三維超聲地震模型實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)

曹雪砷，高建磊，劉可禹,3，陳 浩，王秀明

（1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)與聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國石油大學(xué)（華東）深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；3.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.北京市海洋深部鉆探測(cè)量工程技術(shù)研究中心，北京 100190）

0 引言

在地質(zhì)學(xué)研究中，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的沉積形成過程的研究有重要意義。研究地質(zhì)沉積過程有多種手段，在實(shí)驗(yàn)室中利用水池環(huán)境模擬沙泥等礦物質(zhì)的沖刷沉積過程是其中的有效方法[1-2]。在水池模擬地質(zhì)沉積的過程中，需要對(duì)水下地質(zhì)模型進(jìn)行三維監(jiān)控成像，以便獲取沉積過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

超聲成像技術(shù)是獲取目標(biāo)模型三維結(jié)構(gòu)的有效手段，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像[3-9]、無損檢測(cè)[12]以及地震模型研究[10-11]等方面。目前，三維超聲成像的常用方法主要有兩種[3]：一種是利用二維陣列探頭通過相控技術(shù)發(fā)射掃描聲束[5-8]，這種方法對(duì)探頭陣列的指向性、一致性等指標(biāo)有著較高的要求，掃描角度較小、成像區(qū)域有限，且對(duì)目標(biāo)模型有較高的要求。第二種是機(jī)械式掃描式成像[9-12]，即將超聲探頭固定在定位裝置上，通過定位裝置帶動(dòng)探頭對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描測(cè)量，這種方法測(cè)量速度較慢，在復(fù)雜界面的條件下反射波信噪比低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)變化地質(zhì)模型的實(shí)時(shí)成像。

為了解決以上難題，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所與中國石油大學(xué)（華東）聯(lián)合研發(fā)了三維超聲地震模型實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，這套系統(tǒng)利用三維地震勘探中多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)原理以及疊前偏移方法[13]，采用網(wǎng)絡(luò)式傳感器布置，配合多通道同步激勵(lì)采集系統(tǒng)以及高分辨率成像算法，無需移動(dòng)即可對(duì)多層復(fù)雜地質(zhì)模型進(jìn)行三維成像，大大節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，且可以有效壓制無效雜波以及噪聲，獲得高質(zhì)量三維成像圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)模型沉積過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。地質(zhì)模型位于水池中，64 個(gè)發(fā)射探頭與256 個(gè)接收探頭組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)固定在位于模型上方的支架中，通過屏蔽信號(hào)線與硬件系統(tǒng)相連；硬件系統(tǒng)由主控單元、發(fā)射單元以及4 個(gè)采集單元構(gòu)成。工作時(shí)，由工控機(jī)中的系統(tǒng)軟件向硬件系統(tǒng)下發(fā)工作參數(shù)，控制發(fā)射單元依次激勵(lì)發(fā)射探頭，采集單元同步采集所有接收探頭的接收波形，并將接收波形傳輸至主控單元，由主控單元依次將數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)，并由軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，最終得到模型的三維成像圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 The diagram of the system structure

1.1 水中高頻傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)部分由64 個(gè)發(fā)射探頭和256 個(gè)接收探頭組成，發(fā)射以及接收探頭呈間隔網(wǎng)絡(luò)式分布，如圖2 所示。這種分布方式可以在探頭數(shù)目一定的情況下最大程度地?cái)U(kuò)展探測(cè)范圍，同時(shí)對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的模型進(jìn)行全方位的三維成像，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)模型同樣具有良好的成像能力。探頭的主頻為150 kHz，在工作過程中，64 個(gè)發(fā)射探頭依次輪流發(fā)射，每個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射后，所有接收探頭同步接收聲波信號(hào)，完成一次工作過程共獲得16 384 道波形數(shù)據(jù)，通過對(duì)大量波形數(shù)據(jù)的成像處理可以最大限度地消除雜波以及噪聲，從而獲得高質(zhì)量三維成像圖。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)分布示意圖 Fig.2 The distribution diagram of sensor networks

1.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主控單元控制4 個(gè)采集單元以及1 個(gè)發(fā)射單元，每個(gè)下屬單元控制64 個(gè)發(fā)射或接收探頭，共有256 個(gè)同步采集通道以及64 個(gè)獨(dú)立發(fā)射通道。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。主控單元與下屬單元之間均通過單獨(dú)的接口通信，下屬單元之間可以獨(dú)立工作而互不干擾，因此系統(tǒng)可以靈活地選擇需要的下屬單元組合工作。主控單元預(yù)留16 個(gè)采集單元接口與8 個(gè)發(fā)射單元接口，可以根據(jù)需求增加下屬單元數(shù)量，從而進(jìn)一 步加大探測(cè)范圍以及成像精度。

