精密可控震源的研制

劉明輝 周銀興 李 江 朱小毅 王洪體 崔仁勝 陳 陽 林 湛

1 中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室，北京市復興路63號，100036

地震預測是世界性的科學難題，地球內部的不可見性制約著人們對地震發(fā)生的構造環(huán)境、震源及孕震過程中震源區(qū)和鄰近區(qū)應力狀態(tài)與介質特征的認識[1]。目前，我國地震前兆觀測手段主要是在地表或淺井進行被動觀測，如地磁、地電、地應力、地形變等，對于地震的預測仍處于經驗預測階段。為探索地震預測的新途徑，我國發(fā)射了張衡一號電磁監(jiān)測實驗衛(wèi)星，以推進立體地震觀測體系的建立。要實現地震的物理預報，就必須以定量的動力建模為基礎，以獲得監(jiān)測區(qū)域結構、物性和狀態(tài)的透明模型為前提，以實時獲取區(qū)域地震和前兆關鍵物理量的四維數據為條件，通過高性能的計算平臺對海量數據進行處理及對地震孕育、發(fā)生過程進行模擬計算[2]。對地下結構變化進行主動探測，取得地下介質的動態(tài)變化信息，研究其與地震孕育、發(fā)生的關系，是地震預測研究的新思路[3]。采用人工可控震源對地下介質進行主動觀測是一項尖端的地球探測技術，包括信號產生、地球內部傳播、遠端地面接收、信號提取和信號解釋等[4-7]，目前我國采用精密可控震源向地殼發(fā)射線性調頻信號，其能夠從莫霍面反射回地面，水平傳播距離可達200 km[8]。本文全面介紹了精密可控震源的設計原理和結構以及發(fā)出信號的參數估計方法。

1 精密可控震源的原理及結構

1.1 輸出力設計原理

一個質量為m的物體圍繞圓心作圓周運動，物體因運動方向或速度發(fā)生改變而產生離心力，該力的方向由圓心指向物體質心。在旋轉半徑r保持不變的情況下，物體從一個位置旋轉到另外一個位置時(圖1)，其相對于原位置會旋轉一個角度φ。

圖1 兩個離心力合成示意圖

當旋轉頻率f(t)隨時間線性變化時，物體旋轉角度也隨時間發(fā)生變換，旋轉角度可表示為φ(t)，此時離心力在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2個離心力完全相向或背向對稱時，相位相差180°，而在2個圓心的連線方向，離心力相互抵消，即

Fx=0

(2)

當2個離心力完全垂直于圓心的連線方向時，離心力疊加后產生的合力為:

Fy(t)=8π2mrf2(t)cosφ(t)

(3)

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

本文根據上述2個離心力的合成與抵消原理設計精密可控震源，主要包括機械轉動系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)和發(fā)射平臺4個部分。

1.2 機械轉動系統(tǒng)

機械轉動系統(tǒng)是精密可控震源產生合成離心力的關鍵部分，由2個完全相同的獨立偏心輪構成(圖2(a))，其中偏心輪的水平安裝方向完全一致，由2臺伺服電機分別對偏心輪進行同步驅動，轉動方向相反，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，合力大小是單個偏心輪旋轉時的2倍，為保證運行安全，將2個偏心輪密封在金屬倉內，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構均由金屬鐵加工而成，其質量m和旋轉半徑r均不會隨時間和環(huán)境而變化。

圖2 精密可控震源

機械設計的偏心輪質量為436.628 kg，等效旋轉半徑為0.125 m。根據式(3)可知，當精密可控震源工作頻率為4 Hz時，垂直方向輸出的離心合力約為6.89×104N；工作頻率為10 Hz時，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)由驅動增量型旋轉編碼器、伺服控制器和外圍主回路部件構成，其中編碼器提供電機位置的實時反饋信號，伺服控制器和外圍主回路共同通過編程方式實現對電機位置、轉速、加速度和輸出轉矩的高性能控制。

增量型編碼器是利用光電轉換原理將增量位移轉換成脈沖信號，分別輸出A、B、Z相3組脈沖信號，其中A、B相為每轉2 048個脈沖，可以確定電機的實時位置和速度，脈沖相位差為90°，可判斷旋轉方向；Z相為每轉1個脈沖，用于基準點定位。在伺服控制系統(tǒng)中，通過對分辨率為2 048 P/R編碼器輸出的脈沖信號進行邏輯處理，得到更高分辨率為8 192 P/R。編碼器信號的輸出方式采用RS-422線驅動輸出，具有高速響應和良好的抗噪性能，適用于惡劣環(huán)境和長距離傳輸，編碼器平均壽命可在幾萬小時以上。

1.4 運行控制系統(tǒng)

運行控制系統(tǒng)主要包括2個部分：控制單元和信號采集系統(tǒng)。運行控制系統(tǒng)是一個與北斗或GPS同步授時的精密信號源，通過內部CPU輸出高精度的線驅動脈沖序列和方向控制信號，同時將電機編碼器的實時狀態(tài)進行解析，得到精密可控震源的實時運轉信息，并通過人機交互軟件設置精密可控震源的運行參數?？刂茊卧獌炔繒r鐘模塊的頻率為10 MHz，CPU頻率達到60 MHz，授時誤差小于500 ns?？刂茊卧奢敵鰡晤l和線性調頻2種脈沖序列，輸出頻率的絕對精度小于1×10-6Hz，通過 RS-232接口進行偏心輪運轉控制和實時狀態(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據采集系統(tǒng)，實時采集存儲精密可控震源的輸出信號，監(jiān)控精密可控震源輸出信號的質量，同時也作為精密可控震源輸出的標準信號。

