淺地層剖面儀噪聲特征分析及采集參數(shù)優(yōu)選

張彬彬趙國興吳永亭張道建張海泉孫 楊劉 凱

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

淺地層剖面探測是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法[1]。由于其具有配置靈活、作業(yè)方便、經(jīng)濟(jì)高效、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),在海洋科考調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用[2],其應(yīng)用范圍涉及海洋地質(zhì)科學(xué)研究[3-4]、海底資源調(diào)查[5-7]、海洋工程[8-11]等方面,成為海洋地球物理調(diào)查必備的基礎(chǔ)設(shè)備。而由于淺地層剖面儀作業(yè)時受到各種噪聲干擾,采集的數(shù)據(jù)信噪比較低、剖面的數(shù)據(jù)精度低,影響了探測深度與分辨率,給后續(xù)的解釋工作增加了難度[12]。目前,一方面,雖然淺地層剖面儀儀器檢測與評價方法已有相應(yīng)研究[13],但缺乏對設(shè)備安裝及運(yùn)行環(huán)境定量評價；另一方面,淺地層剖面儀數(shù)據(jù)處理方法多參照常規(guī)地震資料處理的方法,如自動增益、帶通濾波、多域去噪、涌浪改正、反褶積、補(bǔ)償技術(shù)、多次波壓制等[14-19],很少根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集條件以及數(shù)據(jù)噪聲特點(diǎn)進(jìn)行針對性處理,缺乏對數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集條件的定量評估。本文根據(jù)噪聲的機(jī)理,采集作業(yè)過程中的干擾噪聲,分析噪聲特征,提出現(xiàn)場采集參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化方案,以降低噪聲干擾,提高淺地層剖面數(shù)據(jù)資料采集質(zhì)量。

1 噪聲干擾機(jī)理分析

根據(jù)噪聲的形成機(jī)理,可將噪聲分為環(huán)境噪聲和有源噪聲,前者是由設(shè)備的安裝及運(yùn)行環(huán)境引起的,包括船舶動力及振動、洋流波浪、海洋生物等引起的干擾；后者是由震源或次生震源形成的干擾噪聲,包括直達(dá)波、多次波、繞射波和氣泡效應(yīng)等[20]。在海洋綜合科考船上,淺地層剖面儀一般為船載固定式安裝設(shè)備,在船舶建造期間就將換能器陣安裝在船底。船舶的推進(jìn)器、船底線形、洋流與波浪均會在設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生噪聲,影響設(shè)備性能,換能器陣的安裝方式和安裝位置也會決定噪聲影響的大小,因此在換能器安裝時應(yīng)一并考慮。

聲學(xué)換能器的安裝方式一般分為嵌入式安裝、導(dǎo)流罩安裝、Gondola安裝方式等。嵌入式安裝方式是在船體底部開口,安裝聲學(xué)設(shè)備換能器,與船底平齊,優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備安裝不影響航速,缺點(diǎn)是受船體表面的氣泡影響較大；導(dǎo)流罩安裝、Gondola安裝方式會突出船體結(jié)構(gòu),降低淺層氣泡影響,但會改變船舶線形,增加船體阻力,降低船速。海洋綜合科考船多遠(yuǎn)赴大洋、深海和極地開展科學(xué)考察活動,考慮到船舶經(jīng)濟(jì)效益和淺地層剖面儀換能器較大,一般采用嵌入式安裝方式[21]。

換能器的安裝位置對設(shè)備性能也具有一定影響。船舶航行時,碎浪會在海水上層形成充氣層,氣泡可以吸收和反射聲波,極端海況下水面5～10 m水層都會產(chǎn)生大量氣泡,甚至可以阻斷聲波信號的傳播。如圖1所示,在船舶航行時,船舶與海水的相互作用會產(chǎn)生邊界層,包含層流和湍流,而邊界層的厚度取決于船舶速度、船體流線以及船體的粗糙度。當(dāng)充氣層的氣泡被壓入船底時,會混入邊界層,并從層流到湍流厚度增加,越往船尾方向,厚度會逐漸增加。換能器所處的環(huán)境極大影響聲波信號的傳播,為降低氣泡對聲波的影響,一般會改進(jìn)船舶艏部線形,并優(yōu)選艏部水線1/3處作為換能器陣的最佳安裝位置。