圖3 分布式硬件系統(tǒng)框圖 Fig.3 The block diagram of the distributed hardware system

主控單元是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)各單元的控制、下發(fā)采集和發(fā)射參數(shù)、接收并上傳波形數(shù)據(jù)等。主控單元與下屬各單元之間采用（Low Voltage Differential Signaling,LVDS）高速數(shù)據(jù)傳輸總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LVDS 總線本身是串行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用多線并行的傳輸結(jié)構(gòu)，主控單元與每一個(gè)下屬單元間均有8 根獨(dú)立的LVDS，從而進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)的傳輸速度。主控單元同時(shí)利用千兆以太網(wǎng)與工控機(jī)端的系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，傳輸速度可以達(dá)到113 MB·s-1，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

主控單元需要控制多個(gè)下屬單元并行工作，同時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、命令接收以及下發(fā)等工作，多任務(wù)間的沖突會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，甚至系統(tǒng)死機(jī)的情況。為了避免這些情況發(fā)生，主控單元內(nèi)部設(shè)置了任務(wù)管理程序，模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)管理器模式進(jìn)行內(nèi)部任務(wù)管理，任務(wù)管理程序流程圖如圖4所示。首先設(shè)定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，工作時(shí)按照優(yōu)先級(jí)高低順序來進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。調(diào)度時(shí)，首先檢查高優(yōu)先級(jí)的線程是否就緒，如高優(yōu)先級(jí)的線程已就緒則立刻將高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)送往執(zhí)行隊(duì)列中等待執(zhí)行。同時(shí)任務(wù)管理器會(huì)記錄任務(wù)隊(duì)列中任務(wù)的等待時(shí)間，如果等待時(shí)間過長(zhǎng)則提升優(yōu)先級(jí)，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 任務(wù)管理程序流程圖 Fig.4 Flow chart of the task management program

采集單元主要用于接收探頭的同步采集以及向主控單元傳輸波形數(shù)據(jù)，每個(gè)采集單元控制64個(gè)接收探頭。采集單元包括差分前置放大器、帶通濾波器、多通道ADC、程控增益放大器以及FPGA邏輯控制器等部分，可以單獨(dú)控制各個(gè)采集通道的采樣率、增益以及采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，最高采樣率可達(dá)5 MHz，同步采集64 個(gè)接收探頭的波形數(shù)據(jù)，并通過多線LVDS 上傳至主控單元。數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 The structural diagram of data acquisition unit

發(fā)射單元主要用于64 個(gè)發(fā)射探頭的激勵(lì)，內(nèi)部包括FPGA 邏輯控制器、整流濾波器、H 橋驅(qū)動(dòng)電路以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等部分，利用（Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM）方法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射探頭的任意波形激勵(lì)，脈沖寬度可在1～100 μs 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在發(fā)射探頭的激勵(lì)模式方面，發(fā)射單元提供多種激勵(lì)信號(hào)可供選擇，包括單脈沖（Plus）、多周期正弦（Burst）信號(hào)、布萊克曼（Blackman）窗函數(shù)信號(hào)以及線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation,LFM）信號(hào)等，可以根據(jù)測(cè)試需求選擇合適的激勵(lì)信號(hào)，各種激勵(lì)信號(hào)如圖6 所示。

圖6 多種發(fā)射模式激勵(lì)信號(hào) Fig.6 Excitation signals of multiple emission modes

在常規(guī)測(cè)量中，單脈沖激勵(lì)信號(hào)即可滿足測(cè)試需求；在一些雜波較多、接收信號(hào)成分較復(fù)雜的情況下，采用Blackman 窗函數(shù)以及Burst 信號(hào)激勵(lì)可以獲得更純凈的波列信號(hào)；在噪聲較大、信號(hào)信噪比較低的情況下，采用LFM 激勵(lì)方式配合脈沖壓縮（Pulse Compression,PC）算法，可以大大提升波列信噪比，提高成像質(zhì)量。所有激勵(lì)信號(hào)的脈寬、主頻以及信號(hào)持續(xù)時(shí)間均在一定范圍內(nèi)可調(diào)，最大限度適應(yīng)各種物性的地質(zhì)模型，根據(jù)測(cè)試環(huán)境以及模型的不同，選擇合適的激勵(lì)信號(hào)，從而達(dá)到最佳的成像效果。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是人機(jī)交互的接口，集硬件控制、數(shù)據(jù)處理與成像、成像顯示于一體，其主要功能模塊如圖7 所示。利用軟件系統(tǒng)可以靈活控制硬件系統(tǒng)的發(fā)射主頻、采樣率、增益等參數(shù)，接收到數(shù)據(jù)后采用疊前偏移成像算法進(jìn)行后處理，可以極大壓制無效雜波以及噪聲，得到清晰的成像結(jié)果。

圖7 軟件系統(tǒng)內(nèi)部模塊 Fig.7 The diagram of the internal module of software system

