劉明輝 周銀興 李 江 朱小毅 王洪體 崔仁勝 陳 陽(yáng) 林 湛

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市復(fù)興路63號(hào)，100036

地震預(yù)測(cè)是世界性的科學(xué)難題，地球內(nèi)部的不可見性制約著人們對(duì)地震發(fā)生的構(gòu)造環(huán)境、震源及孕震過程中震源區(qū)和鄰近區(qū)應(yīng)力狀態(tài)與介質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)[1]。目前，我國(guó)地震前兆觀測(cè)手段主要是在地表或淺井進(jìn)行被動(dòng)觀測(cè)，如地磁、地電、地應(yīng)力、地形變等，對(duì)于地震的預(yù)測(cè)仍處于經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)階段。為探索地震預(yù)測(cè)的新途徑，我國(guó)發(fā)射了張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，以推進(jìn)立體地震觀測(cè)體系的建立。要實(shí)現(xiàn)地震的物理預(yù)報(bào)，就必須以定量的動(dòng)力建模為基礎(chǔ)，以獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域結(jié)構(gòu)、物性和狀態(tài)的透明模型為前提，以實(shí)時(shí)獲取區(qū)域地震和前兆關(guān)鍵物理量的四維數(shù)據(jù)為條件，通過高性能的計(jì)算平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及對(duì)地震孕育、發(fā)生過程進(jìn)行模擬計(jì)算[2]。對(duì)地下結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，取得地下介質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化信息，研究其與地震孕育、發(fā)生的關(guān)系，是地震預(yù)測(cè)研究的新思路[3]。采用人工可控震源對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行主動(dòng)觀測(cè)是一項(xiàng)尖端的地球探測(cè)技術(shù)，包括信號(hào)產(chǎn)生、地球內(nèi)部傳播、遠(yuǎn)端地面接收、信號(hào)提取和信號(hào)解釋等[4-7]，目前我國(guó)采用精密可控震源向地殼發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，其能夠從莫霍面反射回地面，水平傳播距離可達(dá)200 km[8]。本文全面介紹了精密可控震源的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)以及發(fā)出信號(hào)的參數(shù)估計(jì)方法。

1 精密可控震源的原理及結(jié)構(gòu)

1.1 輸出力設(shè)計(jì)原理

一個(gè)質(zhì)量為m的物體圍繞圓心作圓周運(yùn)動(dòng)，物體因運(yùn)動(dòng)方向或速度發(fā)生改變而產(chǎn)生離心力，該力的方向由圓心指向物體質(zhì)心。在旋轉(zhuǎn)半徑r保持不變的情況下，物體從一個(gè)位置旋轉(zhuǎn)到另外一個(gè)位置時(shí)(圖1)，其相對(duì)于原位置會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度φ。

圖1 兩個(gè)離心力合成示意圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率f(t)隨時(shí)間線性變化時(shí)，物體旋轉(zhuǎn)角度也隨時(shí)間發(fā)生變換，旋轉(zhuǎn)角度可表示為φ(t)，此時(shí)離心力在x軸和y軸的分量分別為：

Fx(t)=4π2mrf2(t)sinφ(t)

Fy(t)=4π2mrf2(t)cosφ(t)

(1)

當(dāng)2個(gè)離心力完全相向或背向?qū)ΨQ時(shí)，相位相差180°，而在2個(gè)圓心的連線方向，離心力相互抵消，即

Fx=0

(2)

當(dāng)2個(gè)離心力完全垂直于圓心的連線方向時(shí)，離心力疊加后產(chǎn)生的合力為:

Fy(t)=8π2mrf2(t)cosφ(t)

(3)

從式(3)可以看出，精密可控震源發(fā)出信號(hào)的頻率隨時(shí)間而變化，振幅也隨頻率而改變，因此精密可控震源發(fā)出的信號(hào)是調(diào)頻又調(diào)幅的雙調(diào)信號(hào)。

本文根據(jù)上述2個(gè)離心力的合成與抵消原理設(shè)計(jì)精密可控震源，主要包括機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、運(yùn)行控制系統(tǒng)和發(fā)射平臺(tái)4個(gè)部分。

