[12]。在获取走时数据后，弹性波CT成像技术通过求解大型矩阵方程以获得探测范围内的速度剖面图像。该方法探测剖面网络示意图如图3所示。

1.3 基于面波的CT技术

在开展面波CT探测时，初至时间的拾取是关键，特别是开展面波CT技术，有效地获取面波成份的首波时间，更是重中之重。我们要将早于面波到达的纵波、横波进行去除，选取能量远大于纵波与横波的面波首波到达时间。由图4可以看出各不同成份波首波的特征，纵波速度最快，振幅能量小，最先被接收到；横波与面波速度存在差异，约为0.95倍，但其振幅能量较面波能量相比较小；面波速度最小，但其能量占总能量的2/3[2-3,8]。因此，能效好地获取面波首波时间，进行基于面波的CT探测，并获取CT区间内的面波速度分布，并结合波面主频范围，分析响应深度情况，进而完成探测目的。

图5 模型照片Fig.5 Photo of the model

图6 测试照片Fig.6 Photo of test

表1 ZGS202多通道地层声波CT机技术参数

最短路径算法以Fermat原理为基础，旨在寻找两结点之间的最短路径。对于面波CT探测的具体问题求解，首先需将探测剖面内的连续介质转换为离散类型，即将模型离散为均匀的网格单元(离散单元可为正方形或三角形)，由网格节点连接线作为具有走时的射线段，然后对所利用的首波进行射线路径快速追踪[12]，在已知射线路径和首波初至时间的基础上，该问题便转化为对大型矩阵方程的求解，该方程为式(1)。

(1)

式中：N为成像剖面中的总射线数；M为剖面所离散的总网格单元数；lij为第i条射线在第j个单元内所通过的射线长度；Cj为第j个单元内速度的倒数，即慢度值；ti为第i条射线的面波首波初至时间。

2 表面测试的面波CT模型试验

为开展基于面波的CT探测技术研究，首先进行模型试验研究，模型以水泥和中砂作为主要原料，水泥标号以C30为标准与均匀中砂质量1:2配合比，内嵌篮球作为异常空洞，经模注、养护，使其达到一定的强度[7]。图5为模型照片，图6为测试布置照片[13]。

2.1 模型实验

采用“ZGS202多通道地层声波CT机”，该仪器设计轻便、性能可靠，能实现数据采集、管理一体化，仪器性能参数见表1，本次试验震源发射与波形接收探头均选用75 kHz压电传感器，采样频率选用10 MHz，记录长度为32 K。图7为典型波形时域曲线图,可以结合各成份特点，从波形曲线图中较好地获取纵波、横波、面波的首波初至时间，进行CT成像。图8为典型波形频域曲线图。

图7 典型波形时域曲线图Fig.7 Time-domain curves of typical waveforms

图8 典型波形频域曲线图Fig.8 Frequency-domain curve of typical waveforms

图9 半球形界面表层直达波CT测试波速分布图Fig.9 Velocity distribution of direct wave CT test on the surface layer of hemispherical interface

将模型表面作为介质测试面，以空洞两侧较短平行边作为测线，测点偏移距为0.1 m，进行5×5测点的CT测试，每条测线将波形叠加5次。

对所采集的数据，进行波形分离，并拾取不同类型波的初至时间，采用5×5的网格划分，进行波速计算，首先利用直达波走时进行反演成像，以验证表面测试方法数据的有效性及反演算法的准确性，该空洞模型直达波反演成像结果如图9所示。

2.2 模型试验结果

模型试验分析声波的频率约为42 kHz，取波速为3 091 m/s，可得波长约为7.4 cm。

表面直达波CT取得较好效果的主要原因，是声波不是沿表面传播的，而是在一定深度范围内沿介质的层面传播。测试表面距空洞的最近距离为3 cm，直达波的波长的二分之一大于这个距离，因此声波经过空洞上方时就会受到影响。

3 场地试验

由模型试验中的直达波CT探测结果可知，在基于介质表明测试的情况下，反演成像结果与对穿透射波CT结果类似，因此基于介质表面进行CT探测是可行的。考虑到在层状介质中，面波是在界面附近一定深度范围内进行传播，因此对在地表通过面波在一定深度范围进行表面CT的浅层探测进行研究。

3.1 试验场地情况

选择成都郫县红光苗圃园为试验场地，场地总体平整，栽有树苗，苗间距约1.5 m，行距为1 m。上覆地层主要为粘土及耕植土层，潮湿。

3.2 现场测试

3.2.1 检波器设置

换能器与地面的耦合取决于换能器的重量及与地面的有效接触面积，地面振动幅度，地表弹性模量等。因此，换能器应当埋直、埋深，土层应潮湿、致密。选边长为45 m正方形场地为试验场，以平行对边为弹性波激发与接收的测点布置方向，进行5×5测点的CT测试，每条测线将波形叠加5次。在实测过程中由于测点间距受地形影响，接收测点按每10 m间距布置，接收点按每5 m间距布置。

3.2.2 面波激振及接收

激振方式分为大锤激振、落锤激振、炸药激振或激振器激振。可根据探测深度的要求选择确定。激振条件与大锤、落锤的重量、材质,垫板的材质、尺寸以及炸药的种类、药量有关，可根据需要进行调整，调整的目标是使之有利子激发所需频率之面波[14]。

弹性波激振采用大锤锤击钢板的作为激振源，钢板位于测线激振点外侧，使钢板与地面紧密接触。

图10 CT单元及测线布置优化算法下的面波速度等值线图Fig.10 Velocity contour map of surface wave based on optimization algorithm of CT unit and line(a)CT单元及测线布置;(b)优化算法下的面波速度等值线图