深拖數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究與運用

朱友生 羅進(jìn)華

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451）

朱友生，羅進(jìn)華.深拖數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究與運用［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：116-121.

采用傳統(tǒng)的船載或拖曳裝備方式在深水區(qū)進(jìn)行工程勘察時，由于調(diào)查設(shè)備的傳感器與調(diào)查目標(biāo)之間距離較大，致使采集的數(shù)據(jù)分辨率、精度和探測深度都大大降低，無法滿足深水油氣構(gòu)筑物工程設(shè)計和施工的需要［1］。深拖（Deep-tow，DT）調(diào)查是將1種或幾種海洋調(diào)查儀器進(jìn)行組合安裝在一條深水拖體上，通過將拖體沉放到預(yù)定深度來減少水體對儀器探測效果影響的一種深水工程物探方法［2］。深拖拖體在水下的深度超出了船生噪音和海面湍流的影響范圍，拉近了調(diào)查設(shè)備與探測海底之間的距離，有效消減了海水內(nèi)的吸收和聲束散射引起的信號損失，最大程度地降低了虛假反射，提高了采集數(shù)據(jù)的分辨率、密度和精度，但同時也給其數(shù)據(jù)后處理帶來了一些問題，主要有定位數(shù)據(jù)不穩(wěn)定造成測量結(jié)果誤差增大、側(cè)掃聲吶圖像呈現(xiàn)非海底底質(zhì)因素造成的灰度不均衡、側(cè)掃聲吶資料中海底跟蹤不準(zhǔn)確造成盲區(qū)消除不干凈、拖體在水下起伏變化造成淺地層剖面資料中存在海底假起伏等，因此使用常規(guī)的處理方法處理深拖數(shù)據(jù)難以取得較好的效果。本文針對深拖調(diào)查采集數(shù)據(jù)的特點，在自主程序開發(fā)的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的解決方法，并在實際應(yīng)用中有效提高了深拖采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。

1 深拖定位數(shù)據(jù)處理

深拖在水下的坐標(biāo)是通過超短基線（Ultra Short Base line，USBL）水下聲學(xué)定位系統(tǒng)提供的，計算拖體水下坐標(biāo)的主要參數(shù)是USBL探頭至拖體的距離和相對方位角。由于現(xiàn)場測量環(huán)境和測量設(shè)備等因素的影響，USBL水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測得目標(biāo)的距離和相對方位角數(shù)據(jù)都具有不同程度的隨機(jī)離散性［3］，在深拖數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為定位數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。這種定位數(shù)據(jù)不穩(wěn)定對多波束測深和側(cè)掃聲吶圖像數(shù)據(jù)有著較大的影響，會造成深度值和圖像偏離實際位置，使測量誤差增大，在地形起伏區(qū)域尤其明顯。為了反映水下拖體真實運動軌跡的變化，使測得的地形地貌特征及淺地層剖面與實際位置相對應(yīng)，需要對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性處理，最終實現(xiàn)提高測量精度和質(zhì)量的目的。

針對深拖數(shù)據(jù)的上述特點，本文提出的處理方法是：①從原始定位數(shù)據(jù)中提取時間及其對應(yīng)的坐標(biāo)信息；②對二維坐標(biāo)進(jìn)行一次中值濾波［3］，以剔除跳動過大的點（錯誤定位數(shù)據(jù)）；③對二維坐標(biāo)進(jìn)行兩次均值平滑［4-5］，以反映水下拖體運動趨勢；④從淺地層剖面、側(cè)掃聲吶和多波束的原始數(shù)據(jù)里提取每道或每個脈沖激發(fā)（Ping）對應(yīng)的時間，根據(jù)第3步中已平滑的坐標(biāo)插值計算該道或該P(yáng)ing對應(yīng)的坐標(biāo)；⑤根據(jù)時間將插值后的坐標(biāo)重新寫入原始數(shù)據(jù)中。從處理前后的對比效果圖（圖1）可以看出，平滑濾波后的定位數(shù)據(jù)波動性大大減小，更符合水下拖體的真實運動軌跡變化規(guī)律。

