CN102183766B - 一种合成孔径地层层析方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种合成孔径地层层析方法，首先通过低频宽带信号脉冲压缩处理获得深度维高分辨力，及足够的地层穿透性能；然后针对海水、海底分层数据应用不同声速进行合成孔径处理获得走航维高分辨力；最后通过分层二维前向归一化后置处理解决界面模糊问题并进一步提高海底地层分辨力。本发明有益的效果是：本技术发明成功地把合成孔径技术应用到地层层析领域。本发明中采用不同分层数据应用不同声速的合成孔径处理方法进行海底地层层析，以提高地层层析系统在走航维的分辨力；同时在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理以进一步解决界面模糊问题并提高地层分辨力。

Description

一种合成孔径地层层析方法

技术领域

本发明属于海底地层探测、海洋勘察新技术领域，主要是一种合成孔径地层层析方法。

背景技术

海洋中蕴含丰富的矿物资源，了解海底地层结构对于海洋勘察(探石油、天然气等)相当重要；同时海洋也是我们进行各种海事活动的平台，了解海底地层结构对于海洋工程(修建海岸码头、海堤平台；海底管道铺设、隧道开通等)、海底威胁探测(海底火山分布结构，掩埋雷布置等)都至关重要。

海底地层层析是通过相应的方法、手段来了解海底地层沉积层序、地层层理特征的一门地质分析技术。当前最常用的是进行钻探、取样分析来获取地层信息，但由于海洋复杂情况，发射低频穿透声波、进行回波反演则是大范围海底地层层析最好方法。目前在国际上尚无成熟的海底地层层析系统，应用比较普遍的是浅剖系统，浅剖系统面临着走航维成像分辨力不足问题，对一些小目标或者细致地层纹理无法分辨，因此实现海底地层层析的关键是要突破成像分辨力限制。在本发明创新中采用合成孔径技术进行海底地层层析，以提高其在走航维的分辨力，同时在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理以进一步解决界面模糊问题并提高地层分辨力。把合成孔径技术应用海底地层层析处理目前在国际上尚属于首例，有很多关键问题需要解决。如地层中声速是变化问题，声波在分层之间穿透时折射问题，以及合成孔径地层层析引起的海水、海底分界面模糊问题等，这些因素都将影响合成孔径的增益输出。解决这些关键问题将有力推进合成孔径技术应用范围，创造性地使其从传统的探测地形、地貌领域扩展至地层层析领域。

合成孔径地层层析技术，首先通过低频宽带信号脉冲压缩处理获得深度维高分辨力，及足够的地层穿透性能；然后对不同分层数据应用不同声速进行合成孔径处理获得走航维高分辨力；最后通过分层二维前向归一化后置处理进一步提高海底地层分辨力。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述技术的不足，而提供一种合成孔径地层层析方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种合成孔径地层层析方法，包括步骤如下：

(1)、获取地层回波信号：发射低频宽带信号，采用线性调频信号带宽为1～15kHz，获得的分层界面反射回波进行通过全频段匹配滤波处理；

(2)、合成孔径地层层析：采用声阵垂直向下宽波束发射/接收的工作方式，对于地层回波合成孔径处理，同一时刻接收一个立体的圆弧波阵面的回波，在信号处理方法上采用常规合成孔径算法进行合成孔径聚焦波束形成处理；

(3)、分层合成孔径处理：应用底跟踪方法将回波数据分为海水和海底两个部分，然后根据对海水、海底数据应用对应的声速值进行合成孔径处理，以提高地层层析分辨力；

(4)、在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理；针对海水、海底分别进行归一化处理，解决不同深度的海底地层回波衰减很快问题，同时初步抑制了由于合成孔径处理而引起的界面模糊问题，并提高地层分辨力，突显地层层析效果。

作为优选，采用组合发射换能器，采用顺序发射方式：一组换能器先发射1kHz-5kHz的LFM信号，发射时间约占总脉宽的1/3；紧接着另一组换能器发射5kHz-15kHz的LFM信号，发射时间约占总脉宽的2/3。

作为优选，采用为时延聚焦合成孔径处理方法，即把匹配滤波后数据用离散形式表示ss(n，m)，m，n分别表示走航维样本点和深度维样本点(m＝1，2，…M；n＝1，2，…N)，则图像输出

$\mathrm{ff}(n,m)=\underset{i=1}{\overset{L_{\mathrm{SA}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ss}(n+\mathrm{\τ}(n,i),m+i)---\left(2\right)$

式中L_SA为方位向合成孔径长度，τ(i，n)定义为距离徙动曲线引起的时延变化量

$\mathrm{\τ}(n,i)=\sqrt{n^2+[2f_s\·i\·d/c]}-n,i=\mathrm{1,2},\·\·\·L_{\mathrm{SA}}---\left(3\right)$

