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专利名称：地面分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用表面波、尤其是雷利(Rayleigh)波特性的地面分析系统。
除了P波和S波外，表面波业已为大家熟知。大家还知道表面波伴随着一种扩散现象，并且具有这样一个特性，即传播速度视波长而定。
现将表面波的性质简述如下。当振动源法向地将振动施加给地面时，地面除出现P波和S波外，还出现表面波。P波和S波自振动源呈半球状传播。另一方面，表面波中的雷利波沿具有预定高度(由频率确定)的圆柱体的直径方向传播。换句话说，振动源产生的P波和S波均具有方向性。P波在振动源下方传播波能最大。S波45度传播波能最大。换句话说，P波和S波基本上不能水平方向传播。因此，只有表面波能将大幅度的振动施加给地面。
在下方传播的P波和S波的几何衰减系数均标为r1(r表示距离)，而在地面附近传播的P波和S波的几何衰减系数标为r2。
地表面的表面波的几何衰减系数，则标为r0.5。除了雷利波外，表面波还包括乐甫(Love)波、与P波相似的P-P模式波和板波。在本发明中，使用雷利波。


图1给出了雷利波、P波和S波波速之间的关系。这三种波速比视地面土壤的泊松比(Poisson’s ratio)而有所变化。S波的速度约等于雷利波的速度。图1中的纵坐标轴表示方程V/Vs＝V(ρ/G)1/2中的值。参考符号Vs表示S波的速度，参考符号ρ表示土壤的密度，参考符号G表示刚性模量，参考符号V表示P波或雷利波的速度。
由于雷利波的速度接近于S波的速度，并且典型地表示土工技术值，因此可利用S波的速度与N值(标准触探试验值standard penetrationtest value)之间的相关方程或S波的速度与qa值(容许承载能力allowable bearing capacity)之间的相关方程，分别估算S波和雷利波的土工技术值。
根据本发明的地面分析系统通过探测法向地振动地表面产生的表面波进行地面分析。根据本发明，地面分析系统包括放置在地面的、相互间隔距离为L的第一加速度探测器和第二加速度探测器；含有接收第一和第二加速度探测器的探测信号的、产生第一和第二加速度时间序列信号的地震仪的测量仪表；以及接收第一和第二加速度时间序列信号的、根据预定的分析程序处理信号的信号处理器。信号处理器进行傅里叶(Fourier)变换，计算功率谱和交叉谱，并且利用计算得到的功率谱和交叉谱，计算传递函数H(f)。信号处理器还利用计算得到的传递函数，计算第一和第二加速度时间序列信号之间的相差Δθ(f)和时差Δt(f)。根据计算得的时差Δt(f)和距离L，信号处理器还可计算表面波的平均传播速度Vr(f)和深度D(f)。
根据本发明，采用快速傅里叶变换和离散傅里叶变换进行信号处理。下文将对快速傅里叶变换和离散傅里叶变换进行描述。
振荡器12-4产生一个施加给振动激励器15的激励信号。该激励信号经功率放大器14放大，放大后的信号施加给振动激励器15。振荡器12-4可产生正弦波信号、多正弦波信号和可变正弦波信号，作为激励信号。振荡器12-4能产生各种不同频率的正弦波信号。如图3A所示，将不同频率f1至fn的正弦波信号合成后可获得振幅不同的多正弦波信号。例如，多正弦波信号具有图3B所示的合成波。另一方面，不同频率f1至fn的正弦波信号合成后可获得恒幅可变正弦波信号。例如，可变正弦波信号具有图3C中的合成波。该可变正弦信号具有一个频率调制波。为方便起见，图3B和图3C显示合成波形，而在图3A中未示出正弦波信号的实际合成波形。
为下述描述得更清楚，根据本发明的最佳实施例，当将正弦波信号用作激励信号时，则通过上述离散傅里叶变换进行信号处理。在下文中，将这种信号处理称为阶跃正弦测量。而当将多正弦波信号或可变正弦波信号作为激励信号时，则通过上述快速傅里叶变换进行信号处理。在下文中，将这种信号处理称为多正弦测量。在采用快速傅里叶变换的情况下，频率是由2n确定的一个固定值。并且阶跃宽度也是固定的。此外，需要将设置的频率从低改变到高。而在采用离散傅里叶变换的情况下，频率可任意设置。设置的频率可以从低改变到高，也可从高改变到低。