圖1 南海北部陸坡區(qū)域拖體的原始航跡（a）和處理后的航跡（b）Fig.1 Original（a）and post processed（b）track lines of DT in the continental slope area in the north of South China Sea

平滑濾波參數(shù)的選取應(yīng)遵循下列幾個原則：①深拖拖體由數(shù)十米長、具有緩沖減震的臍帶纜拖曳，其處理后的航跡應(yīng)相對穩(wěn)定；②應(yīng)能反映原始定位數(shù)據(jù)的趨勢；③由平滑后的定位數(shù)據(jù)處理生成的聲吶鑲嵌圖、多波束地形圖和相鄰測線測得的位置誤差應(yīng)盡量小。圖2展示了南海北部陸坡區(qū)域原始定位數(shù)據(jù)及不同平滑濾波參數(shù)的平滑結(jié)果，其中參數(shù)1局部不滿足第1條原則，參數(shù)3則過于平滑，而使用參數(shù)2進(jìn)行平滑后則滿足以上3點要求。

圖2 南海北部陸坡區(qū)域原始定位數(shù)據(jù)及不同平滑濾波參數(shù)的平滑結(jié)果Fig.2 Original navigation data and its smooth results using different smooth parameters in the continental slope area in the north of South China Sea

將南海北部陸坡區(qū)域多波束資料定位數(shù)據(jù)重新平滑調(diào)整后，測深值和實際位置偏差大大減小，相鄰測線測得水深一致性大為改善，更符合南海北部陸坡區(qū)域地形實際變化趨勢（圖3）。

圖3 使用原始定位數(shù)據(jù)處理（a）和使用平滑后定位數(shù)據(jù)處理（b）的南海北部陸坡區(qū)域多波束地形圖Fig.3 Multi-beam terrain image produced by original navigation data（a）and smoothed navigation data（b）in the continental slope area in the north of South China Sea

2 側(cè)掃聲吶圖像處理

針對深拖采集的側(cè)掃聲吶資料中普遍存在側(cè)掃聲吶圖像呈現(xiàn)非海底底質(zhì)因素造成的灰度不均衡、海底跟蹤不準(zhǔn)確造成的盲區(qū)消除不干凈等問題，本文提出了相應(yīng)的處理方法。

2.1 灰度均衡

聲波回波強(qiáng)度主要受到海洋環(huán)境噪聲和聲波在傳播過程中能量衰減、聲波掠射角、波束指向性、海底底質(zhì)的反向散射能力等因素的影響，其中海底底質(zhì)的反向散射能力是主要關(guān)注的，其他幾個因素影響也應(yīng)盡量消除。一般采用時變增益（Time Variant Gain，TVG）來消除距離對回波強(qiáng)度的影響，把灰度調(diào)整到相對恒定水平，但由于很難完全和衰減過程一致，有時效果并不是很理想，還有可能會造成新的灰度畸變［6-9］（圖4）。

圖4 南海北部陸坡區(qū)域側(cè)掃聲吶時變增益的結(jié)果Fig.4 Side scan sonar record using time varying gain（TVG）in the continental slope area in the north of South China Sea

為了消除灰度畸變，本文借鑒了國外學(xué)者對多波束反向散射強(qiáng)度隨入射角變化的研究方法。J E Hughes Clarke［10］在研究95 k Hz頻率多波束反向散射強(qiáng)度隨波束角度變化的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著波束角的變化，反向散射強(qiáng)度會呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化，且不同底質(zhì)類型的散射曲線存在微小差異，即所謂的“角度響應(yīng)曲線”。本文通過統(tǒng)計學(xué)方法得出了側(cè)掃聲吶的角度響應(yīng)曲線，并根據(jù)這一曲線進(jìn)行了振幅強(qiáng)度補(bǔ)償，以抵消由于入射角度不同導(dǎo)致的散射強(qiáng)度差異。采用的方法如下：