其中d为空间采用间距，c为声速，[·]表示取整操作，为获得精确延时在处理中进行采样插值操作。

作为优选，将地层回波中海水数据和海底数据进行分离，对其应用不同声速值进行合成孔径处理；

●底跟踪处理将海水、海底数据分离：

获得匹配滤波后数据能量并短时积分

$\mathrm{Ess}(m,n)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{ss}(m,n+j)\right|---\left(4\right)$

$\mathrm{EEss}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ess}(m,n)---\left(5\right)$

当Ess(m，n)≥0.707*EEss(m)判N_s(θ)＝n时刻为海底；

●分层合成孔径处理：

将分离后的海水、海底数据应用不同声速数据进行合成孔径地层层析，在合成孔径处理中，海水和海底的分界面附近形成一个模糊带，这个模糊带通过后置归一化处理。

本发明有益的效果是：本技术发明成功地把合成孔径技术应用到地层层析领域。本发明中采用不同分层数据应用不同声速的合成孔径处理方法进行海底地层层析，以提高地层层析系统在走航维的分辨力；同时在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理以进一步解决界面模糊问题并提高地层分辨力。

附图说明

图1：地层回波合成孔径处理的几何关系；

图2：声速变化对合成孔径波束影响；

图3：分层合成孔径地层层析处理流程；

图4：大面积地层剖面数据地层层析结果；

图5：海底掩埋目标的三维地层成像结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明中采用合成孔径技术进行海底地层层析，以提高地层层析系统在走航维的分辨力，同时在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理以进一步解决界面模糊问题并提高地层分辨力。海底地层层析是通过相应的方法、手段来了解海底地层沉积层序、地层层理特征的一门地质分析技术。当前最常用的是进行钻探、取样分析来获取地层信息，但由于海洋复杂情况，发射低频穿透声波、进行回波反演则是大范围海底地层层析最好方法。目前在国际上尚无成熟的海底地层层析系统，应用比较普遍的是浅剖系统，浅剖系统面临着走航维成像分辨力不足问题，对一些小目标或者细致地层纹理无法分辨，在本发明中提出把合成孔径技术应用于海底地层层析以突破成像分辨力限制问题。合成孔径地层层析方法，首先通过低频宽带信号脉冲压缩处理获得深度维高分辨力，及足够的地层穿透性能；然后针对海水、海底分层数据应用不同声速进行合成孔径处理获得走航维高分辨力；最后通过分层二维前向归一化后置处理解决界面模糊问题并进一步提高海底地层分辨力。

如图所示，这种合成孔径地层层析方法，包括步骤如下：

1.获取地层回波信号

发射低频宽带信号，以获得足够地层穿透性能和地层层析分辨力。采用线性调频信号带宽为1～15kHz，获得的分层界面反射回波进行通过全频段匹配滤波处理获得理论距离分辨力为5.3cm。

由于换能器工艺问题很难实现低频大宽带，这里采用组合发射换能器，为实现宽带1～15kHz工作，本方案中采用顺序发射方式：一组换能器先发射1kHz-5kHz的LFM信号(发射时间约占总脉宽的1/3)，紧接着另一组换能器发射5kHz-15kHz的LFM信号(发射时间约占总脉宽的2/3)。

低频宽带信号在穿透地层过程中，会在地层分层的界面上产生强反射，从而获得包含地层信息的地层回波信号，通过对回波信号其进行匹配滤波处理可以初步反演地层介质的分层信息。

2.合成孔径地层层析

为了实现地层层析，采用声阵垂直向下宽波束发射/接收的工作方式，它与传统的侧扫合成孔径工作方式存在很大差别。对于地层回波合成孔径处理，同一时刻接收一个立体的圆弧波阵面的回波，其几何关系如图1示意图所示。图中声纳平台在位置A处，其垂直于走航方向上圆弧波阵面的任意两个点目标P1和P2，它们到接收阵的声程相等(r1＝r2)，当平台运动到B位置处，此两个目标的声程依然相等(r1’＝r2’)，在走航方向上接收回波信号仍然满足抛物线聚焦准则。

$R=\sqrt{r^2+x^2}---\left(1\right)$

可见，虽然地层回波是多目标叠加在一起，但是每一个反射目标的延时曲线与常规的侧扫方式的合成孔径处理获得的延时关系曲线相同，所以在信号处理方法上我们仍然可以使用常规合成孔径算法进行合成孔径聚焦波束形成处理。

本方案采用为时延聚焦合成孔径处理方法，即把匹配滤波后数据用离散形式表示ss(n，m)，m，n分别表示走航维样本点和深度维样本点(m＝1，2，…M；n＝1，2，…N)，则图像输出

