基于地震干涉法的城市交通噪声地震波成像技术研究

For a long time, research for urban traffic vibrations is focused on negative aspects such as noise pollution and structural damage , but from the perspective of exploration seismology , the vibrations generated by vehicles and subway has strong energy , bandwidth, good reproducibility can be regarded as an excellent green source. First, in the project we attempt to acquisition and analysis the vibration signals generated from subway, etc.), to research the basic field wave characteristics of urban traffic noise. Secondly, the project aims to study a method by which we can valid extract seismic information (surface wave, body wave) from the city traffic noise for wave field imaging, to compass the object of passive seismic exploration by using urban traffic noise. Conventional seismic data processing method can not be directly used to process traffic vibration signal which contains several times complex vibration signals from many points address. Seismic interferometry is a new theory of propagation of the seismic wave field; it can even extract the active seismic signals from the background noise. Using seismic interferometry method valid information can be extracted from urban traffic noise for seismic wave field imaging. So this method can effectively solve the problems of artificial source construction inconvenience in urban area. Meanwhile, this new type of technology of urban traffic noise is also an important expansion and development of the seismic interference theory.

长期以来，人们对于城市交通振动的研究主要集中在噪声污染及结构性破坏等方面，而从勘探地震学的角度来看，汽车及地铁产生的振动具有能量强、频带宽、重复性好等特点，可以视为一种优秀的绿色震源。本项目首先尝试从地震勘探的角度对城市交通（汽车及地铁等）产生的振动信号进行采集和分析，进行城市交通噪声震波波场特征的基础研究。其次，本项目旨在研究一种从城市交通噪声中提取有效地震信息（面波、体波）进行波场成像的方法，达到使用交通噪声进行城市无源地震勘探的目的。常规地震数据处理无法对交通振动信号这种包含了多点多次振动的复杂信号进行直接处理。地震干涉是研究地震波场传播规律的新理论，它甚至可以从毫无规律的背景噪声中提取有效地震信号。使用地震干涉的方法从城市交通噪声中提取有效信息，进行地震波场成像，可以有效解决城市地区人工震源施工不便的问题。同时，针对这种新震源类型的干涉技术研究也是对地震干涉理论的的扩充和发展。

本项目在立项时制定的具体研究内容包括城市交通噪声的地震观测及特征分析、列车及机动车振动信号的数值模拟研究、适用于交通噪声的地震干涉方法研究、展开闹市区机动车振动信号的观测方式及其可行性研究以及海量数据的高效地震干涉计算技术等5项研究内容，针对每项研究内容都展开了相应的研究工作并取得了一定的研究成果，具体包括：基于城市地区的汽车、地铁以及高铁等交通噪声展开了5次以上实际观测实验，随后进行了交通噪声的特征分析及数值及数值模拟等工作，相应的结果已经在核心期刊论文发表。由于模拟数据比较单一而实际数据收到采集仪器、随机噪声等多方面干扰，针对实际数据展开了适用于交通噪声的地震干涉方法的研究，研究内容包括互相关、互相干及反褶积等方法。针对海量数据展开了GPU-CPU协同的地震数据互相关处理技术，取得了很好的加速效果，加速比接近30，相应的方法取得了国家发明专利的授权。针对海量数据展开的无损数据压缩与解压缩编码方法效率高易实现，可将原始数据压缩至40%，目前该方法已经取得了国家发明专利的授权。选取了一条实际测线进行本研究方法的实际验证，结果表明：基于交通噪声的地震观测数据使用地震干涉法处理后取得了很好的面波信号，随后的面波成像结果在勘探深度上显然优于使用锤击等主动震源的勘探效果，如果能广泛的应用于城市浅层地震勘探施工必将在一定程度上降低勘探成本，提高勘探效果。提出的高效压缩方法和快速互相关方法可尝试在同行业内展开推广。