2種改進的海底面反射實時追蹤算法及其比較研究

蔣維杰，潘國富，丁維鳳，張濟博

（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）

0 引言

作為一種經(jīng)濟、便捷、高效的海底探測技術(shù)，聲學(xué)地層剖面法在海洋地質(zhì)研究、海洋工程勘察和檢測、水下考古等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。海底面反射追蹤是海底聲學(xué)地層剖面探測中的關(guān)鍵技術(shù)，無論在數(shù)據(jù)采集階段還是在后處理、解釋階段，都需要對海底面進行自動、快速和準確的追蹤。在數(shù)據(jù)采集過程中，海底面反射實時追蹤對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和探頭安全監(jiān)控都顯得非常重要。目前國內(nèi)的相關(guān)研究主要是針對聲學(xué)地層剖面資料的后處理應(yīng)用問題，對采集時的實時追蹤研究較少。而國外的一些商業(yè)采集軟件，如 Triton Imaging Inc.的 SB－Logger、Chesapeake Technology Inc.的SonarWiz.Map、Oceanic Imaging Consultants的GeoDAS、EdgeTech的Discovery SB以及IxSea的DELPH Seismic等，雖然都有對海底面實時追蹤功能的相應(yīng)算法并且附帶使用說明，但都沒有詳細的技術(shù)介紹。因此，有必要對海底面實時追蹤技術(shù)進行自主研發(fā)。

在聲學(xué)地層剖面反射信號中，海底面反射振幅能量突出，與多道地震反射資料中的初至波反射特征相似。因此，聲學(xué)地層剖面海底面追蹤可借鑒多道地震信號處理中的初至波拾取算法。目前常用的算法有利用數(shù)據(jù)資料瞬時特征與時窗屬性的信號分析法，如振幅比法、相關(guān)法、能量比法、小波分析法、分形維法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，也有利用剖面圖像特征的邊緣檢測法，如Canny算子、Sobel算子和 Roberts算子等［1］。這些算法各有優(yōu)缺點，需配合不同資料加以使用，才能達到較好的追蹤計算效果。

本文以能量比法和相關(guān)法為基礎(chǔ)，對原有算法進行了改進，以滿足聲學(xué)地層剖面探測的數(shù)據(jù)采集及海底面實時、快速追蹤的要求。實際測試數(shù)據(jù)表明，改進后的算法其應(yīng)用效果良好，與國外商業(yè)軟件應(yīng)用效果對比可顯一些優(yōu)越性。

1 基于能量比法的海底面實時追蹤算法

傳統(tǒng)的靜態(tài)時窗能量比法是將每一道按一定的時窗長度劃分成很多區(qū)塊，然后計算相鄰前、后時窗內(nèi)能量和的平方根的比值，比值最大處即被視為海底面。其離散公式為［2］：

式中：A為能量比值；x（t）是記錄采樣點的振幅值；T1為前時窗起點；T0為前時窗終點，也是后時窗起點；T2為后時窗終點。

靜態(tài)時窗能量比法的追蹤精確度較差，左國平等［3］在此基礎(chǔ)上提出了滑動時窗能量比法（圖1）。羅進華等［4］在研究淺地層剖面層位自動拾取時對此法進行改進，提出了閥值法，即對每一道的滑動范圍進行約束并且設(shè)置相鄰道之間的跳躍閥值。張偉等［5］從另一方面對滑動時窗能量比法進行改進，提出了變換時窗統(tǒng)計能量比法，他們利用變換時窗長度的滑動時窗能量比法拾取地震初至，然后進行統(tǒng)計分析，以確定地震初至的準確位置。閥值法在減少干擾影響及快速計算方面具有優(yōu)勢，但這種固定時窗長度的方法很難對整個剖面的層位進行準確拾取，一般都要分段，每段設(shè)置不同的時窗長度。變換時窗統(tǒng)計能量比法能提高地震初至拾取精度，然而此算法的運行時間較長。

