聲學(xué)地層剖面野外數(shù)據(jù)采集幾個關(guān)鍵問題的解決

丁維鳳，蘇希華，蔣維杰，張濟(jì)博，茍諍慷，傅曉明

（1.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室，浙江 杭州310012；2.上海地海儀器有限公司，上海201612）

1 引言

海洋地質(zhì)研究、海底資源開發(fā)與海洋工程建設(shè)都需要對海底作詳細(xì)的海洋地球物理調(diào)查，聲學(xué)地層剖面探測是獲取海底淺部地質(zhì)信息的重要手段。目前我國許多單位已擁有聲學(xué)地層剖面探測的硬件設(shè)備和配套的軟件系統(tǒng)，但基本進(jìn)口國外成熟的軟硬件產(chǎn)品，如美國EdgeTech公司的系列淺剖硬件與配套的Discover采集軟件［1］、美國Benthos公司的ChirpⅢ硬件［2］與配套的 Triton 公司SB－Logger［3］和 Chesapeake公司Sonar Wiz［4］采集軟件等。國內(nèi)也有相關(guān)單位在做聲學(xué)地層剖面硬件產(chǎn)品的跟蹤研究與開發(fā)，如中船重工杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所與中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，其軟件產(chǎn)品都只結(jié)合本單位的硬件設(shè)備作開發(fā)，未兼容國外成熟的商業(yè)硬件，應(yīng)用推廣受到限制。

國外配套的商業(yè)采集軟件接口豐富，能接入多種國際通用的商業(yè)硬件，功能豐富，界面交互操作能力強。但也存在缺陷，有些缺陷會嚴(yán)重影響實際工作精度與效率，如GPS定位位置滯后、反射同相軸極性反轉(zhuǎn)與深水探測等缺陷，這些缺陷多次向軟件開發(fā)商反映都未解決。為避免過度依賴國外技術(shù)，我們決定從底層自主開發(fā)自己的采集和后處理解釋系統(tǒng)，重點解決國外商業(yè)軟件中存在的缺陷問題。

2 國外商業(yè)軟件的缺陷

針對美國Benthos公司生產(chǎn)的ChirpⅢ聲學(xué)地層剖面硬件產(chǎn)品，國外硬件商配備的采集系統(tǒng)主要有Triton公司的SB－Logger和Chesapeake公司的Sonar Wiz兩款軟件，美國OIC公司的Geo DAS軟件也可接入ChirpⅢ硬件產(chǎn)品，但國內(nèi)的用戶較少。SBLogger與Sonar Wiz軟件有共同的缺陷，也存在各自的其他問題，這些問題嚴(yán)重影響了我們實際工作。下面分別列舉國外商業(yè)軟件的缺陷。

2.1 強能量反射同相軸發(fā)白

海底不同底質(zhì)的地層對聲波的阻抗不同，兩層介質(zhì)間的聲波阻抗差大，聲反射就強，接收的反射振幅能量也大，反映到顯示剖面上表現(xiàn)為厚重的灰度。SB－Logger與Sonar Wiz兩款軟件在現(xiàn)場采集時反射剖面顯示正常，但回放記錄文件遇到強能量反射同相軸時都發(fā)白，發(fā)白同相軸改變了原反射波的相位與極性，嚴(yán)重影響反射信號的判讀，影響反射同相軸的自動追蹤，給后續(xù)的處理解釋帶來障礙。如圖1所示的SB－Logger軟件采集數(shù)據(jù)回放與圖2 Sonar Wiz軟件采集數(shù)據(jù)回放，兩圖中海底面反射同相軸都發(fā)白，圖2中海底面以下反射層位也出現(xiàn)同樣問題。

圖1 SB－Logger軟件采集數(shù)據(jù)回放

圖2 Sonar Wiz軟件采集數(shù)據(jù)回放

2.2 GPS導(dǎo)航定位滯后

Triton公司SB－Logger采集軟件現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，剖面上顯示的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)與導(dǎo)航計算機上顯示一致，但采集數(shù)據(jù)存儲后再回放時，剖面上顯示的導(dǎo)航定位位置與現(xiàn)場采集位置差別很大。如圖3所示，經(jīng)我們多次比較研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場采集時導(dǎo)航位置與記錄文件回放時位置相差50～60 m，時間相差20余秒。這個誤差會嚴(yán)重影響探測數(shù)據(jù)的精度，給解釋成果帶來較大的位置偏差。

圖3 GPS導(dǎo)航定位誤差

2.3 深水?dāng)?shù)據(jù)采集與存儲問題

SB－Logger軟件連接ChirpⅢ硬件時，最大探測深度不超過600 m，即記錄波長最大只有800 ms，該軟件無法記錄水深600 m以下有效數(shù)據(jù)。Chesapeake軟件雖然保持了ChirpⅢ硬件記錄6 000 m深水?dāng)?shù)據(jù)的功能，但該軟件作了數(shù)據(jù)重采樣，舍棄了許多有效采樣數(shù)據(jù)，剖面變模糊，影響地層分辨率。如圖4所示，Chesapeake軟件記錄了3 100 m水深下的有效地層反射，但做了重采樣，數(shù)據(jù)量減少，剖面反射同相軸變模糊，分辨率降低，影響海底面以下精細(xì)地層的探測。