1.2 機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)是精密可控震源產(chǎn)生合成離心力的關(guān)鍵部分，由2個(gè)完全相同的獨(dú)立偏心輪構(gòu)成(圖2(a))，其中偏心輪的水平安裝方向完全一致，由2臺(tái)伺服電機(jī)分別對(duì)偏心輪進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，相位差為180°，向地面輸出垂直向下的合力。由式(1)和式(3)可以看出，合力大小是單個(gè)偏心輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的2倍，為保證運(yùn)行安全，將2個(gè)偏心輪密封在金屬倉(cāng)內(nèi)，并噴涂金屬漆以免氧化生銹(圖2(b))。由于偏心輪及其支撐固定結(jié)構(gòu)均由金屬鐵加工而成，其質(zhì)量m和旋轉(zhuǎn)半徑r均不會(huì)隨時(shí)間和環(huán)境而變化。

圖2 精密可控震源

機(jī)械設(shè)計(jì)的偏心輪質(zhì)量為436.628 kg，等效旋轉(zhuǎn)半徑為0.125 m。根據(jù)式(3)可知，當(dāng)精密可控震源工作頻率為4 Hz時(shí)，垂直方向輸出的離心合力約為6.89×104N；工作頻率為10 Hz時(shí)，輸出的離心合力約為4.31×105N，兩者相差6.25倍。

1.3 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)增量型旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服控制器和外圍主回路部件構(gòu)成，其中編碼器提供電機(jī)位置的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，伺服控制器和外圍主回路共同通過編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩的高性能控制。

增量型編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理將增量位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，分別輸出A、B、Z相3組脈沖信號(hào)，其中A、B相為每轉(zhuǎn)2 048個(gè)脈沖，可以確定電機(jī)的實(shí)時(shí)位置和速度，脈沖相位差為90°，可判斷旋轉(zhuǎn)方向；Z相為每轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。在伺服控制系統(tǒng)中，通過對(duì)分辨率為2 048 P/R編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，得到更高分辨率為8 192 P/R。編碼器信號(hào)的輸出方式采用RS-422線驅(qū)動(dòng)輸出，具有高速響應(yīng)和良好的抗噪性能，適用于惡劣環(huán)境和長(zhǎng)距離傳輸，編碼器平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上。

1.4 運(yùn)行控制系統(tǒng)

運(yùn)行控制系統(tǒng)主要包括2個(gè)部分：控制單元和信號(hào)采集系統(tǒng)。運(yùn)行控制系統(tǒng)是一個(gè)與北斗或GPS同步授時(shí)的精密信號(hào)源，通過內(nèi)部CPU輸出高精度的線驅(qū)動(dòng)脈沖序列和方向控制信號(hào)，同時(shí)將電機(jī)編碼器的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行解析，得到精密可控震源的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)信息，并通過人機(jī)交互軟件設(shè)置精密可控震源的運(yùn)行參數(shù)?？刂茊卧獌?nèi)部時(shí)鐘模塊的頻率為10 MHz，CPU頻率達(dá)到60 MHz，授時(shí)誤差小于500 ns?？刂茊卧奢敵鰡晤l和線性調(diào)頻2種脈沖序列，輸出頻率的絕對(duì)精度小于1×10-6Hz，通過 RS-232接口進(jìn)行偏心輪運(yùn)轉(zhuǎn)控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視。

在距離精密可控震源10 m處安裝一套短周期地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)精密可控震源的輸出信號(hào)，監(jiān)控精密可控震源輸出信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)也作為精密可控震源輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

1.5 發(fā)射平臺(tái)

在硬土層上挖掘長(zhǎng)6 m、寬4 m、深1.3 m的方坑，并在坑內(nèi)澆注長(zhǎng)5 m、寬3 m、高1 m的鋼筋混凝土平臺(tái)(圖3)。在澆注鋼筋混凝土平臺(tái)時(shí)，在鋼筋上安裝長(zhǎng)5 m、寬3 m、厚50 mm的鋼板，鋼板上安裝44根直徑為48 mm的地腳螺栓，確保精密可控震源系統(tǒng)準(zhǔn)確固定在發(fā)射平臺(tái)上，以提高精密可控震源能量傳遞的效率[9-10]。