此外,海洋綜合科考船配備多套聲學(xué)設(shè)備,如深水單波束、深水多波束測量系統(tǒng)、淺地層剖面儀、聲學(xué)多普勒海流剖面儀、魚探儀等,船底聲學(xué)換能器的典型布局如圖2所示。海上調(diào)查作業(yè)時會同時運(yùn)行多種聲學(xué)設(shè)備,存在相互干擾問題,一般使用聲學(xué)同步器將各聲學(xué)設(shè)備間隔激發(fā),但會大大降低各設(shè)備的橫向分辨率,對于深海調(diào)查更是如此。而海上地球物理綜合調(diào)查一般會有磁力儀、重力儀、淺地層剖面儀、多波束地形地貌測量系統(tǒng)等設(shè)備同時運(yùn)行,而多波束、側(cè)掃聲納等聲學(xué)設(shè)備的運(yùn)行會對淺剖數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同程度的干擾。因此,須對聲學(xué)設(shè)備干擾程度進(jìn)行定量分析,評估影響程度,為現(xiàn)場采集參數(shù)優(yōu)選和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理提供指導(dǎo)。

圖1 船底海水邊界層Fig.1 The boundary layer underneath the vessel

圖2 典型船底聲學(xué)換能器布局Fig.2 Typical layout of acoustic transducer on the vessel bottom

為了解淺地層剖面儀作業(yè)時噪聲特征,需采集設(shè)備的背景噪聲以及其他聲學(xué)設(shè)備的信號,分析噪聲特征,探索對應(yīng)的處理方法。本文以海洋綜合科考船“向陽紅01”船為例,使用船載淺地層剖面儀(TOPAS PS18)分別采集螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下船舶背景噪聲和正常作業(yè)時其他聲學(xué)設(shè)備干擾信號,分析噪聲干擾特征,應(yīng)用分析結(jié)果優(yōu)選采集參數(shù),獲取理想的成果剖面,整體技術(shù)方案如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

本文以深水型淺地層剖面儀(TOPAS PS 18)為例,它適用于高分辨率淺地層剖面和水下目標(biāo)探測,初級頻率為15～21 k Hz、次級頻率為0.5～6.0 k Hz、接收頻率響應(yīng)0.030～100 k Hz,工作水深為20 m至全海深,船底嵌入式安裝,具有橫搖、縱搖和升沉波束穩(wěn)定功能,是各種精細(xì)、高分辨率調(diào)查的有效工具,調(diào)查船速可以達(dá)到15 kn(依賴于船舶噪聲水平)。根據(jù)噪聲干擾調(diào)查及壓制整體設(shè)計(jì)流程,具體采集方案設(shè)計(jì)見表1。

圖3 噪聲干擾調(diào)查及壓制整體設(shè)計(jì)流程Fig.3 Flowchart for investigating and suppressing noise interference

表1 噪聲采集方案Table 1 Plan for acquisition of noise

首先,在某海域使用淺地層剖面儀TOPAS PS18進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,設(shè)置為無激發(fā)模式,記錄長度為1 000 ms,采樣頻率為36 k Hz,記錄間隔為2 000 ms,通過設(shè)定螺旋槳不同轉(zhuǎn)速(140～220 r/min),記錄船舶背景噪聲。在記錄過程中沒有開啟其他聲學(xué)設(shè)備,選擇螺旋槳轉(zhuǎn)速為200 r/min時記錄的數(shù)據(jù)作為典型數(shù)據(jù),選擇記錄共50道,記錄剖面圖如圖4所示。

