基于希爾伯特變換的Chirp信號(hào)淺地層剖面數(shù)據(jù)分析及轉(zhuǎn)換

鄭紅波 ，閻 貧 ，王彥林 ，邢玉清

（1.中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心，廣東 廣州 510640）

基于希爾伯特變換的Chirp信號(hào)淺地層剖面數(shù)據(jù)分析及轉(zhuǎn)換

鄭紅波1,2，閻 貧1，王彥林1，邢玉清1

（1.中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心，廣東 廣州 510640）

淺地層剖面系統(tǒng)在海洋工程勘察、海洋礦產(chǎn)資源探測等方面發(fā)揮著重要的作用。美國EdgeTech公司生產(chǎn)的3200系列是一種應(yīng)用較為廣泛的Chirp信號(hào)淺地層剖面系統(tǒng)，該儀器原始記錄的JSF格式數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的SEGY地震數(shù)據(jù)格式存在很多不同的地方，具體體現(xiàn)在文件頭和道頭部分，特別是數(shù)據(jù)記錄方式上它同時(shí)記錄了包絡(luò)信號(hào)和振幅信號(hào)兩種類型的數(shù)據(jù)。因此，編寫適用的C程序代碼將JSF原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包絡(luò)信號(hào)和振幅信號(hào)兩種類型的SEG-Y標(biāo)準(zhǔn)地震數(shù)據(jù)，并運(yùn)用該程序讀取并轉(zhuǎn)換了南海北部某區(qū)域的實(shí)測淺剖數(shù)據(jù)，并分析了淺剖資料解釋中采用包絡(luò)信號(hào)數(shù)據(jù)的原因，為利用振幅信號(hào)數(shù)據(jù)反演海底反射系數(shù)等后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

Chirp信號(hào)淺剖儀；希爾伯特變換；格式轉(zhuǎn)換

淺地層剖面儀是用來探測海底（或者湖底和河底）淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造或人為對(duì)象的（沉船、管線）位置、大面積勘測海底沉積層底質(zhì)類型[1-2]的主要儀器。它可以探測海底以下非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，最新的線性調(diào)頻聲納淺地層剖面儀（Chirp信號(hào)），其垂向分辨率達(dá)到厘米級(jí)別，穿透深度大[3]。通過淺地層剖面記錄，能判別海底的反射強(qiáng)度、沉積基底和水動(dòng)力條件，識(shí)別海底淺層的地質(zhì)構(gòu)造，如精細(xì)的海底地形、海底滑坡、斷層、海底麻坑、丘狀沉積體、泥底辟沉積等淺層結(jié)構(gòu)和沉積特征[4-6]。在海洋工程勘察、海底沉積物分類、海底礦產(chǎn)資源探測（富鈷結(jié)殼和天然氣水合物）等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Chirp信號(hào)淺地層剖面數(shù)據(jù)是基于希爾伯特（Hilbert）變換的解析信號(hào)的包絡(luò)，它類似于地震數(shù)據(jù)處理中的瞬時(shí)振幅，它正比于該時(shí)刻地震信號(hào)總能量的平方根，利用這種特征便于確定特殊巖層的變化，因此才廣泛應(yīng)用于海洋沉積層探測的淺地層剖面數(shù)據(jù)中，但包絡(luò)信號(hào)不能用于物性解釋或與物性相關(guān)的計(jì)算中。而利用Chirp信號(hào)的真振幅信息可以反演計(jì)算出海底的反射系數(shù)，進(jìn)而可以定量的對(duì)海底底質(zhì)進(jìn)行分類，國外學(xué)者已經(jīng)在這方面進(jìn)行了很多的研究工作并取得了很好的效果。因此，通過對(duì)Chirp信號(hào)淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，編寫解析信號(hào)與包絡(luò)信號(hào)這兩種淺剖數(shù)據(jù)記錄方式的轉(zhuǎn)換，并將之轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的SEGY地震數(shù)據(jù)，使它們能被導(dǎo)入到地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及反演等工作。

1 方法

1.1 Hilbert變換的理論基礎(chǔ)

希爾伯特（Hilbert）變換是一種在數(shù)字信號(hào)處理中常用的信號(hào)處理方法，它廣泛應(yīng)用于電子儀器、工業(yè)自動(dòng)化、地震勘探等行業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理過程中[7-9]。

