浅层地下速度结构成像对城市安全与可持续发展至关重要，涉及地质灾害监测、地震风险评估及地下空间开发等多个领域。传统背景噪声成像技术虽能实现高分辨率成像，但在城市复杂环境中面临部署困难、成本高昂及空间分辨率受限等挑战。分布式声波传感（DAS）技术因其高时空分辨率、低成本和大规模覆盖潜力成为新兴解决方案，但仍存在光纤与地面耦合不佳和波场方向敏感性等技术瓶颈。
沿幕府山邻近道路布设线性光缆，采用0.5m道间距、2m标距、500Hz采样率的设置，由MS-DAS2000解调仪采集数据。为确保数据质量，采用石膏耦合将铠装振动传感光缆直接固定于路面。为验证地质特征，设置3个钻孔，分别钻探至63m、77m和36m深度，提供测井和岩心样本等地质数据。
图1 研究区域概况
进行24h连续环境噪声分析，计算单道的功率谱密度PSD，发现10Hz处存在明显峰值，且噪声水平呈现显著的昼夜波动特征。交通高峰期噪声水平显著升高，而夜间时段则明显降低。通过短时傅里叶变换STFT进一步分析表明，城市环境噪声主要来源于人类活动，特别是交通噪声。选取环境噪声较高的11:00至18:00时段的数据进行后续处理，以确保足够的信噪比。
图2 基于DAS单道数据的24小时环境噪声时频分析图
计算噪声互相关函数，采用Bensen等人提出的方法，将连续记录分割为15s片段，降采样至100Hz后进行50Hz低通滤波和谱白化处理。随着叠加时间的增加，面波信号清晰度显著提升，约6h叠加后信噪比趋于稳定。获得的噪声互相关函数显示出45m/s至830m/s的地震波速度范围，主要反映瑞利波活动。
采用改进的频率-贝塞尔变换方法（F-J），通过汉克尔函数替代贝塞尔函数并结合梯形积分方案，有效抑制高频交叉伪影并提升计算效率。基于不同阵列尺度的对比分析，选择合适观测尺度提取瑞利波频散曲线，在保证探测深度需求的同时兼顾横向分辨率。
图3 采用F-J方法分析的DAS背景噪声频散谱图
反演采用竞争粒子群优化算法（CPSO）得到一维横波速度结构，反演参数包括各层厚度和横波速度范围，参数关系采用经验公式计算。反演误差misfit较低，显示反演过程稳定。
通过拼接多段一维速度曲线并采用克里金插值构建二维横波速度剖面，与钻孔数据对比显示填土层波速较低且厚度不均，白云岩层波速显著升高，中深部存在低速带，解释为岩溶溶蚀区，深层界面起伏明显，揭示高度发育的岩溶破碎带。结果与钻孔资料及工程地质参数一致。
图4 结合B2与B3钻孔数据的二维深度-横波速度剖面图
DAS技术在城市地下成像中具有显著优势。通过对环境噪声数据的时频特征分析，为基于噪声成像的短期工程应用提供依据。结合互相关函数和F-J方法提取频散曲线，采用CPSO方法反演得到横波速度剖面，结果与钻孔数据高度吻合，有效揭示了地层结构与岩溶发育特征。验证了路面石膏耦合光缆获取高质量数据的可行性，其非破坏性监测手段结合先进数据处理方法为光纤地震学提供了新思路，提高了城市地质灾害防控能力。
该成果在近期以“Characterization of shallow karst zones using distributed acoustic sensing and ambient noise tomography: a case study in Mufu Mountain, China”为题，发表于工程地质领域顶级期刊《Engineering Geology》，硕士研究生廖海洋为论文第一作者，张丹教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省交通运输科技与成果转化项目的资助。