海上地球物理淺地層剖面測(cè)量環(huán)境噪聲分析

海上地球物理淺地層剖面測(cè)量環(huán)境噪聲分析

平層勘探技術(shù)起源于19世紀(jì)60年代，是海上地球物理調(diào)查的重要手段之一。該探測(cè)技術(shù)基于水聲學(xué)原理,與反射地震學(xué)相似,通過(guò)發(fā)射換能器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率聲波信號(hào)向水下發(fā)射,聲波在傳播過(guò)程中遇到地層分層界面以及地層沉積面等聲阻抗界面后,經(jīng)反射返回接收換能器,由于反射回來(lái)的信號(hào)帶有地層信息,所以利用該原理可以獲得反映淺地層聲學(xué)特征的剖面。目前,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于天然氣水合物探測(cè)、近岸海洋地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、大洋科考等方面,可獲得海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。淺地層剖面儀是在測(cè)深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其設(shè)備經(jīng)歷了從固定頻率和線性調(diào)頻(chirp技術(shù))到聲學(xué)參量陣式的發(fā)展。淺地層剖面測(cè)量在實(shí)際作業(yè)中容易受到周?chē)h(huán)境的干擾,如涌浪、機(jī)械振動(dòng)、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)以及電力干擾等次生干擾源的影響,很大程度上降低了采集資料的信噪比和分辨率,進(jìn)而影響對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的解釋,因此,必須對(duì)原始資料進(jìn)行有效處理才能獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)剖面。對(duì)于淺地層剖面資料的處理主要是參照常規(guī)地震資料的處理方法,而單獨(dú)針對(duì)淺地層剖面數(shù)據(jù)處理方法的研究不多,Quinn等在已知震源特征前提下采用相關(guān)、反褶積以及預(yù)測(cè)濾波等方法對(duì)chirp型淺剖數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究,呂國(guó)濤等利用圖像處理方法對(duì)淺剖圖像進(jìn)行了濾波處理。本文結(jié)合前人的研究成果綜合總結(jié)闡述了淺地層剖面測(cè)量從資料采集到后處理等階段用來(lái)消除噪音和提高分辨率的數(shù)據(jù)處理方法。1勞動(dòng)原則和設(shè)備介紹1.1反射波的強(qiáng)度通常把海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)看作一個(gè)層狀的模型(圖1),不同介質(zhì)層中密度、壓強(qiáng)等不同導(dǎo)致聲波在各層介質(zhì)中傳播速度就會(huì)有差異。近似聲波向下垂直入射,海水層作為第1種介質(zhì),它的密度為ρ1,聲波在其中傳播的速度為v1,假設(shè)海底下各層介質(zhì)密度和速度分別是ρ1、v1、ρ2、v2、…ρn、vn。當(dāng)聲波傳播到兩種不同介質(zhì)分界面時(shí),一部分聲波在分界面處發(fā)生反射,另一部分沿法線方向繼續(xù)傳播,在下一分界面處繼續(xù)發(fā)生反射和透射。衡量各界面的反射的強(qiáng)度的參數(shù)稱(chēng)為反射系數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:式中:R為反射系數(shù);ρ1、v1為第1種介質(zhì)的密度和聲波在其中的傳播速度;ρ2、v2為第2種介質(zhì)的密度和聲波在其中的傳播速度?？梢钥闯?獲得反射聲波的強(qiáng)弱取決于界面兩側(cè)物質(zhì)的差異。當(dāng)ρ2v2-ρ1v1的值較大,即界面兩側(cè)物質(zhì)差異較大時(shí),接收到的反射信號(hào)就比較強(qiáng),反之則比較弱。由于接收到的反射信號(hào)攜帶了水下地層分界面的大量有用的地質(zhì)信息,所以通過(guò)觀測(cè)記錄并分析海底沉積物對(duì)于聲波的反射特性,就可以了解沉積物的地質(zhì)屬性,直觀地描述地質(zhì)構(gòu)造。