圖3 精密可控震源發(fā)射平臺(tái)

1.6 發(fā)射信號(hào)頻率

1976-07-28唐山地震和2008-05-12汶川地震等破壞性較大的地震均發(fā)生在地殼內(nèi)，需要精密可控震源從地表向地下發(fā)射的信號(hào)穿過地殼到達(dá)莫霍面(大陸平均厚度約為33 km)后再反射回地面，才能帶回孕震區(qū)的變化信息。大部分地震計(jì)的觀測(cè)頻帶范圍為0.016 7～50 Hz，地震數(shù)據(jù)采集器和地震計(jì)的自噪聲在10 Hz后會(huì)急劇增加，精密可控震源發(fā)出的線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過地下介質(zhì)的衰減作用后，只有頻率相對(duì)較低才能傳播到較遠(yuǎn)的區(qū)域[11]。由式(3)可以看出，精密可控震源輸出力的大小與旋轉(zhuǎn)頻率的平方成正比，精密可控震源在低頻段激發(fā)的能量較低，因此對(duì)遠(yuǎn)端地震臺(tái)站接收到的信號(hào)進(jìn)行多次疊加可以提高信噪比，有利于提取精密可控震源發(fā)出的信號(hào)。本文將精密可控震源的工作頻率設(shè)置在4～10 Hz，運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為300 s。

2 調(diào)頻參數(shù)估計(jì)方法

對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)而言，Wigner-Ville變換可使其能量集中在時(shí)頻面中一條直線上，因此對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的檢測(cè)就轉(zhuǎn)化為時(shí)頻面上的直線檢測(cè)，將Wigner-Ville分布與Hough變換相結(jié)合，適用于線性調(diào)頻信號(hào)的檢測(cè)和估計(jì)[12]。對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行Wigner-Hough變換，將信號(hào)從時(shí)域變換為由頻率和調(diào)頻速率組成的參數(shù)空間域，然后在該參數(shù)空間域進(jìn)行檢測(cè)和估計(jì)[13]。信號(hào)x(t)的Wigner-Ville分布可定義為[14]：

(4)

Hough變換專門用于檢測(cè)圖像中的直線，坐標(biāo)原點(diǎn)o位于圖像I中心(圖4)，若圖像大小為N×L，用(t,f)表示在圖像中的位置，則：

圖4 Hough變換

(5)

(6)

Hough變換用極坐標(biāo)可表示為：

xcosθ+ysinθ=ρ

(7)

式中，ρ為過原點(diǎn)垂直于直線的垂線長(zhǎng)度，θ為垂直軸與該垂線的夾角。

對(duì)于圖像I中每個(gè)像素點(diǎn)(x,y)，經(jīng)Hough變換后對(duì)應(yīng)(ρ，θ)面內(nèi)一條正弦曲線，其幅度對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)(x,y)的強(qiáng)度，因此對(duì)于圖像I中所有像素點(diǎn)，經(jīng)Hough變換后在(ρ，θ)面內(nèi)對(duì)應(yīng)一束交織在一起的正弦函數(shù)[15]。如果圖像I中部分像素點(diǎn)高度集中在一條直線上，在(ρ，θ)面內(nèi)必有一個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)該直線的參數(shù)，則初始頻率f0和調(diào)頻速率k與ρ及θ的關(guān)系為[16]：

f0=ρ/sinθ

(8)

k=-cosθ

(9)

3 結(jié) 果

3.1 重復(fù)性

最大輸出力為4.31×105N的精密可控震源在四川蘆山運(yùn)行的結(jié)果表明其發(fā)出信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)均在0.99以上[17]，在河北沽源試運(yùn)行的結(jié)果顯示其發(fā)出信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)也都在0.99以上[18]，因此精密可控震源發(fā)出的信號(hào)具有較高的重復(fù)性，與傳統(tǒng)的炸藥震源相比具有顯著而獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[19]。