軟件采用基爾霍夫（Kirchhoff）積分法進(jìn)行疊前偏移，根據(jù)本通道信號(hào)可能產(chǎn)生反射波的空間范圍，將記錄信號(hào)從接收點(diǎn)上向下外推，采用Kirchhoff 積分表達(dá)式[14]：

式中：cosθ為傾斜因子，表示振幅隨出射角的變化；v為聲速；R為成像點(diǎn)位置(x,y,z)到接收探頭位置(x0,y0,0)的距離。利用射線追蹤法求取發(fā)射點(diǎn)到地下R(x,z)點(diǎn)聲波入射射線的走時(shí)，從而得到該點(diǎn)的成像位置坐標(biāo)。將所有通道采集的成像值按照地面點(diǎn)重合的記錄相疊加的原則進(jìn)行疊加處理，進(jìn)而得到三維成像圖。

疊前偏移的方法需要對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的運(yùn)算，耗時(shí)較多，采用傳統(tǒng)的線性程序運(yùn)算方法則成像速度較慢。為了提高成像速度，軟件內(nèi)部將成像運(yùn)算過程拆分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊都單獨(dú)建立一個(gè)線程進(jìn)行并行運(yùn)算，最大限度利用工控機(jī)多核CPU 的運(yùn)算能力，以達(dá)到實(shí)時(shí)成像的效果。

2 成像試驗(yàn)

在室內(nèi)90 cm×55 cm×40 cm 的水箱中測(cè)試系統(tǒng)成像效果，在水箱內(nèi)建造塔狀砂堆模型，砂堆內(nèi)放置一個(gè)15 cm×10 cm×5 cm 的木塊，水箱內(nèi)注滿水。由于水箱體積限制，本試驗(yàn)使用四分之一的傳感器網(wǎng)絡(luò)，即16 個(gè)發(fā)射探頭以及64 個(gè)接收探頭，布置于水箱內(nèi)液面位置，如圖8 所示。

圖8 水箱內(nèi)砂體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.8 Photos of the experimental model of sand body in water tank

利用系統(tǒng)對(duì)砂體模型進(jìn)行成像，采集得到原始陣列信號(hào)數(shù)據(jù)后利用軟件系統(tǒng)進(jìn)行成像處理，得到處理后的信號(hào)如圖9 所示。由圖9 中可以看出，經(jīng)過處理后的信號(hào)消除了水箱內(nèi)壁以及水面的反射波，可以清晰地獲得砂體、木塊以及池底的反射波信號(hào)。

圖9 成像處理后的波列圖 Fig.9 Wave train figures after imaging processing

對(duì)處理后的波列進(jìn)行三維成像處理，得到三維成像圖以及xyz方向切面成像圖如圖10 所示，圖中可以清晰地顯示砂體模型表面輪廓、內(nèi)部木塊以及池底，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的三維成像。

圖10 砂體模型三維成像圖 Fig.10 Three dimensional image of the sand body model

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的成像效果，在水箱中建造三層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，由內(nèi)到外分別為石英砂（粒度為20～40 目）、煤粉、石英砂（粒度為80～120 目），三層界面頂端距下底面距離分別為10 cm、15 cm、18 cm，實(shí)物圖如圖11 所示。

圖11 三層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型實(shí)物圖 Fig.11 The three-layer geological structure model and its actual image

利用系統(tǒng)對(duì)三層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行測(cè)量，最終得到三維成像圖如圖12 所示。由圖12 中可以看出，成像圖可以清晰地顯示三層界面，從而實(shí)現(xiàn)三維層析成像效果。

圖12 三層地質(zhì)模型三維成像圖 Fig.12 Three dimensional image of the three-layer geological model

3 結(jié)論

本文介紹了三維超聲地震模型實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多次覆蓋以及疊前偏移方法，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)以及多通道同步激勵(lì)采集系統(tǒng)，無需移動(dòng)傳感器即可完成對(duì)一定區(qū)域多層復(fù)雜地質(zhì)模型的三維成像。系統(tǒng)采用的分布式硬件結(jié)構(gòu)具有靈活的可擴(kuò)展性，可根據(jù)需求進(jìn)一步擴(kuò)大探測(cè)面積；多模式的激勵(lì)信號(hào)可以適應(yīng)不同的目標(biāo)模型，對(duì)多層地質(zhì)模型有著較高的探測(cè)深度以及分辨能力，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，從而對(duì)地質(zhì)模型沉積過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在今后的研究中，可以根據(jù)需要，增加探頭數(shù)量和提高傳感器工作頻率，從而增大探測(cè)范圍以及成像分辨率；硬件系統(tǒng)可以進(jìn)一步減小體積，實(shí)現(xiàn)小型便攜化，使系統(tǒng)可以應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。