本发明属于工程地球物理探测，特别涉及利用地表微弱振动信号的一种基于随机减量技术的瑞雷面波提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法及应用。
背景技术：
1、地球表面无论何时何地都存在一种天然的微弱震动，它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等都会产生震动；而人类活动产生的震动包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等，前者频率小于1hz，后者频率大于1hz。
2、所有这些震动的能量将以波的形式向远处传播，微动是一种由体波(p波和s波)和面波(rayleigh波和love波)组成的复杂震动，并且垂直方向上面波的能量占信号总能量的2/3以上。尽管微动信号的振幅和形态随时空变化而发生变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。
3、目前的微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波频散曲线，主流方法是通过对频散曲线和h/v的联合反演，从而获得地下介质的横波速度结构(具体参考以下文件arai h,tokimatsu k.2005.s-wave velocity profiling by jointinversion of microtremor dispersion curve and horizontal-to-vertical(h/v)spectrum[j].bulletin of the seismological society of america,95(5):1766-1778。d’amico v,picozzi m,baliva f,albarello d.2008.ambient noise measurements forpreliminary site-effects characterization in the urban area of florence,italy[j].bulletin of the seismological society of america,98(3):1373-1388.)。
4、微动h/v曲线本质为震动在不同岩土层结构中传播时垂直方向和水平方向的能量分配占比会发生变化，不同的土层结构观测到的h/v曲线的形态量值各不相同，即能量的占比分配能够直接反映地下岩土层的结构变化，这也是h/v曲线能够用于探测地下岩土层中异常体的依据。
5、国内外学者也将微动h/v曲线应用到工程地震领域。王伟君等(2011)利用微动h/v探测保定地区近地表结构，通过计算土石分界面深度的变化，推断保定断裂两条垂直位错明显的正断层。梁东辉等(2020)也采用微动h/v曲线进行地下河管道和溶洞探测。微动h/v曲线也被用来获取沉积层厚度，如张若晗等(2020)利用数据得到广州及佛山部分地区的共振频率和沉积层厚度分布；也适用于确定冰雪盖层厚度，在冰川、南极冰盖内部结构探测等方面已有了成功应用(lévêque et al.,2010；picotti et al.,2017；yan et al.,2018)
6、传统的微动探测技术主要基于平稳随机过程理论，通过分析微动信号中的面波频散曲线和水平到垂直(h/v)谱比，来推断地下介质的横波速度结构。这些技术在工程地质勘探、地震活动性评估和地下结构研究中发挥了重要作用。然而，现有技术在处理h/v谱比时，未能有效分离和剔除体波和love波的影响，导致对地下结构变化的识别存在一定的局限性。常规的h/v曲线分析方法是对采集到的三分量数据按照下式进行计算，并没有进行rayleigh波提纯，是所有波形计算得到的结果：
7、
8、式中：为常规h/v值，hbody，hlove，hrayleigh为体波、love波、rayleigh波的水平分量振幅谱，vbody，vrayleigh为体波、rayleigh波的垂直分量振幅谱。由上面公式可看出，水平分量和垂直分量包含所有类型波场的能量，而实际上体波，love波、rayleigh波的各自能量占比很难测量，因此微动频散曲线与h/v曲线的联合反演的准确度不高。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法及应用。
2、本发明的目的通过如下技术方案实现：一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法及应用，它包括以下步骤：
3、步骤1：采用二维小间距的方式布置三分量检波器，并采集地表微震动信号，采集记录时间不少于5min；
4、步骤2：分别计算基于随机减量技术的瑞雷面波提纯的各台三分量检波器所采集数据的微动h/v曲线和变化率；包括以下流程：
5、流程(1).对采集的原始数据进行基线漂移校正预处理；
6、流程(2).去除近场短时强干扰信号，获取相对平稳的微动信号；
7、流程(3).对三分量信号采用随机减量技术进行瑞雷波提纯，求取h/v曲线；它包括以下过程：
8、过程(1).对信号进行分窗处理；
9、过程(2).根据设定的频率范围和采样率，采用切比雪夫窄带滤波器对分窗数据进行滤波，得到窄带信号vf(t)；