3.2 初始頻率和調(diào)頻速率

由式(4)可知，Wigner-Ville分布為二次變換，在計(jì)算時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的資源消耗較大，因此將采樣率由200 Hz降至50 Hz，采用4～10 Hz帶通濾波后再對(duì)其進(jìn)行Wigner-Ville分布分析和Hough變換，結(jié)果見圖5。

圖5 精密可控震源信號(hào)分析

從圖5(a)可以看出，精密可控震源發(fā)出的信號(hào)在Wigner-Ville分布的時(shí)頻面上僅有一條直線，且頻率f隨時(shí)間t的增加而線性增加，說明該信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)。從圖5(b)可以看出，經(jīng)過Hough變換后，在(ρ，θ)面上僅有一個(gè)突出尖峰，說明精密可控震源只發(fā)出一組線性調(diào)頻信號(hào)，這有利于識(shí)別經(jīng)地殼內(nèi)不同深度反射到地面的信號(hào)。

從Hough變換后的參數(shù)中確定波峰坐標(biāo)(ρ，θ)，根據(jù)式(8)和式(9)估計(jì)得到初始頻率和調(diào)頻速率，結(jié)果見表1。

表1 調(diào)頻參數(shù)

由于理想的線性調(diào)頻信號(hào)的Wigner-Ville分布為沖激函數(shù)，但有限長(zhǎng)的線性調(diào)頻信號(hào)的Wigner-Ville分布呈背鰭狀，在估算過程中使用300 s的數(shù)據(jù)，且考慮到計(jì)算資源已將采樣率降為50 Hz，因此估算的初始頻率和調(diào)頻速率與理論參數(shù)略有差異，重復(fù)性高就不會(huì)影響信號(hào)在地下走時(shí)變化的長(zhǎng)期觀測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于2臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)偏心輪相向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生垂直向下的離心合力，既可保證精密可控震源對(duì)周圍環(huán)境無(wú)破壞，又使其輸出信號(hào)的形態(tài)高度一致。偏心輪的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑不會(huì)隨時(shí)間和環(huán)境而變化，精密可控震源系統(tǒng)的機(jī)械特性也不會(huì)改變，唯一影響輸出信號(hào)特性的只有偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，而轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)可受到精確控制，因此通過精密控制震源系統(tǒng)而發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)特征明確，并且具有高度可重復(fù)性。

炸藥等震源在瞬間輸出大功率的脈沖信號(hào)，對(duì)環(huán)境具有較大的破壞性，而精密可控震源向地面長(zhǎng)時(shí)間輸出小功率線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞。通過北斗精確授時(shí)，精密可控震源的運(yùn)行時(shí)間、頻率、調(diào)頻速率及運(yùn)行周期數(shù)均由系統(tǒng)精確控制，合理設(shè)置調(diào)頻參數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，避開地震數(shù)據(jù)采集器、地震計(jì)和地球的自噪聲干擾頻段，有利于信號(hào)疊加和提高信噪比。精密可控震源輸出的線性調(diào)頻信號(hào)在時(shí)頻面內(nèi)呈現(xiàn)聚集性，而地球自噪聲雜亂無(wú)章，且無(wú)聚集性，兩者容易分辨和提取。

將精密可控震源固定在活斷層附近長(zhǎng)期重復(fù)運(yùn)行，并在四周布設(shè)北斗高精度授時(shí)的地震觀測(cè)設(shè)備，重復(fù)接收精密可控震源信號(hào)通過不同深度分界面反射到地面的P波、S波及首波等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地殼介質(zhì)分層的長(zhǎng)期主動(dòng)觀測(cè)。由于精密可控震源和接收信號(hào)的地震觀測(cè)臺(tái)站的位置已知和不變，通過分析相同路徑上波速的變化規(guī)律和時(shí)空演化特征，構(gòu)建地下地震云圖，可為研究地震發(fā)生前后地殼的物理變化特征及其他前兆觀測(cè)信息提供科學(xué)依據(jù)。

致謝：感謝梁鴻森研究員提供的幫助。