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我国采用“基于密集台阵的噪声成像法”对矿区浅部地壳结构进行研究
来源:中国科学院北京分院        2020-09-04 09:21:01        阅读:30
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       地壳是由岩石组成的固体外壳,地球固体圈层的最外层,岩石圈的重要组成部分,通过地震波的研究判断,地壳与地幔的界面为莫霍洛维奇不连续面(莫霍面)。地壳是地球固体地表构造的最外圈层,整个地壳平均厚度约17千米,其中大陆地壳厚度较大,平均约为39- 41千米。高山、高原地区地壳更厚,最高可达70千米;平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄,厚度只有几千米。

       近期,中国科学院地质与地球物理研究所在喀拉通克矿区开展了为期两个月的100台单分量短周期密集地震观测,并采用背景噪声成像方法对2018年6~8月的连续波形数据进行分析,成功获取了矿区下方浅部地壳(0~1.3 km)三维剪切波速度结构。基于密集台阵的噪声成像方法具有探测范围广、探测精度高的特点,是一种经济环保的方法,有望揭示矿区地下的精细结构和矿体分布。

       声成像技术已得到广泛应用,主要用于地质勘探、海洋探测、工业材料非破坏探伤和医学诊断等方面。声成像质量的主要指标有图像的横向分辨率、纵向分辨率、信噪比、畸变和假象等。声成像的质量不仅与所用的仪器设备有关,而且在很大程度上还与声波在介质中传播的特性(如反射、折射和波型转换)有关。

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       由计算机 X射线断层成像引伸而来。利用此法可获得声速、声衰减系数和声散射系数等声学参量的定量分布图像。正在研究的计算机超声断层成像法有透射型和反射型两种。根据射线理论或衍射理论,可用计算机实现图像的重现。透射型超声断层成像重现方法是用声源以扇扫描或线扫描的方式照射物体,并接收与记录透射声的幅度分布和相位分布。这两个分布分别与声束的传播路径上各点的声衰减系数和声速有关。从不同方位记录足够的数据,然后,用计算机重现声衰减系数和声速的分布,并转换为可见的定量图像,通常称之为重现像。像重现的方法有三种,即代数重现法、反向投影法和傅里叶变换法。这几种方法在计算误差和计算速度方面各有优缺点。

       声学成像原理

       基于麦克风阵列的声源定位算法划分为三类:

1、波束形成

       基于最大输出功率的可控波束形成技术 Beamforming,它的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束,通过搜索声源的可能位置来引导该波束,修改权值使得传声器阵列的输出信号功率最大。这种方法既能在时域中使用,也能在频域中使用。它在时域中的时间平移等价于在频域中的相位延迟。在频域处理中,首先使用一个包含自谱和互谱的矩阵,我们称之为互谱矩阵(Cross-Spectral Matrix,CSM)。在每个感兴趣频率之处,阵列信号的处理给出了在每个给定的空间扫描网格点上或每个信号到达方向(Direction ofArrival,DOA)的能量水平。因此,阵列表示了一种与声源分布相关联的响应求和后的数量。这种方法适用于大型麦克风阵列,对测试环境适应性强。 [3]

2、基于高分辨率谱估计

       基于高分辨率谱估计的方法包括了自回归 AR 模型、最小方差谱估计(MV)和特征值分解方法(如 Music 算法)等,所有这些方法都通过获取了传声器阵列的信号来计算空间谱的相关矩阵。在理论上可以对声源的方向进行有效估计,实际中若要获得较理想的精度,就要付出很大的计算量代价,而且需要较多的假设条件,当阵列较大时这种谱估计方法的运算量很大,对环境噪声敏感,还很容易导致定位不准确,因而在现代的大型声源定位系统中很少采用。

3、声达时间差

       声达时间差(TDOA)的定位技术,这类声源定位方法一般分为二个步骤进行,先进行声达时间差估计,并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟(TDOA);再利用获取的声达时间差,结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的位置。

       声学照相机

       又名声相(像)仪,是利用传声器阵列测量一定范围内的声场分布的专用设备,可用于测量物体发出的声音的位置和声音辐射的状态,并用云图方式显示出直观的图像,即声成像测量。将声像图与阵列上配装的摄像实所拍的视频图像以透明的方式叠合在一起,就形成了可直观分析被测物产生噪声状态。这种利用声学、电子学和信息处理等技术,将声音变换成人眼可见的图像的技术可以帮助人们直观地认识声场、声波、声源,便捷地了解机器设备产生噪声的部位和原因,物体(机器设备)的声像反映了其所处的状态。

       声成像的研究开始于20世纪20年代末期。最 早使用的方法是液面形变法。随后,很多种声成像方法相继出现,至70年代已形成一些较为成熟的方法,并有了大量的商品化产品。声成像方法可分为主动声成像、扫描声成像和声全息。

       目前国内比较先进的声相仪,是由中国科学院声学研究所噪声振动实验室自行研制的声相仪系统,具有世界先进水平。

       由于很多声检测器均能记录声波的幅度和相位,并将其转换成相应的电信号,记录换能器阵列各单元接收信号的幅度和相位,即可重现物体声像。

       声成像质量的主要指标有图像的分辨率、信噪比、畸变和虚像等。声成像的质量不仅与所用的仪器设备有关,而且在很大程度上还与声波在介质中传播的特性(如反射、折射和波型转换)有关。

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