海上地球物理浅地层剖面测量环境噪声分析

海上地球物理浅地层剖面测量环境噪声分析

平层勘探技术起源于19世纪60年代，是海上地球物理调查的重要手段之一。该探测技术基于水声学原理,与反射地震学相似,通过发射换能器将控制信号转换为不同频率声波信号向水下发射,声波在传播过程中遇到地层分层界面以及地层沉积面等声阻抗界面后,经反射返回接收换能器,由于反射回来的信号带有地层信息,所以利用该原理可以获得反映浅地层声学特征的剖面。目前,该技术广泛应用于天然气水合物探测、近岸海洋地质环境调查、工程地质调查、区域地质调查、大洋科考等方面,可获得海底浅部地层结构和构造,为基础地质调查和矿产资源开发提供科学依据。浅地层剖面仪是在测深仪的基础上发展起来的,其设备经历了从固定频率和线性调频(chirp技术)到声学参量阵式的发展。浅地层剖面测量在实际作业中容易受到周围环境的干扰,如涌浪、机械振动、螺旋桨转动以及电力干扰等次生干扰源的影响,很大程度上降低了采集资料的信噪比和分辨率,进而影响对地质结构的解释,因此,必须对原始资料进行有效处理才能获得高质量的数据剖面。对于浅地层剖面资料的处理主要是参照常规地震资料的处理方法,而单独针对浅地层剖面数据处理方法的研究不多,Quinn等在已知震源特征前提下采用相关、反褶积以及预测滤波等方法对chirp型浅剖数据处理方法进行了系统研究,吕国涛等利用图像处理方法对浅剖图像进行了滤波处理。本文结合前人的研究成果综合总结阐述了浅地层剖面测量从资料采集到后处理等阶段用来消除噪音和提高分辨率的数据处理方法。1劳动原则和设备介绍1.1反射波的强度通常把海底地质结构看作一个层状的模型(图1),不同介质层中密度、压强等不同导致声波在各层介质中传播速度就会有差异。近似声波向下垂直入射,海水层作为第1种介质,它的密度为ρ1,声波在其中传播的速度为v1,假设海底下各层介质密度和速度分别是ρ1、v1、ρ2、v2、…ρn、vn。当声波传播到两种不同介质分界面时,一部分声波在分界面处发生反射,另一部分沿法线方向继续传播,在下一分界面处继续发生反射和透射。衡量各界面的反射的强度的参数称为反射系数,其数学表达式如下:式中:R为反射系数;ρ1、v1为第1种介质的密度和声波在其中的传播速度;ρ2、v2为第2种介质的密度和声波在其中的传播速度。可以看出,获得反射声波的强弱取决于界面两侧物质的差异。当ρ2v2-ρ1v1的值较大,即界面两侧物质差异较大时,接收到的反射信号就比较强,反之则比较弱。由于接收到的反射信号携带了水下地层分界面的大量有用的地质信息,所以通过观测记录并分析海底沉积物对于声波的反射特性,就可以了解沉积物的地质属性,直观地描述地质构造。1.2海底浅部区域波场观测系统本文中信号采集设备为ATLASPARA-SOUND70(以下简称为P70)型深水参量浅地层剖面仪,其原理是利用声波在介质中传播的非线性特性,即2个沿同一方向传播的高频初始声波在远场介质中可以获得差频的声波信号。具体如下:参量阵换能器在高压下同时向水底发射2个频率接近的高频声波主频信号(f1,f2),在换能器以下会产生一系列二次频率声波信号,如f1,f2,(f1+f2),(f1-f2),2f1,2f2,声波信号改变2个主频(f1,f2)的频率就可以控制差频波(f1-f2)的频率,当f1,f2的频率非常接近时,差频(f1-f2)的频率相对低,但是其依然保持高频时的波束角不变,因此,差频信号具有很强的沉积层穿透能力以及横向分辨能力,可以用来精细探测海底浅部地层结构,同时,反射的主频声波(f1,f2)信号还可以用于精确的水深测量。P70浅地层剖面仪(见图2)是目前国际上最先进的、最灵活的、功能强大的浅地层剖面仪之一,换能器固定安装于船底,不仅可以发射连续波(continuouswave)脉冲,也可以发射脉冲调制的波形(chirpedpulse和barkercodedpulse),该系统主工作频率在18~40kHz之间,二次频率在0.5~6kHz之间,工作水深10~11000m,其具有良好的地层穿透能力和地层分辨能力,最大穿透深度可达200m,垂向地层分辨率达到15cm,其换能器共有256个发射通道,每个通道使用98Khz的初始采样率对测量数据进行采样并且都具有独立的24位A/D转换;该设备还具有发射角自动控制功能,因此,可以通过计算海底坡度,使窄波束很精确的入射到海底达到最佳剖面效果,增加回波强度,特别当海底地形变化复杂时,P70对海底跟踪能力很强。