本發(fā)明屬于隧道探測，具體地說，涉及一種隧道地震超前探測溶洞方法、系統(tǒng)、介質及設備。

背景技術：

1、隧道開挖掘進階段是隧道安全事故的頻發(fā)階段，其主要原因是前方的構造問題探查不明，其中以斷層構造最為典型，因此，對斷層的精準探測具有重要意義。由于鉆探成本相對較高，而隧道超前探測反射地震勘探方法較為實用且便捷，因此，隧道超前探測中地震反射法最為常見。在地震反射超前探工作中，如何建立準確的斷層速度模型是實現(xiàn)地震超前探測的關鍵，準確的斷層速度模型為實現(xiàn)超前探測隧道前方斷層提供了有利條件。

2、全波形反演是一種基于數據空間域的波形反演方法，利用正演模擬的數據與實際觀測數據進行匹配，通過波場誤差最小建立目標函數，進而尋找最佳的模型參數，使模擬數據與觀測數據達到最佳吻合。對于全波形反演的理論，最早是在tarantola(1982)提出的廣義最小二乘約束下的數據域擬合基礎上建立的。tarantola(1984，1988)將該理論應用到聲波近似中，進而給出了完整的時間域全波形反演理論框架。該技術在地面地震勘探中相對成熟，全波形反演對速度反演精度遠高于傳統(tǒng)速度反演方法。但是目前全波形反演中的主要利用共軛梯度法進行優(yōu)化模型速度參數，該方法的優(yōu)化速度相對較慢，從而導致目前全波形反演的計算效率低。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一目的在于提供一種隧道地震超前探測溶洞方法，將大方位的觀測系統(tǒng)與全波形反演方法相結合，克服傳統(tǒng)零偏移距橫向分辨率低的問題，同時利用牛頓法替代傳統(tǒng)全波形反演的共軛梯度法，進一步提高全波形反演的計算效率，有助于提高隧道超前探成像精度。

2、本發(fā)明的第二目的在于提供一種隧道地震超前探測溶洞系統(tǒng)。

3、本發(fā)明的第三目的在于提供一種存儲介質。

4、本發(fā)明的第四目的在于提供一種計算設備。

5、本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種隧道地震超前探測溶洞方法，包括以下步驟：

6、s1、在隧道一側壁上等間距布置多個震源和等間距布置多個檢波器，多個檢波器位于震源和掌子面之間，在掌子面上等間距布置多個檢波器，各檢波器和各震源位于同一高度；

7、s2、分別將每個震源和所有檢波器通過設備連接形成地震超前探測系統(tǒng)，依次激發(fā)震源，通過地震超前探測系統(tǒng)獲取實際觀測數據；

8、s3、建立初始的速度模型，利用牛頓法對速度模型進行更新，獲得最終的速度模型；

9、其中，利用牛頓法對速度模型進行更新，獲得最終的速度模型的步驟包括：

10、s31、根據速度模型確定合成觀測數據和正傳波場數據；

11、s32、根據速度模型和實際數據獲得反傳波場數據；

12、s33、根據正傳波場數據和反傳波場數據確定殘差的目標方程；

13、s34、利用正傳波場數據和反向波場數據計算關于波速的梯度矩陣；

14、s35、基于梯度矩陣計算海森矩陣；

15、s36、根據梯度矩陣、海森矩陣和預設迭代步長對速度模型進行更新；

16、s37、重復執(zhí)行步驟s31至步驟s36，直至滿足預設收斂準則，得到最終的速度模型。

17、進一步地，根據速度模型確定合成觀測數據和正傳波場數據的步驟包括：

18、根據地震超前探測系統(tǒng)確定觀測系統(tǒng)參數，基于觀測系統(tǒng)參數，利用時空高階有限差分算法計算正傳波場數據：

19、l[vn(x,y)]pn(x,y,t)＝s(xs,ys,t)??(1)；

20、式中，l[·]為聲波時空高階有限差分算子，vn(x,y)為第n次迭代后的速度模型，pn(x,y,t)為基于vn(x,y)的正傳波場數據，s(xs,ys,t)為震源子波，(xs,ys)為震源位置，t為時間參數；

21、基于正傳波場數據確定合成觀測數據。

22、進一步地，根據速度模型和實際觀測數據獲得反傳波場數據的步驟包括：

23、將實際觀測數據作為邊值條件，利用公式(2)計算得到反向波場數據：

24、l[vn(x,y)]dn(x,y,t)＝d(s；x1,y1；x2,y2；…xm+n,ym+n；t)??(2)；

25、式中，vn(x,y)為第n次迭代后的速度模型，dn(x,y,t)為基于vn(x,y)的反向波場數據，d(s；x1,y1；x2,y2；…xm+n,ym+n；t)為實際觀測數據，(x1,y1；x2,y2；…xm+n,ym+n)為檢波器的位置參數，n+m表示總的檢波器數量，t為時間，s表示震源數量。

