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我國(guó)采用“基于密集臺(tái)陣的噪聲成像法”對(duì)礦區(qū)淺部地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究溫馨提示:山東省質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)新舊資質(zhì)過(guò)渡 [詳細(xì)]
地殼是由巖石組成的固體外殼,地球固體圈層的最外層,巖石圈的重要組成部分,通過(guò)地震波的研究判斷,地殼與地幔的界面為莫霍洛維奇不連續(xù)面(莫霍面)。地殼是地球固體地表構(gòu)造的最外圈層,整個(gè)地殼平均厚度約17千米,其中大陸地殼厚度較大,平均約為39- 41千米。高山、高原地區(qū)地殼更厚,最高可達(dá)70千米;平原、盆地地殼相對(duì)較薄。大洋地殼則遠(yuǎn)比大陸地殼薄,厚度只有幾千米。
近期,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在喀拉通克礦區(qū)開展了為期兩個(gè)月的100臺(tái)單分量短周期密集地震觀測(cè),并采用背景噪聲成像方法對(duì)2018年6~8月的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,成功獲取了礦區(qū)下方淺部地殼(0~1.3 km)三維剪切波速度結(jié)構(gòu)。基于密集臺(tái)陣的噪聲成像方法具有探測(cè)范圍廣、探測(cè)精度高的特點(diǎn),是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方法,有望揭示礦區(qū)地下的精細(xì)結(jié)構(gòu)和礦體分布。
聲成像技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,主要用于地質(zhì)勘探、海洋探測(cè)、工業(yè)材料非破壞探傷和醫(yī)學(xué)診斷等方面。聲成像質(zhì)量的主要指標(biāo)有圖像的橫向分辨率、縱向分辨率、信噪比、畸變和假象等。聲成像的質(zhì)量不僅與所用的儀器設(shè)備有關(guān),而且在很大程度上還與聲波在介質(zhì)中傳播的特性(如反射、折射和波型轉(zhuǎn)換)有關(guān)。
由計(jì)算機(jī) X射線斷層成像引伸而來(lái)。利用此法可獲得聲速、聲衰減系數(shù)和聲散射系數(shù)等聲學(xué)參量的定量分布圖像。正在研究的計(jì)算機(jī)超聲斷層成像法有透射型和反射型兩種。根據(jù)射線理論或衍射理論,可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的重現(xiàn)。透射型超聲斷層成像重現(xiàn)方法是用聲源以扇掃描或線掃描的方式照射物體,并接收與記錄透射聲的幅度分布和相位分布。這兩個(gè)分布分別與聲束的傳播路徑上各點(diǎn)的聲衰減系數(shù)和聲速有關(guān)。從不同方位記錄足夠的數(shù)據(jù),然后,用計(jì)算機(jī)重現(xiàn)聲衰減系數(shù)和聲速的分布,并轉(zhuǎn)換為可見的定量圖像,通常稱之為重現(xiàn)像。像重現(xiàn)的方法有三種,即代數(shù)重現(xiàn)法、反向投影法和傅里葉變換法。這幾種方法在計(jì)算誤差和計(jì)算速度方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。
聲學(xué)成像原理
基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法劃分為三類:
1、波束形成
基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù) Beamforming,它的基本思想就是將各陣元采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和形成波束,通過(guò)搜索聲源的可能位置來(lái)引導(dǎo)該波束,修改權(quán)值使得傳聲器陣列的輸出信號(hào)功率最大。這種方法既能在時(shí)域中使用,也能在頻域中使用。它在時(shí)域中的時(shí)間平移等價(jià)于在頻域中的相位延遲。在頻域處理中,首先使用一個(gè)包含自譜和互譜的矩陣,我們稱之為互譜矩陣(Cross-Spectral Matrix,CSM)。在每個(gè)感興趣頻率之處,陣列信號(hào)的處理給出了在每個(gè)給定的空間掃描網(wǎng)格點(diǎn)上或每個(gè)信號(hào)到達(dá)方向(Direction ofArrival,DOA)的能量水平。因此,陣列表示了一種與聲源分布相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)求和后的數(shù)量。這種方法適用于大型麥克風(fēng)陣列,對(duì)測(cè)試環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 [3]
2、基于高分辨率譜估計(jì)
基于高分辨率譜估計(jì)的方法包括了自回歸 AR 模型、最小方差譜估計(jì)(MV)和特征值分解方法(如 Music 算法)等,所有這些方法都通過(guò)獲取了傳聲器陣列的信號(hào)來(lái)計(jì)算空間譜的相關(guān)矩陣。在理論上可以對(duì)聲源的方向進(jìn)行有效估計(jì),實(shí)際中若要獲得較理想的精度,就要付出很大的計(jì)算量代價(jià),而且需要較多的假設(shè)條件,當(dāng)陣列較大時(shí)這種譜估計(jì)方法的運(yùn)算量很大,對(duì)環(huán)境噪聲敏感,還很容易導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確,因而在現(xiàn)代的大型聲源定位系統(tǒng)中很少采用。
3、聲達(dá)時(shí)間差
聲達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位技術(shù),這類聲源定位方法一般分為二個(gè)步驟進(jìn)行,先進(jìn)行聲達(dá)時(shí)間差估計(jì),并從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲(TDOA);再利用獲取的聲達(dá)時(shí)間差,結(jié)合已知的傳聲器陣列的空間位置進(jìn)一步定出聲源的位置。
聲學(xué)照相機(jī)
又名聲相(像)儀,是利用傳聲器陣列測(cè)量一定范圍內(nèi)的聲場(chǎng)分布的專用設(shè)備,可用于測(cè)量物體發(fā)出的聲音的位置和聲音輻射的狀態(tài),并用云圖方式顯示出直觀的圖像,即聲成像測(cè)量。將聲像圖與陣列上配裝的攝像實(shí)所拍的視頻圖像以透明的方式疊合在一起,就形成了可直觀分析被測(cè)物產(chǎn)生噪聲狀態(tài)。這種利用聲學(xué)、電子學(xué)和信息處理等技術(shù),將聲音變換成人眼可見的圖像的技術(shù)可以幫助人們直觀地認(rèn)識(shí)聲場(chǎng)、聲波、聲源,便捷地了解機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生噪聲的部位和原因,物體(機(jī)器設(shè)備)的聲像反映了其所處的狀態(tài)。
聲成像的研究開始于20世紀(jì)20年代末期。最 早使用的方法是液面形變法。隨后,很多種聲成像方法相繼出現(xiàn),至70年代已形成一些較為成熟的方法,并有了大量的商品化產(chǎn)品。聲成像方法可分為主動(dòng)聲成像、掃描聲成像和聲全息。
目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的聲相儀,是由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室自行研制的聲相儀系統(tǒng),具有世界先進(jìn)水平。
由于很多聲檢測(cè)器均能記錄聲波的幅度和相位,并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),記錄換能器陣列各單元接收信號(hào)的幅度和相位,即可重現(xiàn)物體聲像。
聲成像質(zhì)量的主要指標(biāo)有圖像的分辨率、信噪比、畸變和虛像等。聲成像的質(zhì)量不僅與所用的儀器設(shè)備有關(guān),而且在很大程度上還與聲波在介質(zhì)中傳播的特性(如反射、折射和波型轉(zhuǎn)換)有關(guān)。