本文研究改進的實時能量比法，結(jié)合考慮了閥值法和變換時窗的思路。筆者通過實時調(diào)節(jié)初值、大時窗、滑動子窗3個參數(shù)，控制海底追蹤（圖2）。具體實現(xiàn)過程為：首先，將初值調(diào)節(jié)到當前道的海底位置附近，作為當前道的參考海底位置，子窗在以初值為中心、大時窗值為邊界的約束范圍內(nèi)滑動，追得當前道的準確海底位置；然后，將當前道海底位置作為下一道的參考海底位置，以大時窗值為相鄰道跳躍閥值，追蹤下一道的準確海底位置，如此循環(huán)。在追蹤出錯的時候，可以實時變換滑動子窗等3個參數(shù)，使追蹤繼續(xù)沿海底面進行。

圖1 滑動時窗的能量比法示意圖（引自文獻［4］）Fig.1 Sketch of energy ratio with moving time window（Quoted from reference［4］）

在設(shè)置3個參數(shù)的初始值時，本文重點研究了滑動子窗這一參數(shù)，因為這是影響追蹤精度的重要因素，子窗太短，追蹤容易受干擾影響；子窗太長，海底面反射能量比值不突出。對大量的不同底質(zhì)與地形的聲學(xué)地層剖面測試分析表明，15個樣點長度左右的滑動子窗就能滿足大部分海底面的準確追蹤要求。

圖2 實時追蹤的控制界面Fig.2 Controlling interface of real－time tracking

2 基于相關(guān)法的海底面實時追蹤算法

相關(guān)分析是用于衡量2個波形的相似性及時間的對應(yīng)情況。當2個波形的變化形態(tài)一致時，相關(guān)系數(shù)為最大；當2個波形的變化形態(tài)完全相反時，相關(guān)系數(shù)為最?。?－7］。若用xt和yt代表2個波形的樣點振幅值，則它們的相關(guān)公式為：

式中：m和n為波形的振幅樣點號，n－m表示進行相關(guān)計算的波形長度；τ是yt相對于xt的時移量，使φxy（τ）取得最大值的τ0值即為2個相似波形的時間差，亦可作為兩道的海底面位置差。

前人對相關(guān)法的研究主要集中在數(shù)據(jù)后處理的應(yīng)用方面：丁維鳳等［1］曾利用常規(guī)相關(guān)法拾取淺剖反射同相軸；潘樹林等［8］曾為了拾取可控震源地震記錄的初至，提出了優(yōu)化相關(guān)算法，他將前n道疊加作為當前道的模型道。

本文參考優(yōu)化相關(guān)算法并且結(jié)合跳躍閥值的思路，得到一種適用于聲學(xué)地層剖面海底實時追蹤的算法。該算法首先是建立模型道，實時采集只能對當前道之前的數(shù)據(jù)進行緩存。對大量的數(shù)據(jù)測試表明，選取當前道之前的3道進行疊加作為模型道，能較好地兼顧算法的精度和計算的速度。為使模型道突出海底面反射的起跳，減少干擾信號，用于疊加的3道數(shù)據(jù)都是以海底面為中點的一小段數(shù)據(jù)。有了模型道以后，將其與當前道進行互相關(guān)?？紤]到當前道與前道的海底面起伏不會太大，因此將模型道的滑動范圍限制在相應(yīng)的海底位置附近，相關(guān)系數(shù)最大的窗口對應(yīng)的中點即為當前道的海底面位置。

3 實時能量比法和相關(guān)法的追蹤效果比較

測試數(shù)據(jù)表明，改進后的實時能量比法和相關(guān)法在大部分聲學(xué)地層剖面數(shù)據(jù)中都能準確追蹤海底面的起跳位置。但由于能量比法和相關(guān)法的計算原理不同，它們在具體追蹤效果方面各有特點。