2噪比的基础信噪比和分辨率是衡量野外采集数据好坏的2个重要指标,其中,信噪比又是分辨率的基础。高质量的浅地层剖面数据首先对采集环境有着严格的要求,另外,一些常规的处理方法可以有效的提高数据信噪比以及分辨率,下面以实测剖面为例,列举一些处理手段进行对比分析。2.1信号幅度的影响Threshold和Clipping主要应用在数据显示方面,根据采集到的电信号的幅度,设置合适的Threshold值和Clipping值。前者表示信号幅度小于该值的信号都对应最小的可显示的颜色值,这样可以用来减弱背景噪音对有效信号识别的影响。但是,如果设置不合适,可能会影响真正的反射信号。而后者正相反,表示信号幅度大于该值的信号都对应可显示的最大的颜色值,根据沉积环境如果选择合适的Clipping参数,可以突出显示信号中的弱反射。图3为Threshold—Clipping处理效果比较,可以看出选择合适的Threshold和Clipping参数,可以使地层层次显示的更加清晰。2.2设置适当的滤波方案带通滤波是数据处理中的一种常用方法,通常是根据采集到的信号频带和其中有效信号的频带设置适当的高通、低通截止频率对数据进行滤波,可以起到降低噪音的效果。图4为同一剖面采用不同滤波参数剖面的显示效果比较,相对于右图,左图的滤波参数设置不合适导致深部的有效信号也被滤掉了,因此,要根据勘测目的选择合适的通带截止频率,保证不会损伤有效信号。2.3检测chrp子波在常规数据处理中,相关去噪主要是利用随机噪声之间或者噪声与有规律的周期信号之间是互不相关的特点来有效的去除噪声。对于浅地层剖面资料的处理,相关去噪有着更加特殊的应用,特别是针对脉冲调制型浅剖仪(chirpedpulse)采集到数据,相关是必不可少的信号处理方法,因为chirp子波本身就是一种似噪音波形,其采集到的信号与输入的chirp子波有最好的相似性,而线性噪音干扰与子波相似性很差,因此,相关处理后不仅可以很好的对反射信号进行脉冲压缩,而且可以压制噪音干扰,达到提高资料的分辨率和信噪比的目的。图5左是参量浅剖采集到的原始剖面,可以看到相关后,噪声得到了有效的抑制。2.4浅部及浅部地层反射信号的模拟时变增益常常用在地质雷达等资料的处理中,因为其发射信号频率比较高,因此,信号能量随穿透深度衰减比较迅速,所以,来自深部地层的有效反射信号相对于浅部地层反射信号弱很多,而浅地层剖面仪也具有相似特点,因此,在此引入底部时变增益技术来放大浅地层剖面资料中相对较深地层比较弱的反射信号(如图6右方框所示区域),有利于深部反射界面的显示以及后续的资料解释。2.5浅地层剖面水分含量反褶积是地震数据处理中的常用方法之一,其原理是通过压缩地震子波,再现地下地层的反射系数,从而获得更高时间分辨率的剖面。浅地层剖面数据与反射地震数据相似,因此也可以使用反褶积来提高剖面分辨率。通常,把地震记录表示为一个褶积模型,即地层脉冲响应与地震子波的褶积。这个子波有许多成分,包括震源信号、记录滤波器、地表反射及检波器响应。地层脉冲响应是当子波正好是一个脉冲时所记录到的地震记录。(1)反射系数序列法输出反射系数序列若地震波以脉冲bδ(t)形式激发,经过地层时无吸收,透射,和多次波反射等因素的影响,而前整个传播过程不存在随机干扰,这样可以得到理想的输出:这时得到的输出实际上就是反射系数序列,同实际地震记录相比,它有很高的分辨率,高频十分丰富。(2)脉冲反褶积原理实际地震记录模型x(t)由有效波s(t)和干扰波n(t)组成。有效波是指一次反射波,对反射波地震勘探而言,除一次反射波之外都是干扰波,一次反射波可以用以下褶积模型表示。式中:b(t)为地震子波;ζ(t)为反射系数序列。从上面2个模型可以看出如何获得高频的反射系数序列ζ(t)是反褶积的目的。反褶积计算可以利用维纳滤波即最小平方滤波的原理来实现,这种方法以一种最佳准则来设计滤波器,使滤波器的实际输出与期望输出的差的平方和最小。反褶积的实现过程如图7所示。图8为脉冲反褶积(白噪因子0.1)前、后剖面对比显示,可以看到,经过反褶积后,剖面分辨率有所改善。但是,反褶积在提高分辨率的同时,把有些频段的噪声也放大了,使信噪比下降,这是反褶积自身的主要问题之一,但如果数据本身信噪比足够高,可以忽略其影响。3浅地层剖面监测结果与分析浅地层剖面测量在海洋地质调查中有着广泛的应用,为海洋工程地质调查、区域地质调查、地质灾害防御