1.2海底淺部區(qū)域波場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)本文中信號(hào)采集設(shè)備為ATLASPARA-SOUND70(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為P70)型深水參量淺地層剖面儀,其原理是利用聲波在介質(zhì)中傳播的非線性特性,即2個(gè)沿同一方向傳播的高頻初始聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)介質(zhì)中可以獲得差頻的聲波信號(hào)。具體如下:參量陣換能器在高壓下同時(shí)向水底發(fā)射2個(gè)頻率接近的高頻聲波主頻信號(hào)(f1,f2),在換能器以下會(huì)產(chǎn)生一系列二次頻率聲波信號(hào),如f1,f2,(f1+f2),(f1-f2),2f1,2f2,聲波信號(hào)改變2個(gè)主頻(f1,f2)的頻率就可以控制差頻波(f1-f2)的頻率,當(dāng)f1,f2的頻率非常接近時(shí),差頻(f1-f2)的頻率相對(duì)低,但是其依然保持高頻時(shí)的波束角不變,因此,差頻信號(hào)具有很強(qiáng)的沉積層穿透能力以及橫向分辨能力,可以用來(lái)精細(xì)探測(cè)海底淺部地層結(jié)構(gòu),同時(shí),反射的主頻聲波(f1,f2)信號(hào)還可以用于精確的水深測(cè)量。P70淺地層剖面儀(見(jiàn)圖2)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的、最靈活的、功能強(qiáng)大的淺地層剖面儀之一,換能器固定安裝于船底,不僅可以發(fā)射連續(xù)波(continuouswave)脈沖,也可以發(fā)射脈沖調(diào)制的波形(chirpedpulse和barkercodedpulse),該系統(tǒng)主工作頻率在18~40kHz之間,二次頻率在0.5~6kHz之間,工作水深10~11000m,其具有良好的地層穿透能力和地層分辨能力,最大穿透深度可達(dá)200m,垂向地層分辨率達(dá)到15cm,其換能器共有256個(gè)發(fā)射通道,每個(gè)通道使用98Khz的初始采樣率對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并且都具有獨(dú)立的24位A/D轉(zhuǎn)換;該設(shè)備還具有發(fā)射角自動(dòng)控制功能,因此,可以通過(guò)計(jì)算海底坡度,使窄波束很精確的入射到海底達(dá)到最佳剖面效果,增加回波強(qiáng)度,特別當(dāng)海底地形變化復(fù)雜時(shí),P70對(duì)海底跟蹤能力很強(qiáng)。2噪比的基礎(chǔ)信噪比和分辨率是衡量野外采集數(shù)據(jù)好壞的2個(gè)重要指標(biāo),其中,信噪比又是分辨率的基礎(chǔ)。高質(zhì)量的淺地層剖面數(shù)據(jù)首先對(duì)采集環(huán)境有著嚴(yán)格的要求,另外,一些常規(guī)的處理方法可以有效的提高數(shù)據(jù)信噪比以及分辨率,下面以實(shí)測(cè)剖面為例,列舉一些處理手段進(jìn)行對(duì)比分析。2.1信號(hào)幅度的影響Threshold和Clipping主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)顯示方面,根據(jù)采集到的電信號(hào)的幅度,設(shè)置合適的Threshold值和Clipping值。前者表示信號(hào)幅度小于該值的信號(hào)都對(duì)應(yīng)最小的可顯示的顏色值,這樣可以用來(lái)減弱背景噪音對(duì)有效信號(hào)識(shí)別的影響。但是,如果設(shè)置不合適,可能會(huì)影響真正的反射信號(hào)。而后者正相反,表示信號(hào)幅度大于該值的信號(hào)都對(duì)應(yīng)可顯示的最大的顏色值,根據(jù)沉積環(huán)境如果選擇合適的Clipping參數(shù),可以突出顯示信號(hào)中的弱反射。圖3為T(mén)hreshold—Clipping處理效果比較,可以看出選擇合適的Threshold和Clipping參數(shù),可以使地層層次顯示的更加清晰。2.2設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波方案帶通濾波是數(shù)據(jù)處理中的一種常用方法,通常是根據(jù)采集到的信號(hào)頻帶和其中有效信號(hào)的頻帶設(shè)置適當(dāng)?shù)母咄?、低通截止頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,可以起到降低噪音的效果。