本發(fā)明涉及一種礦井槽波雙分量地震信號頻散曲線提取方法，屬于地震信號處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著2010年德國DMT公司槽波地震儀在國內(nèi)的推廣，礦井槽波地震勘探技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)多家煤礦積極開展了相關(guān)應(yīng)用研究。頻散是槽波地震信號最明顯的特點，即槽波的傳播速度是頻率的函數(shù)，這是在礦井中特有巖性組合“頂板-煤層-底板”條件下產(chǎn)生。槽波信號頻散特征中包含有圍巖、煤層速度和結(jié)構(gòu)信息。依據(jù)不同厚度煤層槽波頻散特征，義馬煤業(yè)集團地質(zhì)研究所等科研單位利用槽波勘探技術(shù)在工作面煤層厚度探測方面取得了顯著成果。程建遠、姬廣忠等學(xué)者利用正演模擬獲得煤層槽波理論頻散曲線，并對其特征進行了詳細地分析，但對于實際槽波數(shù)據(jù)頻散曲線計算方法的討論相對較少。槽波頻散曲線計算方法是研究槽波頻散特征的基礎(chǔ)，計算方法的準(zhǔn)確性決定了頻散特征分析的可靠性。目前槽波地震信號頻散曲線計算方法主要借鑒地面工程面波勘探領(lǐng)域中頻散曲線提取方法，主要分為兩類：一是基于單道信號處理，如楊真、馮濤等在《薄煤層SH型槽波頻散特征及波形模式》中公開了包括多次濾波法和時頻分析法，兩者雖然分別從頻率域和時間域進行濾波，但處理性質(zhì)相同；二是基于多道信號處理，例如f-k變換法(二維傅立葉變換方法)、τ-p變換法和相移法等。f-k變換法要求空間和時間域的數(shù)據(jù)采樣間隔相等，如果采樣數(shù)據(jù)有壞道還會對結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，τ-p變換法對高階模態(tài)頻散曲線的計算效果較好，但對基階模態(tài)低頻段頻散曲線的計算效果較差。雖然多道信號頻散曲線提取方法能夠從多道數(shù)據(jù)中提取頻散信息，獲得穩(wěn)定的頻散曲線，但在煤礦槽波層析成像實際應(yīng)用中，需要分析每道槽波信號的頻散特征。因此，研究更精確地單道信號頻散計算方法對槽波信號更具有實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種礦井槽波雙分量地震信號頻散曲線提取方法，提高頻散曲線的精度。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提供了一種礦井槽波雙分量地震信號頻散曲線提取方法，該提取方法的步驟如下：1)從礦井采集的雙分量地震信號中獲取勒夫型槽波信號；2)對獲取的勒夫型槽波信號進行廣義S變換，以得到勒夫型槽波群速度與頻率的關(guān)系圖；3)將所得到群速度與頻率的關(guān)系圖中的振幅極大值進行連線，所得曲線即為所求的頻散曲線。該方法還包括對步驟1)獲取的勒夫型槽波信號進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換依據(jù)縱波信號在雙分量檢波器的能量分布準(zhǔn)則，通過計算地震波傳播方向及偏振角度實現(xiàn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，以獲得在垂直波傳播方向水平振動的勒夫型槽波信號。所述的槽波信號群速度-頻率廣義S變換為：x為震源到檢波器的距離，u為槽波傳播群速度，α和β為常數(shù)，用來控制S變換的窗口函數(shù)寬度，f為頻率，τ表示窗函數(shù)中心。所述的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度θ為：其中xi、yi為原始采集雙分量信號數(shù)據(jù)點。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明首先從槽波雙分量地震信號中獲取勒夫型槽波信號；然后對獲取的勒夫型槽波信號進行廣義S變換，以得到勒夫型槽波群速度與頻率的關(guān)系圖；將所得到群速度與頻率的關(guān)系圖中的振幅極大值進行連線，所得曲線即為所求的頻散曲線。本發(fā)明利用線性變化的調(diào)節(jié)參數(shù)改變S變換中高斯窗口寬度，提高了槽波信號頻散曲線的精度。