1.5 發(fā)射平臺

在硬土層上挖掘長6 m、寬4 m、深1.3 m的方坑，并在坑內澆注長5 m、寬3 m、高1 m的鋼筋混凝土平臺(圖3)。在澆注鋼筋混凝土平臺時，在鋼筋上安裝長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)準確固定在發(fā)射平臺上，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

1.6 發(fā)射信號頻率

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，需要精密可控震源從地表向地下發(fā)射的信號穿過地殼到達莫霍面(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。大部分地震計的觀測頻帶范圍為0.016 7～50 Hz，地震數據采集器和地震計的自噪聲在10 Hz后會急劇增加，精密可控震源發(fā)出的線性調頻信號經過地下介質的衰減作用后，只有頻率相對較低才能傳播到較遠的區(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，因此對遠端地震臺站接收到的信號進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。本文將精密可控震源的工作頻率設置在4～10 Hz，運行時間設置為300 s。

2 調頻參數估計方法

對于線性調頻信號而言，Wigner-Ville變換可使其能量集中在時頻面中一條直線上，因此對線性調頻信號的檢測就轉化為時頻面上的直線檢測，將Wigner-Ville分布與Hough變換相結合，適用于線性調頻信號的檢測和估計[12]。對線性調頻信號進行Wigner-Hough變換，將信號從時域變換為由頻率和調頻速率組成的參數空間域，然后在該參數空間域進行檢測和估計[13]。信號x(t)的Wigner-Ville分布可定義為[14]：

(4)

Hough變換專門用于檢測圖像中的直線，坐標原點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變換用極坐標可表示為：

xcosθ+ysinθ=ρ

(7)

式中，ρ為過原點垂直于直線的垂線長度，θ為垂直軸與該垂線的夾角。

對于圖像I中每個像素點(x,y)，經Hough變換后對應(ρ，θ)面內一條正弦曲線，其幅度對應像素點(x,y)的強度，因此對于圖像I中所有像素點，經Hough變換后在(ρ，θ)面內對應一束交織在一起的正弦函數[15]。如果圖像I中部分像素點高度集中在一條直線上，在(ρ，θ)面內必有一個尖峰對應該直線的參數，則初始頻率f0和調頻速率k與ρ及θ的關系為[16]：

f0=ρ/sinθ

(8)

k=-cosθ

(9)

3 結 果

3.1 重復性

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

3.2 初始頻率和調頻速率

由式(4)可知，Wigner-Ville分布為二次變換，在計算時對計算機的資源消耗較大，因此將采樣率由200 Hz降至50 Hz，采用4～10 Hz帶通濾波后再對其進行Wigner-Ville分布分析和Hough變換，結果見圖5。

圖5 精密可控震源信號分析

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

從Hough變換后的參數中確定波峰坐標(ρ，θ)，根據式(8)和式(9)估計得到初始頻率和調頻速率，結果見表1。

表1 調頻參數

由于理想的線性調頻信號的Wigner-Ville分布為沖激函數，但有限長的線性調頻信號的Wigner-Ville分布呈背鰭狀，在估算過程中使用300 s的數據，且考慮到計算資源已將采樣率降為50 Hz，因此估算的初始頻率和調頻速率與理論參數略有差異，重復性高就不會影響信號在地下走時變化的長期觀測。

4 結 語

基于2臺伺服電機驅動2個偏心輪相向旋轉而產生垂直向下的離心合力，既可保證精密可控震源對周圍環(huán)境無破壞，又使其輸出信號的形態(tài)高度一致。偏心輪的質量和旋轉半徑不會隨時間和環(huán)境而變化，精密可控震源系統(tǒng)的機械特性也不會改變，唯一影響輸出信號特性的只有偏心輪的轉動參數，而轉動參數可受到精確控制，因此通過精密控制震源系統(tǒng)而發(fā)射的線性調頻信號特征明確，并且具有高度可重復性。

炸藥等震源在瞬間輸出大功率的脈沖信號，對環(huán)境具有較大的破壞性，而精密可控震源向地面長時間輸出小功率線性調頻信號，對環(huán)境無破壞。通過北斗精確授時，精密可控震源的運行時間、頻率、調頻速率及運行周期數均由系統(tǒng)精確控制，合理設置調頻參數和運行時間，避開地震數據采集器、地震計和地球的自噪聲干擾頻段，有利于信號疊加和提高信噪比。精密可控震源輸出的線性調頻信號在時頻面內呈現聚集性，而地球自噪聲雜亂無章，且無聚集性，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期重復運行，并在四周布設北斗高精度授時的地震觀測設備，重復接收精密可控震源信號通過不同深度分界面反射到地面的P波、S波及首波等，實現對地殼介質分層的長期主動觀測。由于精密可控震源和接收信號的地震觀測臺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)律和時空演化特征，構建地下地震云圖，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信息提供科學依據。

致謝：感謝梁鴻森研究員提供的幫助。