3 問題分析與自主開發(fā)解決

針對國外商業(yè)軟件存在的缺陷，通過我們從底層自主研發(fā)，詳細(xì)分析了這些問題產(chǎn)生的原因，并找到了解決這些缺陷問題的方法。下面詳細(xì)分析上述問題，并列出我們的解決方案。

3.1 同相軸發(fā)白問題的分析與解決

聲學(xué)地層剖面控制主機的DSP 模塊一般以2字節(jié)空間接收存儲單個振幅樣點，ChirpⅢ主機現(xiàn)場采集時能發(fā)射極性與非極性兩種波形，2字節(jié)極性波其振幅大小范圍在－215～215－1（－32 768～32 767），2字節(jié)非極性波振幅大小為0～216－1（0～65 535）。國外商業(yè)采集軟件不能自動識別極性波反射信號和非極性波反射信號，只能通過人工設(shè)定告知采集系統(tǒng)。若現(xiàn)場采集按默認(rèn)的極性波模式采集存儲非極性反射回波，超過32 767大小的振幅值Windows系統(tǒng)會默認(rèn)存為小于或等于0的值，反之，若以非極性模式記錄極性反射波，小于0的振幅值系統(tǒng)會以0存儲，如圖5所示。這會破壞反射記錄的波形，一個完整的強反射波形會被分割成中間為0，兩頭突跳的碎波，完整的正負(fù)波形被破壞成只有單邊正波形的記錄，室內(nèi)回放時就會在灰度圖上出現(xiàn)圖1和圖2所示的反射同相軸發(fā)白現(xiàn)象。

解決上面問題無需按國外商業(yè)軟件所述由人工自定義極性特性，軟件完全可以自動識別判斷。關(guān)鍵是在讀取2字節(jié)振幅值時不能根據(jù)SEG－Y標(biāo)準(zhǔn)去定義短整形變量來存儲樣點值，而改用字節(jié)數(shù)組來存儲，再通過位轉(zhuǎn)換將字節(jié)數(shù)組分別轉(zhuǎn)換為2字節(jié)的符號整型與無符號整型兩變量，最后簡單判斷兩個整型變量值的差別就能識別出反射波的極性。野外數(shù)據(jù)采集時若將存儲格式定義為4字節(jié)符號變量存儲，上訴問題也不存在，但要成倍的消耗硬盤資源。圖6和圖7為利用解決方案分別調(diào)用圖1、圖2兩數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，圖6和圖7兩剖面圖都能有效顯示反射信號，反射同相軸連續(xù)，相位無突變。

3.2 導(dǎo)航定位問題分析與解決

SB－Logger采集軟件出現(xiàn)如此嚴(yán)重的導(dǎo)航定位滯后問題，經(jīng)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在Windows多線程排斥上。采集系統(tǒng)現(xiàn)場采集時需要在極短時間（毫秒級）內(nèi)完成多個任務(wù)，如實時響應(yīng)用戶交互控制指令、及時向硬件主機發(fā)送用戶指令、及時接收主機傳送的大量反射數(shù)據(jù)、實時繪制反射數(shù)據(jù)剖面圖、實時接收來自COM串口的導(dǎo)航與定位及其涌浪補償器數(shù)據(jù)等，所有這些工作都需要采集系統(tǒng)在極短時間內(nèi)做出實時響應(yīng)并完成相應(yīng)的工作，這給采集計算機帶來了很大的負(fù)擔(dān)，特別是繪制大量的反射信號剖面圖，灰度（偽彩色）運算與屏幕輸出需要消耗計算機大量的硬件資源并占用運算時間，采集系統(tǒng)若不設(shè)計合理的進(jìn)程就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或者信號堵塞，SB－Logger采集系統(tǒng)出現(xiàn)導(dǎo)航定位信息滯后就是因信號線程堵塞緣故引起。

實時采集系統(tǒng)需要采用Windows系統(tǒng)中的多線程編程來完成，其中各路數(shù)據(jù)的接收與實時存儲為最重要工作，現(xiàn)場剖面繪圖與顯示可作為次要工作來安排。SB－Logger軟件將現(xiàn)場實時繪圖與顯示作為首要工作并安排主線程來完成，而繪圖是非常繁重任務(wù)，需要耗費計算機90%以上的硬件資源，且完成計算機屏幕大小的灰度圖繪制還要耗費較長的時間（視計算機硬件配置而定），若將剖面繪制與顯示作為主線程，導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)存儲等次要線程就會受堵塞，導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)存儲滯后。剖面繪制與顯示一般只作現(xiàn)場監(jiān)控使用，剖面顯示滯后并不影響實際工作，因此將數(shù)據(jù)實時采集與存儲作為主線程，而將繪圖作為次線程來安排，采集時各路數(shù)據(jù)的存儲就不會發(fā)生堵塞滯后。圖8為采用上述解決方案研發(fā)的系統(tǒng)在現(xiàn)場采集與室內(nèi)回放同一數(shù)據(jù)時對比圖，兩圖中顯示的導(dǎo)航定位位置一致，未發(fā)生信息滯后現(xiàn)象。