以下描述系统的工作。首先，将振动激励器15、第一加速度探测器11A和第二加速度探测器11B以直线形式放置在拟分析的地区。假设设置的第一加速度探测器11A与第二加速度探测器11B之间的距离为L(米)。利用振动激励器15法向地振动地表面，这样环绕振动激励器15产生表面波。第一加速度探测器11A和第二加速度探测器11B探测地表面附近传播的表面波(雷利波)的法向振动。容许从第一加速度探测器11A和第二加速度探测器11B探测到的第一和第二加速度信号通过地震仪12-1的低通滤波器电路，产生第一和第二加速度时间序列模拟信号A(t)和B(t)。将获取的这两种信号提供给模数转换器12-2。该模数转换器12-2将这两种模拟信号转换成第一和第二加速度时间序列数字信号Ad(t)和Bd(t)。经通信设备12-3将这两种数字信号传送到微机13。
根据预定的分析程序，微机13计算出第一和第二加速度时间序列信号Ad(t)和Bd(t)的功率谱GAA(f)和GBB(f)、交叉谱GBA、传递函数H(f)、和相干函数γ2(f)。将计算出的第一和第二加速度时间序列信号Ad(t)和Bd(t)的功率谱GAA(f)和GBB(f)、交叉谱GBA(f)、传递函数H(f)和相干函数γ2(f)储存在微机13的硬盘中。微机13还能利用传递函数H(f)获得第一加速度时间序列信号Ad(f)与第二加速度时间序列信号Bd(f)之间的相差Δθ(f).。而后，微机可获取上述两个信号之间的时差Δt(f)。根据时差Δt(f)和第一加速度探测器11A与第二加速度探测器11B之间的距离L，微机还能够获取表面波的平均传播速度Vr(f)和深度D(f)。根据获取的平均传播速度Vr(f)和深度D(f)，微机13在监视器13-1上显示D-V频散曲线。
还可参照图4，对利用微机13的分析程序计算表面波和深度D(f)的平均传播速度Vr(f)的方法作更为详细的说明。
在S1步，微机13进行由下述方程(1)和(2)表达的傅里叶变换，得出经模数变换的第一和第二加速度时间序列信号Ad(f)和Bd(f)，从而获得经变换的信号SA(f)和SB(f)。在S2步，利用下述方程(3)、(4)和(5)，根据经变换的信号SA(f)和SB(f)，计算功率谱GAA(f)、GBB(f)和交叉谱GBA(f)。SA(f)=∫-∞∞A(t)·e-j2πftdt----(1)]]>SB(f)=∫-∞∞B(t)·e-j2πftdt----(2)]]>GAA(f)＝SA(f)·SA*(f)(3)GBB(f)＝SB(f)·SB*(f)(4)GBA(f)＝SB(f)·SA*(f)(5)然后，在S3和S4步，根据上述功率谱，利用方程(6)计算传递函数H(f)，利用方程(7)计算相干函数γ2(f)。将传递函数和相干函数的计算值储存在微机13的硬盘中。H(f)=SB(f)SA(f)=SB(f)·SA*(f)SA(f)·SA*(f)=GBA(f)GAA(f)----(6)]]>γ2(f)=|GBA(f)‾|2GAA(f)‾·GBB(f)‾----(7)]]>计算相干函数γ2(f)是为了观察扰动噪声产生的影响。换言之，相干函数γ2(f)值的范围在0-1。当扰动噪声级提高，相干函数的值越接近0。设置相干函数γ2(f)的阈值。当相干函数γ2(f)的计算值小于阈值，则不使用传递函数的计算值。
接着在S5步，通过方程(8)，利用传递函数H(f)的实数部分Re(H(f))和虚数部分Im(H(f))，计算出第一加速度时间序列信号与第二加速度时间序列信号之间的相差Δθ(f)。然后，通过方程(9)，将获得的相差Δθ(f).变换成这两个信号之间的时差Δt(f)。Δθ(f)=arctan[lm(H(f))Re(H(f))]----(8)]]>Δt(f)=Δθ(f)2πf----(9)]]>在S6步，通过方程(10)和(11)，利用时差Δt(f)和距离L计算平均传播速度Vr(米/秒)和深度D(米)。Vr=LΔt(f)=2πfL-Δθ(f)----(10)]]>D=λ2=Vr2f=πL-Δθ(f)----(11)]]>在上述方程中，参考符号*表示共轭复数。
反复进行上述计算步骤，直至获得满意的D-Vr曲线(S7步)。换言之，每次进行测量时施加给振动激励器15的激励信号的频率是各不相同的。即，需要多次测量传递函数H(f)的相差。该相差是表面波传播速度的倒数。然后，根据相差和频率之间的关系，计算平均速度Vr和深度D。当反复测量获得结果时，在监视器13-1上显示D-V频散曲线。
