《Measurement》：Ray-tracing-assisted measurement of shallow subsurface attenuation using sparse surface acceleration data
编辑推荐：
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基于射线的衰减成像技术适用于稀疏表面数据。
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弯曲的射线路径能够改善复杂介质中的衰减建模。
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对数谱比特征用于表征振动衰减。
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SART-GSR技术提高了在数据稀疏情况下的反演稳定性。
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FSM技术平衡了成像精度、稳定性和计算成
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基于射线的衰减成像技术适用于稀疏表面数据。
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弯曲的射线路径能够改善复杂介质中的衰减建模。
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对数谱比特征用于表征振动衰减。
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SART-GSR技术提高了在数据稀疏情况下的反演稳定性。
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FSM技术平衡了成像精度、稳定性和计算成本。
引言
从有限的表面加速度数据中可靠地测量与衰减相关的地下属性，对于工程环境中的浅层地下特征分析非常重要。在地下施工、危险诊断、空洞检测和扰动后评估等应用中，可用的表面观测数据通常较为稀疏，采集视场有限，且近地表介质具有很强的异质性。在这些条件下，波的传播常常受到显著的射线弯曲、界面折射和多路径效应的影响，这会严重扭曲从表面记录得到的衰减估计值。因此，当仅有有限的加速度测量数据时，快速准确地描述浅层地下衰减仍然很困难[1]、[2]、[3]、[4]。最近的研究还表明，浅层地下特征分析不仅需要识别异常区域，还需要为安全评估和地质风险识别提供物理上有意义的信息[5]、[6]、[7]。
目前，工程实践中的浅层地下特征分析主要依赖于走时层析成像、速度反演和基于运动学属性的结构划分。这些方法在描述地下几何形状和速度变化方面显示出了实际价值[8]、[9]、[10]。然而，它们在表征与吸收、散射和能量耗散相关的衰减响应方面效果较差，尤其是在包含裂缝、松散带、空洞或受损材料的区域。先前的研究表明，波在浅层异质介质中的传播不仅受路径弯曲和界面折射的影响，还受吸收衰减、散射和几何扩散的影响[11]、[12]、[13]、[14]。因此，仅靠走时信息往往难以完全反映介质的物理响应。为了解决这一局限性，逐渐将衰减敏感的可观测量引入到地下特征分析中，并发现它们能够提供超出运动学属性之外的补充信息[15]、[16]、[17]。
衰减测量的可靠性在很大程度上取决于波传播建模的物理一致性。在浅层异质介质中，直线射线假设通常不成立，表面测量数据与地下衰减参数之间的关系对所采用的传播路径模型非常敏感。为了提高正向预测的准确性，人们开发了一系列基于射线和Eikonal方程的方法，包括最短路径法、快速遍历法、快速扫描法和伴随状态走时法，用于复杂介质中的走时场计算和射线路径重建[18]、[19]、[20]、[21]。这些发展为在异质条件下改进衰减相关测量提供了重要基础。然而，大多数现有研究并未针对具有瞬态激励、接收器稀疏和观测视场有限的浅层工程场景进行设计。在许多情况下，衰减参数是在正向建模后估计的，但人们对路径不一致性、稀疏 sensing和有限覆盖范围对测量精度、重建稳定性和物理解释性的影响关注不足。