圖4為同一剖面采用不同濾波參數(shù)剖面的顯示效果比較,相對(duì)于右圖,左圖的濾波參數(shù)設(shè)置不合適導(dǎo)致深部的有效信號(hào)也被濾掉了,因此,要根據(jù)勘測(cè)目的選擇合適的通帶截止頻率,保證不會(huì)損傷有效信號(hào)。2.3檢測(cè)chrp子波在常規(guī)數(shù)據(jù)處理中,相關(guān)去噪主要是利用隨機(jī)噪聲之間或者噪聲與有規(guī)律的周期信號(hào)之間是互不相關(guān)的特點(diǎn)來(lái)有效的去除噪聲。對(duì)于淺地層剖面資料的處理,相關(guān)去噪有著更加特殊的應(yīng)用,特別是針對(duì)脈沖調(diào)制型淺剖儀(chirpedpulse)采集到數(shù)據(jù),相關(guān)是必不可少的信號(hào)處理方法,因?yàn)閏hirp子波本身就是一種似噪音波形,其采集到的信號(hào)與輸入的chirp子波有最好的相似性,而線性噪音干擾與子波相似性很差,因此,相關(guān)處理后不僅可以很好的對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮,而且可以壓制噪音干擾,達(dá)到提高資料的分辨率和信噪比的目的。圖5左是參量淺剖采集到的原始剖面,可以看到相關(guān)后,噪聲得到了有效的抑制。2.4淺部及淺部地層反射信號(hào)的模擬時(shí)變?cè)鲆娉３Ｓ迷诘刭|(zhì)雷達(dá)等資料的處理中,因?yàn)槠浒l(fā)射信號(hào)頻率比較高,因此,信號(hào)能量隨穿透深度衰減比較迅速,所以,來(lái)自深部地層的有效反射信號(hào)相對(duì)于淺部地層反射信號(hào)弱很多,而淺地層剖面儀也具有相似特點(diǎn),因此,在此引入底部時(shí)變?cè)鲆婕夹g(shù)來(lái)放大淺地層剖面資料中相對(duì)較深地層比較弱的反射信號(hào)(如圖6右方框所示區(qū)域),有利于深部反射界面的顯示以及后續(xù)的資料解釋。2.5淺地層剖面水分含量反褶積是地震數(shù)據(jù)處理中的常用方法之一,其原理是通過(guò)壓縮地震子波,再現(xiàn)地下地層的反射系數(shù),從而獲得更高時(shí)間分辨率的剖面。淺地層剖面數(shù)據(jù)與反射地震數(shù)據(jù)相似,因此也可以使用反褶積來(lái)提高剖面分辨率。通常,把地震記錄表示為一個(gè)褶積模型,即地層脈沖響應(yīng)與地震子波的褶積。這個(gè)子波有許多成分,包括震源信號(hào)、記錄濾波器、地表反射及檢波器響應(yīng)。地層脈沖響應(yīng)是當(dāng)子波正好是一個(gè)脈沖時(shí)所記錄到的地震記錄。(1)反射系數(shù)序列法輸出反射系數(shù)序列若地震波以脈沖bδ(t)形式激發(fā),經(jīng)過(guò)地層時(shí)無(wú)吸收,透射,和多次波反射等因素的影響,而前整個(gè)傳播過(guò)程不存在隨機(jī)干擾,這樣可以得到理想的輸出:這時(shí)得到的輸出實(shí)際上就是反射系數(shù)序列,同實(shí)際地震記錄相比,它有很高的分辨率,高頻十分豐富。(2)脈沖反褶積原理實(shí)際地震記錄模型x(t)由有效波s(t)和干擾波n(t)組成。有效波是指一次反射波,對(duì)反射波地震勘探而言,除一次反射波之外都是干擾波,一次反射波可以用以下褶積模型表示。式中:b(t)為地震子波;ζ(t)為反射系數(shù)序列。從上面2個(gè)模型可以看出如何獲得高頻的反射系數(shù)序列ζ(t)是反褶積的目的。反褶積計(jì)算可以利用維納濾波即最小平方濾波的原理來(lái)實(shí)現(xiàn),這種方法以一種最佳準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)濾波器,使濾波器的實(shí)際輸出與期望輸出的差的平方和最小。反褶積的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖7所示。圖8為脈沖反褶積(白噪因子0.1)前、后剖面對(duì)比顯示,可以看到,經(jīng)過(guò)反褶積后,剖面分辨率有所改善。但是,反褶積在提高分辨率的同時(shí),把有些頻段的噪聲也放大了,使信噪比下降,這是反褶積自身的主要問(wèn)題之一,但如果數(shù)據(jù)本身信噪比足夠高,可以忽略其影響。3淺地層剖面監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析淺地層剖面測(cè)量在海洋地質(zhì)調(diào)查中有著廣泛的應(yīng)用,為海洋工程地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害防御