[发明专利]一种表面波互谱分析相位折叠识别及相位展开校正方法

摘要

本发明公开了一种表面波互谱分析相位折叠识别及相位展开校正方法，包括以下步骤：S1、由场地分层结构及层土性分类预估场地平均剪切波速度；S2、由表面两测点振动响应计算折叠相位谱及互功率谱；S3、确定分析频率范围；S4、从频率下限开始计算相邻两点间相位差，确定相位折叠位置处频率及折叠数量，并计算形成一个折叠所需平均频率值；S5、判断及剔除无效相位折叠，统计有效相位折叠数量；S6、在折叠相位谱上确定相位展开初始频率，对其相位进行校正；S7、从初始频率开始，对折叠相位展开，计算表面波在两点之间实际相位差。本发明可以有效解决初始频率处相位折叠数损失以及干扰信号产生的虚假折叠，确保折叠相位谱展开正确性。

主权项

1.一种表面波互谱分析相位折叠识别及相位展开校正方法，用于计算表面波在两测点间实际相位差，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、在表面波测试之前，根据测试场地或邻近周围场地地勘及波速测试报告，得到场地分层结构、分层土性分类及其对应的剪切波速度范围，由层厚度及层剪切波速，预估用厚度加权后的平均剪切波速式中，hm为第m层厚度，cs,m为第m层剪切波速，M为总层数；S2、将表面近振源测点和远振源测点的瞬态振动响应作傅里叶变换得到振幅谱，近振源测点的振幅谱用符号U1(fj)表示，远振源测点的振幅谱用符号U2(fj)表示，第j离散点频率fj＝jΔf0，j＝0、1、2、…，Δf0为频率分辨率，两测点互功率谱U12(fj)的表达式如下，式中，为U₁(f_j)的复共轭，Re[U₁₂(f_j)]是U₁₂(f_j)的实部，Im[U₁₂(f_j)]是U₁₂(f_j)的虚部，复数模i为虚数单位，为两测点间实际相位差，由下式计算得到，S3、取互功率谱幅值超过谱峰值5％的频率区间作为分析频率范围，分析频率范围用符号(fL,fH)表示，fL和fH分别为频率区间下限和频率区间上限，以保证分析频率范围有较高信噪比，同时避免谱泄漏对相位谱影响；S4、根据互功率谱虚部、实部所在象限，由公式(3)的反正切计算相位差由于正切函数是周期为2π的周期函数，由公式(4)计算得到的相位差随频率变化介于相位区间[‑π，π]，的单位为弧度，相位差以折叠形式出现，在发生折叠位置，相邻两点折叠相位会从‑π跳跃到π，受谱频率分辨率影响，折叠位置相位绝对值小于π，若折叠位置相位绝对值小于0.8π，判断这是由于谱频率分辨率低所致，则对测点响应数据补零增加分析时间长度，或对互功率谱进行细化，以此来提高频率分辨率，确保折叠位置相位绝对值大于等于0.8π；S5、从频率下限fL开始，沿频率增加方向计算分析频率范围(fL,fH)内相邻两点k和k+1间相位差，k＝0、1、2、…，由于折叠位置相位绝对值大于等于0.8π,故当相邻两点相位差绝对值大于等于1.6π时，即相位差满足公式(5)时，则判断相位在频率fk处产生折叠，即式中，fk和fk+1分别表示第k点频率和第k+1点频率，据此确定分析频率范围(f_L,f_H)内所有折叠处对应的频率，折叠处对应的频率用符号表示，n＝1、2、…、N，N为分析频率范围(f_L,f_H)内相位折叠数量，由第一个折叠与最后一个折叠间的频率差，计算形成一个折叠所需频率平均值即S6、再次从频率下限f_L开始沿频率增加方向计算相邻折叠位置处频率差若相邻折叠位置处频率差小于形成一个折叠所需平均频率值的50％，即当相邻折叠位置处频率差满足公式(8)时，则表示在此频率范围相速度异常减小，折叠是由干扰所致，该折叠是虚假的、无效的，判断处折叠为无效折叠，重复该过程直至判断最后一个折叠是否为无效折叠后，剔除所有无效折叠位置处频率，重新统计有效相位折叠数量及有效折叠位置处对应频率，S7、由第一有效折叠位置沿频率降低方向，获得首次出现正相位处频率，取该正相位频率与第一有效折叠位置频率之间任一负相位频率作为相位展开初始频率f₀，用符号表示初始频率f₀处折叠相位，为了判断f₀处相位有无折叠数损失，由下式预估初始频率f₀处实际相位式中，Δr为表面两测点间距，为由公式(1)计算得到的平均剪切波速，根据公式(10)计算初始相位损失的折叠数N0，式中，int表示对计算值取整，由初始相位损失折叠数N₀对初始频率f₀处折叠相位进行校正，校正后的实际初始相位由下式计算，S8、从初始频率f₀开始沿频率增加方向计算第j离散点频率f_j处实际展开相位式中，fj＝jΔf0≤fH，k(fj)＝m+N0，m为频率fj与频率f0之间按S6统计的有效相位折叠数量，N0为由公式(10)计算得到的初始相位损失折叠数。