能量比法是基于本道內(nèi)滑動的前、后時窗的能量比值，它能比較海底面之下小段底質(zhì)與上覆小部分水體的反射系數(shù)的差異，只要水體中的干擾較小，應(yīng)用能量比法一般都能追蹤到海底面。相關(guān)法是基于模型道與當前道之間的相似性原理，如果海底面以下有強反射面，并且與海底面相交會，這樣就可能會追蹤到強反射面上。比較圖3a和圖3b可以發(fā)現(xiàn)，海底面以下地層的強反射會導(dǎo)致相關(guān)法追蹤出錯，而能量比法對海底面以下地層并不敏感，因此追蹤效果比較好。但相關(guān)法在細節(jié)追蹤上更勝一籌，在海底聲學(xué)地層剖面實時采集時，一般都會受風浪的影響，導(dǎo)致聲學(xué)反射剖面上出現(xiàn)高頻低幅的抖動（圖4），在受風浪影響的波浪狀起伏海底面上，反射能量變化不大，相位變化比較明顯，此時利用相關(guān)法追蹤起伏的海底面，效果更優(yōu)。因為相關(guān)法是追蹤道之間與波形相匹配的位置，對相位變化比較敏感。而能量比法突出的是能量變化，對相位變化并不敏感。比較圖4a和圖4b可見，相關(guān)法追蹤海底面的連續(xù)性更好，追蹤效果與海底面的起伏狀況相吻合。

圖5 不同海底聲學(xué)地層剖面采集軟件對海底面實時追蹤的效果比較Fig.5 Comparison of real－time tracking the seabed with different sub－bottom profile data acquisition software

4 與國外商業(yè)采集軟件應(yīng)用效果的比較

與已被廣泛應(yīng)用的國外商業(yè)采集軟件應(yīng)用效果進行比較，是檢測本文算法優(yōu)劣性的重要標準。本文選擇了與其中具有代表性的Triton Imaging Inc.的淺剖數(shù)據(jù)采集軟件SB－Logger進行實時追蹤效果對比。當海底面反射起伏較大、反射能量渾厚時，SBLogger實時追蹤海底面的效果不理想，追蹤線在海底面附近頻繁波動（圖5a），說明SB－Logger對起伏較大的硬質(zhì)海底面的反射追蹤不理想。此時利用本文的實時相關(guān)法追蹤其效果也不理想，但對比圖5a與圖5b可見，該算法的整體追蹤準確率還是要高于SB－Logger的算法的。而本文的實時能量比法對相同數(shù)據(jù)卻能實現(xiàn)準確追蹤（圖5c）。另外對于起伏較大的海底面反射，SB－Logger追蹤功能通常需要人工頻繁變更參數(shù)，才能保證追蹤精度，而本文的2種算法只需在追蹤偏離海底面時進行交互微調(diào)，便能使追蹤準確沿海底面進行。

5 結(jié)論

反射實時追蹤是海底聲學(xué)地層剖面探測海底面的關(guān)鍵技術(shù)，由于探測環(huán)境和探測目標的復(fù)雜多變，海底面反射實時追蹤易受各種干擾的影響。本文在傳統(tǒng)的能量比法和相關(guān)法的基礎(chǔ)上，提出了2種適用于實時操作的改進算法。實際數(shù)據(jù)測試及其與國外商業(yè)軟件實時追蹤海底面的效果比較表明，本文提出的改進算法在實時海底面追蹤中精度較高，而且參數(shù)少，操作便捷。改進的能量比法抗干擾性好，適用于噪聲干擾大的聲學(xué)地層剖面；改進的相關(guān)法在細節(jié)追蹤方面效果較好，適用于受風浪影響大的聲學(xué)地層剖面。對于不同的海底反射剖面，只要選擇合適的算法，并進行簡單的交互參數(shù)設(shè)置，便可取得較理想的海底面追蹤效果。

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