此外，本發(fā)明在進行廣義S變換之前依據(jù)采集信號中縱波在雙分量檢波器的能量分布準(zhǔn)則，通過計算確定地震波傳播方向及偏振角度，進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，以獲得在垂直波傳播方向水平振動的勒夫型槽波信號，再對該信號進行頻散計算，獲取的頻散曲線頻散特征更加精確。附圖說明圖1是不同厚度煤層對應(yīng)理論頻散曲線示意圖；圖2是S變換原理圖；圖3是不同參數(shù)對應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)示意圖；圖4是不同參數(shù)對高斯函數(shù)窗口影響示意圖；圖5是地震頻散正演模型圖；圖6-a是本發(fā)明實施例中α取0.8且β取0.01時的頻散圖；圖6-b是本發(fā)明實施例中α取0.8且β取0.5時的頻散圖；圖6-c是本發(fā)明實施例中α取10且β取0.1時的頻散圖；圖7是地震雙分量檢波器記錄的原始信號圖；圖8是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后得到的雙分量信號示意圖；圖9是縱波質(zhì)點振動矢量圖；圖10-a是槽波信號原始X分量頻散圖；圖10-b是槽波信號原始Y分量頻散圖；圖10-c是槽波信號旋轉(zhuǎn)后水平垂直分量頻散圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步的說明。槽波可以看作是由頻率不同的簡諧波在煤層中傳播時相互干涉形成的一種復(fù)雜的合成振動信號，由于頻散作用，合成信號振幅以一種獨立的速度傳播，振幅極大值沿著煤層傳播的速度即為槽波傳播的群速度，信號同一相位傳播的速度為相速度，槽波頻散分析實質(zhì)上就是從采集的槽波地震數(shù)據(jù)中提取群速度或者相速度曲線。由于群速度和相速度可以相互轉(zhuǎn)換，兩種速度只要能求出一個，就能換算成另一種速度，轉(zhuǎn)換公式如下：式中c是相速度，u是群速度，k是圓波數(shù)，該公式表示了群速度與相速度間的關(guān)系。由于地震波能量與振幅的平方成正比，而地震波的能量主要集中在振幅極大值附近，因此群速度也就是波的能量傳播速度，通過時頻分析方法獲得的為時頻能量譜，從中可以獲得槽波信號的能量分布情況，進而可以得到槽波傳播的群速度。實施例1本實施例首先從槽波雙分量地震信號中獲取勒夫型槽波信號；然后對獲取的勒夫型槽波信號進行廣義S變換，以得到勒夫型槽波群速度與頻率的關(guān)系圖；將所得到群速度與頻率的關(guān)系圖中的振幅極大值進行連線，所得曲線即為所求的頻散曲線。該方法的具體實現(xiàn)過程如下。1.從槽波雙分量地震信號中獲取勒夫型槽波信號。槽波分為勒夫型槽波和瑞雷型槽波兩種，煤礦井下使用的水平雙分量檢波器接收到的槽波地震數(shù)據(jù)以勒夫型槽波為主，瑞雷型槽波不太發(fā)育，本發(fā)明針對的是勒夫型槽波頻散曲線的提取。對于簡單的頂班-煤層-底板三層理論模型，在煤層中心激發(fā)，由于煤層中地震波速度明顯低于頂板、底板傳播速度，將會在煤層中產(chǎn)生多次反射而干涉形成的槽波，其中勒夫型槽波形成條件相對容易滿足，質(zhì)點振動軌跡簡單，在垂直波傳播平面內(nèi)水平方向上振動。其中d為煤層厚度的1/2；υs1、υs2為圍巖與煤層橫波速度；μ1、μ2為圍巖與煤層的剪切模量；ω為圓頻率；CL勒夫型槽波相速度，且υs2≤cL≤υs1。n為頻散階數(shù)，當(dāng)n＝0時，頻散為基階模式，薄煤層槽波以基階模式頻散為。從勒夫型槽波傳播方程可知，煤層中槽波傳播相速度受煤層厚度和震源激發(fā)頻率影響，不同頻率分量以不同速度傳播，從而產(chǎn)生頻散，隨著傳播距離的增大，波形長度逐漸變寬。依據(jù)對煤層實測巖石物理數(shù)據(jù)，如表1所示，利用公式(1)和(2)，建立煤層厚度分別為1m、3m、5m和7m的勒夫型槽波基階模式群速度理論頻散曲線，如圖1所示。表1從圖1中可以看出，煤層厚度對頻散影響顯著，煤層越厚，勒夫型槽波群速度隨頻率變化越快，煤層越薄，群速度隨頻率變化越慢，并且群速度隨著頻率升高逐漸降低，當(dāng)頻率高到一定程度時，波速將趨于穩(wěn)定，接近煤層中橫波速度。2.對獲取的槽波信號進行廣義S變換S變換是利用多尺度的高斯窗口進行濾波，如圖2所示，在槽波信號低頻區(qū)域，采用小尺度窗口進行濾波，提高了頻率域分辨率；在信號高頻區(qū)域，增加頻率域窗口寬度以減小時間域窗口尺度，進而提高時間域分辨率，因此，S變換能夠根據(jù)信號分辨率特征，自適應(yīng)調(diào)整濾波窗口，進而提高槽波信號時頻分析的精度。在S變換中，高斯窗口函數(shù)由頻率控制，導(dǎo)致窗口寬度不能自...