特别是在阶跃正弦测量情况下，Pn是根据平均传播速度Vr(fn)和深度D(fn)测定的。平均传播速度Vr(fn)和深度D(fn)是将频率为fn的激励信号(参见图3A)施加给振动激励器15后获得的。值Pn绘制在D-V曲线面上。然后根据平均传播速度Vr(fn-1)和深度D(fn-1)测定值Pn-1，平均传播速度Vr(fn-1)和深度D(fn-1)是将频率为fn-1的激励信号(参见图3A)施加给振动激励器15获得的。将值Pn-1绘制在D-Vr曲线面上。反复进行这样的处理。最后根据平均传播速度Vr(f1)和深度D(f1)，测定值P1，平均传播速度Vr(f1)和深度D(f1)是将频率为f1的激励信号(参见图3A)施加给振动激励器15获得的。将值P1绘制在D-Vr曲线面上。由此获得如图5所示的D-Vr频散曲线。
另一方面，在多正弦测量情况下，当将如图3B所示的多正弦波或如图3C所示的可变正弦波施加给振动激励器15后，获得由合成波引起振动造成的第一加速度时间序列信号Ad(t)和第二加速度时间序列信号Bd(t)。这两个加速度时间序列信号包含的频率分量如图3A所示。通过快速傅里叶变换，分离和提取频率分量。对提取的频率分量进行上述那样的处理，从而同时获得如图5所示的值Pn-P1。
通过上述描述可清楚地知道，在多正弦测量情况下，较短的测量处理时间便可获得D-Vr频散曲线。但是，由于使用合成波，振动能衰减，这样多正弦测量易受噪声的影响。当将如图3C所示的可变正弦波施加给振动激励器15时，地面出现的一块石头或其他物质也可能造成共振。进行测量时最好转换使用可变正弦波信号和多正弦波信号。
可采用下述方法解决振动能量的衰减问题。这就是，将包含有f1-fn的频段分成三个频段，即如图6A所示的B1频段(f1-f1)、B2频段(f1-fk)和B3频段(fk-fn)。在每一个频段采用合成波进行多正弦测量。在此情况下，如图6B所示，通过测量B1频段、B2频段和B3频段，在D-Vr曲线面上可分别获得C1曲线、C2和C3曲线。曲线C1至C3自动合成，然后显示。进行上述测量的理由是当拟合成的频率信号的数量减少，振动能量增大。至于频段的数量，可使用二个频段。
图7和图8分别表示在阶跃正弦测量和多正弦测量情况下监视器13-1的显示实例。在每一个实例中，除D-Vr曲线外，以多屏方式显示了相干函数γ2(f)、传递函数H(f)的增益特性、传递函数H(f)的相位特性和线性谱。在图7和图8中，绘制的相干函数γ2(f)的值大约等于1。因此，很难发现相干函数γ2(f)。线性谱表示功率谱的均方根。可以认为，在显示屏上线性谱比功率谱更容易看到。
以下对阶跃正弦测量和多正弦测量作比较。
在阶跃正弦测量中，如上所述，正弦波用作振动激励器15的激励信号。在根据分析程序进行分析时，采用离散傅里叶变换。阶跃正弦测量的特性如下A.在采用离散傅里叶变换时，可使用任意正弦波频率进行测量。换言之，对频率和分辨率无限制，可设置任意的振荡频率。由于对频率的设置无限制时，可设置任意的振荡频率，并获取数据。因此，用户在观察监视器13-1显示的D-Vr曲线时，可视稀疏绘制测得值的曲线区情况，增添和设置频率。因此，易于进行更多的测量。
B.可由浅向深进行分析。这就是说，用户在观察D-Vr曲线的同时，可由浅向深进行分析，从而完成在目标分析深度进行的测量。理由是可以由低到高扫频和由高到低扫频测量(阶跃正弦测量)。因此，当从低到高扫频测量时，也同时进行了从浅到深的测量。
C.可以利用相同的频率测量先前测量过的深度。换言之，可简化设置相同岩层结构某点的频率。其理由是，先前测得的频率的设置程序可作为文档列表储存在微机13的硬盘中。根据储存的频率列表，可按照先前测量时使用的相同的频率设置程序实施测量。
D.可做自动输入范围测量。换句话说，可节省改变输入范围的时间。其理由是，在本发明的最佳实施例中，模数转换器12-2具有自动调节输入灵敏度的功能。模数转换器12-2根据预定的上限和下限监视输入电平，并且自动完成跟随操作。即当输入电平表示较低限制或无限制时，输入灵敏度提高，而当输入电平超过上限时，输入灵敏度降低。因此可在最佳电平进行测量。这样的测量不适合外部噪声级起伏大的地点。测量时间会延长。在此情况下，将测量范围拨到手动范围。
E.测得的值经自动变换后，显示D-Vr频散曲线。换言之，无需每次将传递函数-相差曲线变换成D-Vr频散曲线。因此，节约了劳动力。此外，如图7所示，可实时观察到作为最后结果的D-Vr频散曲线。其理由是，在本实施例中，由于每次变换数据更新后，自动显示D-Vr频散曲线。