1）得出角度響應(yīng)曲線。由于單Ping存在較大隨機(jī)性，因此需要在底質(zhì)單一區(qū)域選擇一定數(shù)量的Ping用于平均。經(jīng)驗表明，50 Ping的數(shù)據(jù)即能較好地反映出角度響應(yīng)曲線。由于局部區(qū)域底質(zhì)較均勻，為更好地壓制隨機(jī)噪音，本文使用了200 Ping的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。

2）根據(jù)角度響應(yīng)曲線進(jìn)行振幅強(qiáng)度補(bǔ)償，即對信號振幅強(qiáng)度較大的區(qū)域乘以較小的補(bǔ)償系數(shù)，對振幅強(qiáng)度較小的區(qū)域乘以較大的補(bǔ)償系數(shù)，使信號振幅強(qiáng)度達(dá)到相對恒定的水平?；叶雀恼?，聲吶圖像處于一個灰度值相對恒定的背景中，突出了目標(biāo)物（圖4、5中紅色橢圓內(nèi)的3個點狀特征）。

以上是針對單側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理。實際上，左右配重不均等多種原因經(jīng)常會造成水下拖體姿態(tài)呈一定角度的傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致左右通道幅值不同。在這種情況下，要對左右通道分別進(jìn)行幅值補(bǔ)償處理。

圖5 使用本文方法對南海北部陸坡區(qū)域側(cè)掃聲吶圖像進(jìn)行灰度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果Fig.5 Side scan sonar record after gray balance in the continental slope area in the north of South China Sea using the method in this paper

2.2 海底追蹤

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集得到的資料中記錄了拖體高度，但由于海流和環(huán)境噪聲等對拖曳式拖體的位置和姿態(tài)影響很大，造成記錄的拖體高度不準(zhǔn)確，尤其是在噪聲很強(qiáng)或者海底地形起伏變化較大時。常規(guī)側(cè)掃聲吶處理軟件斜距改正時產(chǎn)生不等比例拉伸，距離拖體正下方越近，拖體越高，拉伸越大。深拖采集時，拖體到海底的距離一般在70～100 m之間，由海底跟蹤不準(zhǔn)確而造成的拖體正下方處位置誤差較大。如圖6a所示，由于南海北部陸坡區(qū)域海底附近存在“毛刺”狀干擾（圖6a右上角局部放大圖中紅色箭頭處），造成數(shù)據(jù)中記錄的拖體高度偏低；斜距改正后在拖體正下方留下較大空白（圖6b），也造成聲吶圖像地理編碼時位置不準(zhǔn)確。

現(xiàn)有很多比較成熟的算法可以實現(xiàn)對海底的準(zhǔn)確追蹤［11-13］。本文采用能量比值法與滾動時窗法相結(jié)合的方法，并對相鄰Ping的搜索范圍設(shè)定一個閾值，在南海北部陸坡區(qū)域海底追蹤實踐中取得了較好的效果，如圖7所示。

圖8為南海北部陸坡區(qū)域使用TVG和采集時記錄的拖體高度數(shù)據(jù)處理生成的聲吶鑲嵌圖和使用本文方法進(jìn)行幅值補(bǔ)償和海底追蹤后生成的聲吶鑲嵌圖。可以看出，使用本文方法進(jìn)行幅值補(bǔ)償和海底追蹤后生成的聲吶鑲嵌圖不僅色調(diào)均勻，消除了非海底底質(zhì)因素造成的影響，而且斜距改正后在拖體正下方留下的空白區(qū)大大減小，聲圖地理編碼時位置更準(zhǔn)確，更有利于地貌特征的識別和解譯。

圖6 南海北部陸坡區(qū)域側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集時記錄的高度（紅線）（a）及使用該數(shù)值進(jìn)行斜距改正的結(jié)果（b）Fig.6 The recorded altitude（red line）（a）in the side scan sonar data acquisition in the continental slope area in the north of South China Sea and after slant range correction with the recorded altitude（b）