10、过程(3).查找窄带信号垂直分量数值符号变化点，以这些符号变化点为窄带信号三分量新时窗的起点，这些符号变化点τi需要满足以下条件：
11、vf(τi)≤0,且vf(τi+dt)＞0
12、式中，vf为切比雪夫滤波器后的窄带垂直分量信号，dt为时间采样率，
13、这样，就形成了一系列新的时窗长度为δ的三分量数据，公式如下：
14、vf,i(t)＝vf(τi+t)
15、
16、式中，0≤t≤δ，f为切比雪夫滤波器的中心频率，vf,i,ef,i,nf,i分别为切比雪夫滤波后的垂直分量，e-w分量，n-s分量信号，i为新时窗序号，t为时间序列，为在水平两分量的时移，瑞雷波的垂直分量和水平分量有90°相移，故相当于90°相移；
17、过程(4).对此时窗δ内的两个水平分量数据进行投影得到合成的水平分量，公式如下，
18、hf,i(t)＝sin(θi)·ef,i(t)+cos(θi)·nf,i(t)
19、式中θi∈[0,2π]，且使垂直分量vf,i(t)和水平分量hf,i(t)的相关最大，计算公式如下：
20、
21、归一化后的垂直分量和水平分量的相关系数c2f,i公式如下：
22、
23、过程(5).在时窗δ内对水平分量hf,i(t)和垂直分量vf,i(t)使用相关系数c2f,i进行加权，所有时窗δ进行求和，得到新的水平分量hf,w(t)和垂直分量vf,w(t)，公式如下：
24、
25、过程(6).利用下列公式得到当前频率的h/v值；
26、
27、过程(7).对过程(2)设定的所有频率进行过程(2)至过程(6)的处理，得到h/v曲线；
28、过程(8).对所有分窗数据的h/v曲线进行几何平均，得到最终的h/v曲线；
29、流程(4).对h/v曲线进行差分计算，得到h/v变化率曲线；
30、其中，流程(1)对原始数据进行基线漂移校正过程如下：过程1.将原始数据按每2000个采样点分为一段；过程2.分别对每段数据进行多项式拟合，得到拟合结果；过程3.将每一段的原始数据减去该段的拟合结果，得到基线漂移校正后的结果数据；
31、步骤3：用matlab程序将各测点的h/v曲线和变化率曲线绘制二维h/v曲线和变化率曲线等值线图或者三维切片图；
32、步骤4：根据二维h/v曲线和变化率曲线等值线图或者三维切片图的异常特征推断解释异常目标体。
33、所述基于微动h/v变化率的计算方法，本发明的应用在城市地质调查、工程勘察和地下空间开发等领域提供了快速、准确且环境友好的解决方案。
34、较之现有技术而言，本发明的优点在于：
35、1、本发明采用了人类活动产生的震动作为震源，人类活动密集的城市环境不仅不会形成干扰，相反为浅层微动勘探提供了丰富的高频信号源；微动勘探不需要人工激发的震源，不会对周边环境产生影响，对地表条件要求低，不会妨碍交通，只需在测试时进行灵活的临时交通布控，完成测试后，可立即撤走布控设施；
36、2、引入并优化随机减量技术提纯rayleigh面波，计算的h/v曲线更接近rayleigh面波基阶模态的椭圆率，物理意义明确，适用于联合反演；同时对提纯的h/v曲线计算变化率，可以了解地层波阻抗从大到小或从小到大顺序变化的规律，能够放大土层中细微的信号异常，更有效的反映出土层中障碍物或不良地质的位置和细节变化；
37、3、采用二维小间距的方式布置检波器，可以绘制三维的yz向、xz向和yz向的等频率切片图，能够直观呈现出障碍物的三维分布范围。
1.一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法，其特征在于：步骤1中二维小间距的方式是指根据探测目标体的尺寸采用50公分到5米的三分量检波器间距，确保三分量检波器覆盖到地下目标体，并按方便记录各三分量检波器安放位置的二维平面布置三分量检波器，采集时间在5-15min。
3.根据权利要求1所述的一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法，其特征在于：流程(1)对原始数据进行基线漂移校正过程如下：过程1.将原始数据按每2000个采样点分为一段；过程2.分别对每段数据进行多项式拟合，得到拟合结果；过程3.将每一段的原始数据减去该段的拟合结果，得到基线漂移校正后的结果数据。
4.根据权利要求1所述的一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法，其特征在于：流程(4)中用matlab程序将各测点的h/v曲线转换为变化率曲线；绘制形成二维h/v变化率曲线等值线图或者三维切片图时，选择对h/v曲线量值进行取差分计算，h/v变化率图件突出异常范围，使异常的轮廓边界更清楚，有助于准确分析障碍物的位置。
5.根据权利要求1所述的一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法，其特征在于：所述三分量检波器采用三分量高精度一体化数字地震仪。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述一种提纯的微动h/v曲线和变化率的计算方法的应用，其特征在于：应用在城市地质调查、工程勘察和地下空间开发，用于分析城市工程建设中浅地表或覆盖层深度范围内地层波阻抗比变化大的地层或对工程建设有影响的地下障碍物或不良地质体。