3.3 深水?dāng)?shù)據(jù)采集問題解決

為響應(yīng)我國向深海發(fā)展的需要，深水探測必不可少。目前針對ChirpⅢ硬件開發(fā)了深水功能的只有Sonar Wiz軟件，但該軟件為了能用標(biāo)準(zhǔn)SEG－Y格式存儲深水反射數(shù)據(jù)，采取了重采樣減少數(shù)據(jù)量的方法，這樣處理會降低剖面的縱向分辨率。為了保持原始數(shù)據(jù)量，我們需要采用其他格式存儲反射數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)SEG－Y格式受2字節(jié)符號短整型變量的限制，單個記錄道最多只能存儲32 767（215－1）個樣點，當(dāng)水深達(dá)到1 000 m時，記錄波長需要1 500 ms，按32μs間隔采樣，單個Ping數(shù)據(jù)采樣點就超過47 000個，已超出SEG－Y格式的存儲范圍，水深6 000 m時，記錄波長需要8 s，采樣點數(shù)達(dá)到250 000個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出SEG－Y格式要求。若要存儲超過600 m的深水反射數(shù)據(jù)，我們可以采用XTF格式［5］，XTF格式單個Ping最多可以存儲231－1個樣點，足夠容納探測萬米水深數(shù)據(jù)量。圖9為研發(fā)系統(tǒng)采用XTF格式存儲超過3 300 m水深原始數(shù)據(jù)的回放，因數(shù)據(jù)未進(jìn)行重采樣，微細(xì)反射層顯示清晰，縱向分辨率得到保持。

深水探測光有縱向分辨率還不夠，還需要考慮橫向分辨率的問題。在深水區(qū)，若發(fā)射記錄波長為8 s，采用一次發(fā)射單個Ping的方法采集記錄數(shù)據(jù)，調(diào)查船若以2 m／s的速度航行，探測剖面水平分辨率為16 m，實際工作會達(dá)到20 m以上，如此大的水平間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高分辨率探測的要求。為解決水平分辨率的問題，國外儀器商提出了Multi Ping探測技術(shù)，原理為聲學(xué)換能器一次向海底下連續(xù)發(fā)射多個Ping（如10個甚至更多），而采集軟件可以按固定的時間間隔（如1 s）連續(xù)接收前面Ping反射回的有效數(shù)據(jù)［6—7］，這樣可以彌補單個Ping長時間記錄在水平分辨率上的缺陷。

4 總結(jié)

聲學(xué)地層剖面探測是海洋地質(zhì)與地球物理學(xué)研究的重要手段，探測精度與效率非常重要。國外商業(yè)軟件經(jīng)我們多年的使用，發(fā)現(xiàn)存在幾個關(guān)鍵的缺陷，如強能量反射同相軸在灰度圖上顯示發(fā)白，GPS導(dǎo)航定位信息存在嚴(yán)重的位置滯后，深水探測國外軟件不完善或未開發(fā)相應(yīng)功能等，這些缺陷已嚴(yán)重影響了我們的實際工作。

為查清國外商業(yè)軟件存在上訴問題的根源，我們通過多年的研究與開發(fā)，找到了缺陷問題的原因所在。反射同相軸發(fā)白因字節(jié)存儲引起，GPS位置滯后因Windows線程排斥引起，深水探測受SEG－Y格式限制。針對這些問題，文中提出了對應(yīng)的解決方法，所提解決方法經(jīng)實際數(shù)據(jù)測試正確可靠，在實際工作中已獲得了廣泛的應(yīng)用。

［1］EdgeTech Corporation.Discover SUB－BOTTOM Technical ＆user’s manual，Revision：2.2［OL］.USA，2005.http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／sub－bottom－profiling－systems（2013－11－25）

［2］Benthos Corporation.CAP－6600 ChirpⅡAcoustic Profiling System Manual［OL］.USA，1996.http：／／www.benthos.com／＿doc／main／Brochures＿Datasheets／elp362D＿＿001815＿＿rev＿L.pdf（2013－11－25）

［3］Triton Corporation.Triton SB－Logger user’s manual［OL］.USA，2008.http：／／www.tritonimaginginc.com／site／content／soft ware／brochures／TII＿08＿SBLogger.pdf（2013－11－25）

［4］ChesaPeake Technology Inc.Sonar Wiz.MAP User’s Guide［OL］.USA，2007.http：／／chesapeaketech.com／docs／CTI－SBP－Datasheet.pdf（2013－11－25）

［5］丁維鳳，馮霞，傅曉明，等.多波束XTF格式數(shù)據(jù)航向信息重寫入實例［J］.海洋通報，2011，30（1）：1－6.

［6］Edge Tech Corporation.Supporting Multiple Pings in the water with Edge Tech Sonars Mannual［OL］.USA，2005.Http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／sub－bottom－profiling－systems（2013－11－25）

［7］Edge Tech Corporation.3300：Hull Mount Sub－Bottom Profiler［OL］.USA，2005.Http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／subbottom－profiling－systems（2013－11－25）