一個(gè)實(shí)信號(hào)x(t)的希爾伯特變換定義為：

于是得到x(t)的解析信號(hào)：

g(t)的幅值為：

即為原始信號(hào)x(t)的包絡(luò)。

淺剖儀通過自激自收的方式記錄的實(shí)際振幅信號(hào)為x(t)，記錄的包絡(luò)信號(hào)為A(t)。

1.2 淺剖數(shù)據(jù)格式說明

文中所用的Chirp信號(hào)淺地層剖面儀是美國EdgeTech公司生產(chǎn)的3200，該型號(hào)的淺剖儀采用的是JSF為擴(kuò)展名的原始數(shù)據(jù)文件[10]，該類型數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于該公司生產(chǎn)的海底地質(zhì)調(diào)查設(shè)備中（如低頻、高頻旁掃聲納、淺剖儀等）。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的*.JSF文件的格式結(jié)構(gòu)如圖1（A）所示，標(biāo)準(zhǔn)的SEG-Y文件格式結(jié)構(gòu)如圖1（B）所示。

圖1 JSF與SEG-Y數(shù)據(jù)文件格式結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可以看出，一個(gè)完整的JSF數(shù)據(jù)由一系列的記錄道數(shù)據(jù)塊組成。每個(gè)記錄道數(shù)據(jù)塊包括3個(gè)部分，第1部分為16個(gè)字節(jié)的消息頭文件（Message Header），主要記錄了數(shù)據(jù)類型、儀器類型、該道數(shù)據(jù)大小等信息，表1為該部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明；第2部分為240字節(jié)的頭文件（Header），由一些4字節(jié)和2字節(jié)二進(jìn)制整型數(shù)組成，主要記錄了儀器測量的炮號(hào)、數(shù)據(jù)格式（包絡(luò)數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)）、導(dǎo)航信息（經(jīng)緯度等）、采樣間隔、采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、權(quán)重系數(shù)等信息，表2為該部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明；第3部分為數(shù)據(jù)塊文件，所有的數(shù)據(jù)都由16位2字節(jié)的整型數(shù)據(jù)組成。當(dāng)Header文件中的數(shù)據(jù)格式為包絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等于采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；當(dāng)數(shù)據(jù)格式為解析數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)采樣點(diǎn)包含2個(gè)數(shù)據(jù)（實(shí)部和虛部），因此數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等于采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的2倍；當(dāng)儀器類型為淺剖儀時(shí)，數(shù)據(jù)格式一般默認(rèn)是解析數(shù)據(jù)。假設(shè)在數(shù)據(jù)塊文件中讀取的某個(gè)數(shù)據(jù)值為整數(shù)M，該道的權(quán)重系數(shù)為N，該位置上實(shí)際的數(shù)據(jù)值應(yīng)為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)A，則A=M*2-N即為儀器記錄的實(shí)際數(shù)值。

1.3 讀取方法與轉(zhuǎn)換程序

前面介紹了JSF文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為了方便廣大研究人員的使用，這里給出了一個(gè)讀取JSF格式淺剖數(shù)據(jù)并將之轉(zhuǎn)換成包絡(luò)數(shù)值和實(shí)際振幅數(shù)值的SEGY格式數(shù)據(jù)的C語言程序范例。為減少篇幅，僅給出關(guān)鍵語句，未對(duì)特殊情況作判斷處理。假設(shè)程序打開的是一個(gè)JSF格式淺剖數(shù)據(jù)文件，其文件指針為fp1，輸出的包絡(luò)數(shù)值SEGY格式數(shù)據(jù)文件指針為fp2，輸出的振幅數(shù)值SEGY格式數(shù)據(jù)文件指針為fp3，這里定義最大數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為65 536。其主程序主要代碼如下：

表1 JSF數(shù)據(jù)消息頭文件（Message Header）部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及說明

表2 JSF數(shù)據(jù)頭文件（Header）部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及說明

限于篇幅的原因，只給出了程序的框架，在此基礎(chǔ)上其他研究學(xué)者和用戶很容易將其擴(kuò)充為一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換程序，將Edgetech3200型淺剖儀JSF原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包絡(luò)信號(hào)和真振幅信號(hào)兩種類型的微機(jī)格式的SEG-Y地震數(shù)據(jù)，對(duì)于UNIX用戶，只要稍作改動(dòng)即可。