F.可采用加速度(Gal)表示测量点的振动量级。如图7屏幕右下方区所示，可直接读出实际振动量级的数值。图7显示了功率谱Gaa3.426和功率谱Gbb3.064。功率谱Gaa是由靠近振动激励器15放置的第一加速度探测器11A测得的，如图2所示。功率谱Gbb是由远离振动激励器15放置的第二加速度探测器11B测得的。
G.可在短时间内完成测量。换句话说，由于对频段和分辨率不作限制，就可有效地采集数据。因此，可缩短测量时间。理由如下由于本发明的实施例采用离散傅里叶变换，可设置任意频率进行信号处理。因而不必多次采集相同的近似数据，这就缩短了测量时间。
H.只采用阶跃正弦测量就可对大多数测量点进行测量。
另一方面，在上所述的多正弦测量中，利用多正弦波或可变正弦波作为振动激励器15的激励信号，并根据分析程序采用快速傅里叶变换进行分析。多正弦测量的特性如下a.如图6A和6B所示，可自动合成三个频段的测量值，因此，在测量后可不必进行合成D-Vr频散曲线的操作。这是因为根据本发明实施例的系统具有自动合成三个频段的测量数据，然后显示合成数据的功能。每个频段的频率分辨率为800点。因此，可测得较好的D-Vr频散曲线，并且可以较高的精度实施测量。
b.限制频率范围，并且多正弦波可作为周期随机信号产生。因此，限制频段范围就可提高振动激励器的能力。理由如下由于在本发明的实例中可限制频率范围，增大了每一个频谱值，这样就可产生周期性随机信号。
c.可容易地在多正弦波与可变正弦波之间实现转换。
d.可自动变换测得的值，以阶跃正弦测量同样的方法显示D-Vr频散曲线。
e.以阶跃正弦测量同样的方法，采用加速度(Gal)显示某个测量点的振动量级。
权利要求
1.一种地面分析系统，可通过探测法向振动地面产生的表面波，进行地面分析。该系统包括放置在地面、间距为L的第一加速度探测器和第二加速度探测器；一个测量仪表，包括接收第一加速度探测器和第二加速度探测器的探测信号并产生第一和第二加速度时间序列信号的地震仪；一个信号处理器，接收第一和第二加速度时间序列信号，根据预定的分析程序进行信号处理；其特征在于该信号处理器进行傅里叶变换，计算功率谱和交叉谱，利用计算得到的功率谱和交叉谱计算传递函数H(f)，利用计算得到的传递函数H(f)计算第一和第二加速度时间序列信号之间的相差Δθ(f)和时差Δt(f)，而后根据计算得到的时差Δt(f)和间隔距离L计算表面波的平均传播速度Vr(f)和深度D(f)。
2.根据权利要求1所述的地面分析系统，其特征在于测量仪表还包括一个产生激励信号的振荡器，该振荡器产生的激励信号施加给振动地面的振动激励器；以及激励信号经功率放大器放大后施加给振动激励器。
3.根据权利要求2所述的地面分析系统，其特征在于振荡器可产生阶跃正弦波、多正弦波或可变正弦波，在多正弦波与可变正弦波之间转换作为激励信号，以及阶跃正弦波由各种不同频率的正弦波限定，多正弦波由各种不同频率的正弦波合成获得的合成波限定，并且可变正弦波是由各种不同频率的正弦波合成获得的合成波限定，因而具有恒定的波幅。
4.根据权利要求3所述的地面分析系统，其特征在于信号处理器反复处理平均传播速度Vr(f)和深度D(f)的计算值，产生深度D-平均速度Vr曲线。
5.根据权利要求4所述的地面分析系统，其特征在于测量仪表还包括一个模数转换器，将地震仪测得的第一和第二加速度时间序列模拟信号转换成第一和第二加速度时间数字信号，然后产生经转换的信号，以及该模数转换器具有根据输入电平自动调节输入灵敏度的功能。
6.根据权利要求3所述的地面分析系统，其特征在于当将阶跃正弦波作为激励信号时，信号处理器根据离散傅里叶变换进行处理，而当将多正弦波或可变正弦波用作激励信号时，信号处理器根据快速傅里叶变换进行处理。
全文摘要
地面上放置两个加速度探测器(11A和11B),两者的间距为L。一个振动激励器(15)法向振动地面,产生表面波。一个测量仪表,它包括一个地震仪(12－1)和一个模数转换器(12－2)。地震仪接收上述两个加速度探测器的探测信号,产生加速度时间序列模拟信号。模数转换器将加速度时间序列模拟信号转换成加速度时间序列数字信号。与测量仪表连接的一台微机,接收时间序列信号,然后根据预定的分析程序处理信号,从而计算平均速度V
文档编号G01V1/28GK1387051SQ02120118
公开日2002年12月25日 申请日期2002年5月17日 优先权日2001年5月22日
发明者荘林茂德 申请人:Vic株式会社