圖4 噪聲記錄剖面及局部顯示Fig.4 Profile of noise recording and partial display

由圖4a中可知,淺地層剖面儀采集到的信號主要為隨機(jī)噪聲信號,波形特征表現(xiàn)雜亂無章,在時域無法觀察出其特征。為突顯換能器附近噪聲干擾,縱向放大顯示局部剖面(圖4b),由圖4b可知在換能器附近噪聲信號強(qiáng)度較強(qiáng),成為信號的主要干擾部分之一。利用傅里葉變換,對不同轉(zhuǎn)速下采集到的背景噪音進(jìn)行頻譜分析,獲得其平均曲線,如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下背景噪聲平均頻譜Fig.5 Average spectrums of background noise with different rotational speed

由圖5知,在頻域背景噪聲范圍為0～1.0 k Hz,背景噪聲能量較強(qiáng)能量集中在0.05～0.75 k Hz,0.75～1.00 k Hz范圍內(nèi)的噪聲能量相對較弱,高于1.00 k Hz的隨機(jī)噪聲對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較小。再對比螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下采集噪聲的頻譜可知,隨著轉(zhuǎn)速的增加,噪聲的主要能量向高頻方向移動,會進(jìn)一步降低淺地層剖面儀采集數(shù)據(jù)的信噪比,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

船載聲學(xué)設(shè)備同運(yùn)行會相互干擾,調(diào)查作業(yè)時使用聲學(xué)同步器將各聲學(xué)設(shè)備間隔激發(fā),避免聲學(xué)信號的相互干擾。但是,對于深海作業(yè)調(diào)查時,聲學(xué)同步器的使用會大大降低數(shù)據(jù)的橫向分辨率,不利于后續(xù)的資料解釋。為此,設(shè)計(jì)在淺地層剖面儀運(yùn)行的同時開啟深水多波束(12 k Hz),記錄淺地層剖面儀接收到的聲信號,在信號接收時不加任何處理程序,記錄的剖面如圖6所示,由圖6可知有許多雜亂無章的干擾分布在剖面中。再對圖6剖面做頻譜分析可知,在頻域存在2個能量峰,分布在12 k Hz附近(圖7),確定該噪聲為多波束聲學(xué)信號,該噪聲的存在會嚴(yán)重影響剖面質(zhì)量,給解釋工作帶來困難,因此需要做噪聲壓制處理。

綜上分析,在淺地層剖面儀作業(yè)過程中存在隨機(jī)噪聲和聲學(xué)設(shè)備干擾噪聲兩方面噪聲：1)隨機(jī)噪聲是以設(shè)備運(yùn)行環(huán)境為背景的,主要來源為船舶動力系統(tǒng)、海洋涌浪,這類噪聲在時域雜亂分布,在頻域能量主要集中在0.05～1.00 k Hz,隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加能量向高頻移動,但只有部分能量會影響到淺地層剖面儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量；2)聲學(xué)設(shè)備干擾噪聲主要是同時運(yùn)行的其他聲學(xué)設(shè)備產(chǎn)生的信號被淺地層剖面儀記錄,該類噪聲頻率相對固定、能量相對集中,但是會影響到最終的剖面質(zhì)量。

圖7 淺地層剖面儀與12 k Hz深水多波束同時運(yùn)行時數(shù)據(jù)頻譜分析Fig.7 Spectrums of the Sub-Bottom Profiler simultaneously running with multibeam system

3 實(shí)際噪聲壓制方法與討論

淺地層剖面儀運(yùn)行接收到的噪聲會影響剖面的質(zhì)量,需在現(xiàn)場采集時或在室內(nèi)處理時壓制噪聲干擾。根據(jù)以上分析,船舶的背景噪聲以及其他設(shè)備聲學(xué)干擾在頻率域特征明顯,可以在聲波激發(fā)時規(guī)避背景噪聲頻帶范圍,在信號接受后做帶通濾波處理,將能量集中在優(yōu)勢頻帶內(nèi)并濾波處理掉其他聲學(xué)設(shè)備對淺地層剖面儀的干擾。本研究以“向陽紅01”科考船船載淺地層剖面儀(TOPAS PS18)為例,在現(xiàn)場調(diào)查作業(yè)時優(yōu)化采集參數(shù),降低干擾噪聲對數(shù)據(jù)剖面的影響。