在涉及冲击引起的或与扰动相关的浅层地下问题中，这种局限性更为明显，因为在这个过程中，结构损伤、衰减特性和加速度能量分布是物理上相互耦合的[22]、[23]、[24]。在这种情况下，一个实用的框架需要同时解决三个问题：在异质介质中实现准确的传播路径建模、在数据稀疏的情况下进行稳定的衰减估计，以及对地下响应进行物理上可解释的特征分析。这一需求与当前的地下工程和隧道勘探趋势一致，这些趋势越来越强调在实地约束条件下进行快速特征分析、稳健的反演和有意义的物理解释[25]、[26]。
为了解决这些问题，本研究开发了一种利用表面加速度数据进行浅层地下衰减测量的基于射线追踪的框架。采用了基于图形和Eikonal的方法，包括最短路径法（SPM）、动态最短路径法（DSPM）和快速扫描法（FSM），来确定异质介质中的传播路径、走时和路径依赖权重。从加速度记录的对数谱比特征中提取衰减敏感的观测数据。SART提供了一个初步的衰减估计值，随后通过群体稀疏正则化（GSR）技术进行精细化处理，以抑制在数据稀疏和视场有限的情况下由噪声引起的伪影。重建的衰减场进一步用于结合吸收衰减和几何扩散来进行浅层地下特征分析。
本研究的创新之处不在于单独提出了一种新的射线追踪、对数谱比、SART或GSR算法。其主要贡献在于为异质浅层介质中的稀疏表面加速度测量提供了一种路径一致的衰减层析成像方法。在这种方法中，用于计算首次到达走时的传播路径、用于构建衰减核的射线-单元走时权重以及通过对数谱比分析提取的衰减敏感观测数据被结合到同一个物理正向模型中。这建立了从测量的谱衰减到衰减参数空间分布之间的直接且物理上一致的映射。
第二个贡献是明确区分并处理了两种不同的重建误差来源。路径依赖的核构建减少了由异质传播引起的正向模型误差，而GSR通过抑制噪声放大和空间孤立的伪影稳定了稀疏和视场有限的反问题。这些贡献是分别评估的，而非仅从整个框架的最终性能中推断出来的。直线射线/SPM/FSM/DSPM的比较分离了传播路径建模的影响，而仅使用SART/SART-GSR的对比则分离了在相同噪声条件下GSR的独立贡献。
本研究的主要贡献总结如下：(1) 建立了一个路径一致的衰减正向模型，在该模型中，异质介质的射线几何形状、射线-单元走时权重和对数谱比观测数据在同一物理框架内进行了关联。(2) 将正向模型不一致性和反解不稳定性视为两种不同的误差来源。路径依赖的核构建解决了前者问题，而GSR则解决了在数据稀疏和视场有限情况下的反问题。(3) 通过受控比较验证了路径建模和GSR各自的贡献。传播模型实验评估了射线路径表示的效果，而仅使用SART/SART-GSR的对比则展示了GSR的独立贡献。(4) 通过多级噪声测试、速度模型扰动实验和四折空间交叉验证对框架的鲁棒性和工程适用性进行了评估。
章节片段
正向建模
与均匀介质不同，地震波在复杂介质中沿曲线路径传播，这使得层析核的构建变得复杂[27]。层析核的准确性直接影响正向建模的传播路径与实际波传播行为之间的一致性，因此对重建的准确性和稳定性起着关键作用。因此，准确描述射线路径和可靠构建层析核非常重要。
仿真验证
为了定量评估不同射线追踪方法在复杂地下结构反演成像中的性能，进行了数值仿真验证。
结论
本研究开发了一种基于表面加速度测量的浅层地下特征分析的路径一致衰减层析成像框架。其主要方法学贡献是将异质介质的传播路径、射线-单元走时权重和对数谱比衰减观测数据在同一个正向模型中统一起来。这种公式使得测量的谱衰减能够直接与地下空间的分布相关联。
作者贡献声明
刘瑞：撰写——审稿与编辑，原始草稿。苗金松：方法论研究，调查。陈凯：软件开发，数据管理。吴世文：撰写——原始草稿，软件开发。马冠胜：验证，监督。李健：可视化，验证，资金争取。
资助
本研究得到了以下资助：中国国家自然科学基金（项目编号：62271453和62101512），中央地方项目支持（项目编号：YDZJSX2024D031），山西省青年学术领袖计划（项目编号：2024Q022），山西省专利转化专项计划（项目编号：202405004）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62271453）的资助，部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62101512）的资助，部分得到了中央地方项目支持（项目编号：YDZJSX2024D031）的资助，部分得到了山西省青年学术领袖计划（项目编号：2024Q022）的资助，以及山西省专利转化专项计划（项目编号：202405004）的资助。
刘瑞 | 苗金松 | 陈凯 | 吴世文 | 马冠胜 | 李健