26、進一步地，根據正傳波場數據和反傳波場數據確定殘差的目標方程的步驟中，目標方程的表達式為：

27、

28、式中，f[vn(x,y)]為第n次迭代后的目標函數值，vn(x,y)為第n次迭代后的速度模型，pn(x,y,t)為基于vn(x,y)的正傳波場數據，dn(x,y,t)為基于vn(x,y)的反向波場數據，‖·‖為二范數，ζ為正則化刻度因子，w為正則化權重算子，vapr為期望的近似解。

29、進一步地，利用正傳波場數據和反向波場數據計算關于波速的梯度矩陣的步驟中，梯度矩陣的表達式為：

30、

31、式中，為f[vn(x,y)]關于vn(x,y)的一階偏導數，vn(x,y)為第n次迭代后的速度模型。

32、進一步地，基于梯度矩陣計算海森矩陣的步驟中，海森矩陣的表達式為：

33、

34、式中，kn為梯度的更新量，kn＝g[vn+1(x,y)]-g[vn(x,y)]，qn為關于速度模型vn(x,y)的更新量，qn＝vn+1(x,y)-vn(x,y)，表示矩陣轉置，為第n次迭代的初始正定海森矩陣，為在基礎上進行了第j次遞推迭代的近似海森矩陣，表示關于vn(x,y)的一階偏導數。

35、進一步地，根據梯度矩陣、海森矩陣和預設迭代步長對速度模型進行更新的步驟包括：

36、利用公式(6)對速度模型進行更新，公式(6)的表達式為：

37、vn+1(x,y)＝vn(x,y)+anpn??(6)；

38、式中，an為迭代步長，vn(x,y)為第n次迭代后的速度模型，vn+1(x,y)為第n+1次迭代后的速度模型，pn為迭代方向，pn的表達式為；

39、

40、式中，γ為阻尼系數，i為單位矩陣。

41、一種隧道地震超前探測溶洞系統(tǒng)，包括：

42、探測系統(tǒng)搭設單元，用于在隧道一側壁上等間距布置多個震源和等間距布置多個檢波器，多個所述檢波器位于震源和掌子面之間，在所述掌子面上等間距布置多個檢波器，各所述檢波器和各震源位于同一高度；

43、觀測數據獲取單元，用于分別將每個所述震源和所有檢波器通過設備連接形成地震超前探測系統(tǒng)，依次激發(fā)所述震源，通過所述地震超前探測系統(tǒng)獲取實際觀測數據；

44、速度模型更新單元，用于建立初始的速度模型，利用牛頓法對所述速度模型進行更新，獲得最終的所述速度模型；

45、其中，所述利用牛頓法對所述速度模型進行更新，獲得最終的所述速度模型包括：

46、正傳波場數據獲取模塊，用于根據所述速度模型確定合成觀測數據和正傳波場數據；

47、反傳波場數據獲取模塊，用于根據所述速度模型和實際觀測數據獲得反傳波場數據；

48、目標函數構建模塊，用于根據所述正傳波場數據和反傳波場數據確定殘差的目標方程；

49、梯度矩陣計算模塊，用于利用所述正傳波場數據和反向波場數據計算關于波速的梯度矩陣；

50、海森矩陣計算模塊，用于基于所述梯度矩陣計算海森矩陣；

51、模型更新模塊，用于根據所述梯度矩陣、海森矩陣和預設迭代步長對速度模型進行更新；

52、迭代判斷模塊，用于重復執(zhí)行正傳波場數據獲取模塊至模型更新模塊，直至滿足預設收斂準則，得到最終的速度模型。

53、一種存儲介質，存儲有程序，所述程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)上述所述的一種隧道地震超前探測溶洞方法。

54、一種計算設備，包括處理器及用于存儲處理器可執(zhí)行程序的存儲器，所述處理器執(zhí)行存儲器存儲的程序時，實現(xiàn)上述所述的一種隧道地震超前探測溶洞方法。

55、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

56、(1)相對于傳統(tǒng)的速度分析方法，本發(fā)明采用的全波形反演精度相對較高，為偏移成像提供更為準確的速度模型；

57、(2)本發(fā)明中，由于隧道超前探測整體模型規(guī)模相對較小，且構造相對簡單，這為海森矩陣儲存及逆矩陣提供了有利條件，與傳統(tǒng)的全波形反演采用的共軛梯度法方法相比，本發(fā)明的牛頓法收斂速度更快，整體反演速度的效率更快；

58、(3)本發(fā)明在隧道掌子面前方以及兩側巖體內部布置檢波器，與震源構成相對大偏移距的觀測系統(tǒng)，有效地解決了零偏移距喪失了橫向的分辨率的問題，從根本上解決了超前探測結果存在對稱假象的難點問題，該觀測系統(tǒng)下的接收到的地震記錄具有良好的橫向分辨率，為全波形反演提供有效地波場信息；

59、(4)本發(fā)明利用正則化約束下的目標函數求解過程中保持算法的穩(wěn)定性和高效性。