TOPAS PS18次級頻率為0.5～6.0 k Hz,接收頻率響應(yīng)0.03～100.00 k Hz,具備一定的現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理功能。為降低船舶背景噪聲對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,兼顧儀器的分辨率和穿透能力,建議在現(xiàn)場作業(yè)時設(shè)置激發(fā)頻率避開背景噪聲頻率范圍,如將震源子波激發(fā)頻帶設(shè)置為1.0～6.0 k Hz,脈沖長度設(shè)置為10 ms,這樣設(shè)置就可以將激發(fā)能量集中在優(yōu)勢頻帶內(nèi),而不受船舶背景噪聲的影響。為降低其他聲學(xué)設(shè)備對淺地層剖面儀剖面的干擾,在數(shù)據(jù)接收后做帶通濾波處理,設(shè)置濾波門限為1.0-2.0-6.0-10.0 k Hz,濾除其他聲學(xué)設(shè)備對剖面的干擾,如濾除12 k Hz深水多波束聲學(xué)信號的干擾。

在某海域,使用“向陽紅01”科考船船載淺地層剖面儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,設(shè)置激發(fā)頻帶為2.0～6.0 k Hz,波長10 ms,采樣率為36 k Hz,接受信號濾波設(shè)置為1.0-2.0-6.0-10.0 k Hz,采集到的剖面如圖8所示。由圖8可知,淺地層剖面層位清晰,分辨率較高,整個記錄的信噪比得到明顯提高,未出現(xiàn)如圖6所示的干擾信號,是較為理想的現(xiàn)場采集資料。但是,也在剖面的下半部分存在與海底形態(tài)相似的同相軸,該部位為多次波干擾,由于設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理能力有限,建議到室內(nèi)進(jìn)行針對性處理,如采用SRME、基于同相軸追蹤的多次波剔除與多道維納濾波相結(jié)合的組合匹配衰減技術(shù)等方法。

圖8 淺地層剖面儀數(shù)據(jù)剖面Fig.8 Profile of the Sub-Bottom Profiler

4 結(jié) 論

本研究基于淺地層剖面儀作業(yè)時噪聲形成機(jī)理,根據(jù)不同的噪聲分別設(shè)計(jì)了背景噪聲和其他聲學(xué)干擾噪聲的采集方案,并在針對性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了現(xiàn)場采集參數(shù)優(yōu)化方案,且通過實(shí)例驗(yàn)證了優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)采集效果。得到如下認(rèn)識：

1)淺地層剖面儀的干擾噪聲與設(shè)備的安裝、運(yùn)行環(huán)境存在密切聯(lián)系,在調(diào)查作業(yè)前應(yīng)采集設(shè)備運(yùn)行時的背景噪聲,并對其進(jìn)行定量分析,指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)的設(shè)置與室內(nèi)處理流程；

2)船舶等背景噪聲信號主要低于1.0 k Hz,且隨著船速的增加噪聲能量向高頻方向移動,而淺地層剖面儀(TOPAS PS18)激發(fā)的次級頻率為0.5～6.0 k Hz,相互干擾頻帶有限,若在垂向分辨率允許的條件下,建議在現(xiàn)場作業(yè)時激發(fā)頻率避開背景噪聲頻率范圍,如將震源子波頻帶設(shè)置為1.0～6.0 k Hz,脈沖長度設(shè)置為10 ms采集,這樣設(shè)置就可以將激發(fā)能量集中在優(yōu)勢頻帶內(nèi),而不受船舶背景噪聲的影響；

3)淺地層剖面儀信號接收頻帶為0.03～100.00 k Hz,當(dāng)淺地層剖面儀與其他聲學(xué)設(shè)備同時運(yùn)行時,會接收到其他聲學(xué)干擾,因此在外業(yè)采集時通過設(shè)置接收聲學(xué)信號的頻帶范圍而避免其他聲學(xué)信號干擾。