2 結(jié)果

運(yùn)行上述程序?qū)δ虾１辈繓|沙海域某段JSF淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并分別轉(zhuǎn)換為包絡(luò)信號(hào)和振幅信號(hào)兩種形式的SEG-Y數(shù)據(jù)。圖2和圖3分別為兩種信號(hào)的SEG-Y數(shù)據(jù)在地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中顯示出來的剖面圖。從兩張海底地層剖面圖中可以發(fā)現(xiàn)，包絡(luò)信號(hào)的海底反射剖面圖主要的地層層位比較清晰，而振幅信號(hào)的剖面圖上地層層位則比較模糊，很難分辨出主要的地層層位，如圖2中方框所示部分；而對(duì)同一地層層位中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，包絡(luò)信號(hào)的剖面顯示就比較模清晰的顯示出來，這就是我們一般采用包絡(luò)信號(hào)的淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解釋的原因。

圖2 包絡(luò)信號(hào)SEG-Y數(shù)據(jù)的剖面顯示

3 結(jié)論

通過對(duì)Edgetech3200型淺剖儀文件存貯格式的分析，可糊，而振幅信號(hào)的剖面顯示則較為清晰，如圖2中橢圓中所示部分。我們知道，淺剖儀所使用的聲波震源頻率一般很高，范圍從幾十至幾百kHz之間，經(jīng)過地層反射回來后的振幅信號(hào)主頻也較高，可達(dá)幾千赫茲，因此它對(duì)地層結(jié)構(gòu)的微小變化反應(yīng)比較靈敏，能分辨層內(nèi)較為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，這種對(duì)地層結(jié)構(gòu)變化反應(yīng)的“過度靈敏”使得主層位的大振幅及其鄰近的內(nèi)部層位的小振幅混合在一起，從而使主層位附近振幅“毛刺”過多從而難以清晰的辨別；而經(jīng)過希爾伯特變換后的包絡(luò)信號(hào)則主頻大大降低，只有幾百赫茲，它忽略了地層內(nèi)部的細(xì)微變化，過濾了這些“毛刺”，從而使主地層層位較為以更充分地了解該型淺剖儀數(shù)據(jù)的內(nèi)部機(jī)制，從而更好地利用這些信息進(jìn)行二次開發(fā)。將淺剖儀記錄的原始記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包絡(luò)信號(hào)和振幅信號(hào)兩種形式的SEG-Y數(shù)據(jù)，既分析了包絡(luò)信號(hào)數(shù)據(jù)在地質(zhì)解釋上的優(yōu)勢，又為利用振幅信號(hào)數(shù)據(jù)反演海底沉積物反射系數(shù)、孔隙度等后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

圖3 振幅信號(hào)SEG-Y數(shù)據(jù)的剖面顯示

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[10]Edge Tech.Description ofThe Edgetech(.jsf)File Format,2009.

Sub-bottom Profile Data Analysis and Transformation for the Chirp Signal Based on Hilbert Transform

ZHENG Hong-bo1，2,YAN Pin1,WANG Yan-lin1,XING Yu-qing1
(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510301,China;2.Guangzhou Center for Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Sub-bottom profile system has played an important role in the marine engineering survey,exploration of marine mineral resources,et al.The kind of 3200 series sub-bottom profile system produced by EdgeTech Company of America is a widely used sub-bottom profile based on chirp signal.The JSF format is very different from the standard SEG-Y format,embodied on file header and trace header.Especially,the original data of JSF format include amplitude data and envelop data.At the same time,the code of program with C language is compiled to read the original data of JSF format and transform the data to two types of seismic data of SEG-Y format.Finally,practical data in the northern South China Sea was read and converted by the program.The reason why envelop data profile was adopted to interpret sea-bottom geological structure was explained,which has established foundation for inversion of seabed reflection coefficient with the amplitude data.

Chirp signal sub-bottom profile system;Hilbert transform;format transform

P736

B

1003-2029（2012）01-0091-05

2011-08-12

中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心開放基金資助項(xiàng)目（CASHYD07s2）；中國科學(xué)院聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（SLKOA201106）；973課題“南海中生代主動(dòng)邊緣的構(gòu)造系統(tǒng)、盆地改造及油氣資源潛力”（2007CB411706）

鄭紅波（1981-），男，碩士，主要從事海洋地球物理研究。Email：hongbozheng@china.com.cn