圖7 使用本文方法對南海北部陸坡區(qū)域的海底追蹤結(jié)果Fig.7 Seafloor tracing result in the continental slope area in the north of South China Sea using the method in this paper

圖8 南海北部陸坡區(qū)域聲吶鑲嵌圖Fig.8 Side scan sonar mosaic image in the continental slope area in the north of South China Sea

3 淺地層剖面海底歸位矯正處理

深拖調(diào)查時，拖體高度的起伏變化會在淺地層剖面資料上造成海底虛假起伏。為了消除這種海底虛假起伏，將地形特征準(zhǔn)確反映在淺地層剖面上，本文采取了如下方法進(jìn)行了海底歸位矯正：先從多波束測深數(shù)據(jù)中提取淺地層剖面每道處的水深值，用實測聲速剖面轉(zhuǎn)換為時間間隔；然后利用軟件拾取淺地層剖面海底的初至反射波，根據(jù)每道處的實際水深與海底初至波之間的關(guān)系計算出每道應(yīng)延遲的時間，在每道采樣數(shù)據(jù)前填充“空白”數(shù)據(jù)，或以時延方式寫入淺地層剖面數(shù)據(jù)道頭中。

圖9 南海北部陸坡區(qū)域?qū)崪y地形及剖面交叉處（紅線）Fig.9 The measured terrain and intercrossing lines（red line）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖10 原始交叉測線的南海北部陸坡區(qū)域淺地層剖面（紅線為交叉處）Fig.10 The original sub-bottom profile of intercrossing lines（red line is interaction points）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖11 處理后交叉測線的南海北部陸坡區(qū)域淺地層剖面（紅線為交叉處）Fig.11 The post-processed sub-bottom profile of intercrossing lines（red line is interaction points）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖9～11展示的是南海北部陸坡區(qū)域2條交叉測線的海底地形及其淺地層剖面處理前后的效果。該地區(qū)地形非常平坦，水深起伏在2m之內(nèi)（圖9），但由于深拖拖體在水下起伏變化，造成海底在淺地層剖面上產(chǎn)生了虛假起伏，交叉測線無法閉合，如圖10所示。使用本文方法對該地區(qū)深拖系統(tǒng)采集的淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行海底歸位矯正處理后，不僅消除了淺地層剖面上的海底虛假起伏，而且交叉測線地層反射界面閉合良好，有利于地層層位對比和解釋分析，如圖11所示。

4 結(jié)論

1）使用本文方法對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，數(shù)據(jù)波動性大大減小，更符合水下拖體真實運動軌跡。由于使用不同的參數(shù)所得的平滑程度不同，如何選擇最佳參數(shù)，應(yīng)對不同的水深、海況等條件下采集的數(shù)據(jù)作具體分析。

2）本文對側(cè)掃聲吶圖像幅值的補(bǔ)償是基于散射強(qiáng)度隨掠射角的響應(yīng)曲線得出的，因此選擇均勻、平整區(qū)域及足夠數(shù)量的聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計是取得良好效果的關(guān)鍵。

3）淺地層剖面縱向采樣時間間隔很小（數(shù)十微秒），而地震道中以整數(shù)毫秒為單位記錄延遲，因精度不夠會造成鋸齒狀海底及地層。本文選擇將時間延遲轉(zhuǎn)換為采樣點的方法，避免了這種情況的發(fā)生，圖像質(zhì)量得到了大幅改善。

4）本文分析成果都是建立在采集數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)相互匹配的基礎(chǔ)之上，由于采集數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)通過時間匹配來相互整合，時間的不同步將會造成調(diào)查數(shù)據(jù)的位置偏離其真實位置，導(dǎo)致誤差增大，因此在調(diào)查之前應(yīng)對定位系統(tǒng)和深拖搭載的多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面的時間進(jìn)行同步處理。

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