$\mathrm{ff}(n,m)=\underset{i=1}{\overset{L_{\mathrm{SA}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ss}(n+\mathrm{\τ}(n,i),m+i)---\left(2\right)$

式中L_SA为方位向合成孔径长度，τ(i，n)定义为距离徙动曲线引起的时延变化量

$\mathrm{\τ}(n,i)=\sqrt{n^2+[2f_s\·i\·d/c]}-n,$ i＝1，2，…L_SA    (3)

其中d为空间采用间距，c为声速，[·]表示取整操作。为获得精确延时在处理中进行升采样插值操作。

3.分层合成孔径处理

海水、海底中的声速变化对合成孔径处理增益影响很大，图2仿真海水深度100米，地层深度10米，水中声速1500米/秒，地层声速1550米/秒，模拟实际地层回波的声速分别为1500米/秒、1550米/秒、1600米/秒、1650米/秒，一个点目标回波进行合成孔径处理后的波束图(横坐标为走航方向长度，纵坐标是合成后的正横波束输出值)，分析表明，需要控制声速误差在6.4％范围内时，才能使得合成孔径处理处理影响很小。

为此在进行合成孔径地层层析过程中，需要根据回波数据不同声速变化应用不同声速值进行合成孔径处理，对于海水数据可以近似认为c＝1500米/秒，而对于海底数据，不同分层介质声速有很大变化，但是对于浅地层(30米范围内)声速变化一般在1550～1650米/秒以内，取其平均值c＝1600米/秒，则声速误差在6.4％范围内，对合成孔径处理处理影响很小。为此我们需要将地层回波中海水数据和海底数据进行分离，对其应用不同声速值进行合成孔径处理。。

●底跟踪处理将海水、海底数据分离

获得匹配滤波后数据能量并短时积分

$\mathrm{Ess}(m,n)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{ss}(m,n+j)\right|---\left(4\right)$

$\mathrm{EEss}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ess}(m,n)---\left(5\right)$

当Ess(m，n)≥0.707*EEss(m)判N_s(θ)＝n时刻为海底。

●分层合成孔径处理流程

将分离后的海水、海底数据应用不同声速数据进行合成孔径地层层析，流程如图3所示。在合成孔径处理中，海水和海底的分界面由于抛物线孔径聚焦相加原因，会在界面附近形成一个模糊带，这个模糊带我们通过后置归一化处理进行抑制

4、基于底跟踪的分层二维前向归一化

分层二维前向归一化解决了三个问题，一是不同深度的海底地层回波衰减很快，二是紧靠海底的水中虚影(由于合成孔径处理形成的模糊带)不能太明显，三是水中目标与海底地层统一进行归一化结果会显现出方位离散问题。(本技术发明方案成功与多波束处理相结合构建成三维地层层析系统，下面公式中出现的角度θ为多波束处理后的结果)

●底跟踪处理

分层二维前向归一化之前首先要对多波束输出时间序列做斜距修正和海底跟踪。斜距修正需要进行内插重采样，统一显示成深度。海底跟踪采用滑动窗短时(32点)平均幅度过门限的检测方法，门限设置为对应方位的整个时间轴上(不含脉冲头)平均值的0.707，并记录各个波束的海底界面位置。(尽可能把海底上面的虚影归结到海底地层)。

${\mathrm{Ey}}_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{\θ}}(n+j)$ θ＝1:K，n＝1:N-M    (6)

${\mathrm{EEy}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)---\left(7\right)$

当Ey_θ(n)≥0.707*EEy_θ判N₀(θ)＝n时刻为海底

Ey_θ(n)为经过匹配滤波处理、分层合成孔径处理以及多波束处理后，在θ角度方向上的能量序列值。

●海水数据归一化

水中(目标)图像显示只做全局归一化处理，使背景全局平均值(不含脉冲头)归一化

到16。要求背景平均值计算两次，第二次统计不包含大于上次平均值3倍的点。

${\mathrm{ESy}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}\underset{n=1}{\overset{N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)---\left(8\right)$

$\mathrm{ESy}=\frac{1}{K}\underset{\mathrm{\θ}=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ESy}}_{\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

K为包含有效海水数据的波束数据。

y_θ′(n)＝y_θ(n)当y_θ′(n)≥3*ESy y_θ′(n)＝ESy    (10)

${\mathrm{ESy}}^{\′}=\frac{1}{K}\underset{\mathrm{\θ}=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}\underset{n=1}{\overset{N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\Σ}}}{y_{\mathrm{\θ}}}^{\′}\left(n\right)---\left(11\right)$

y_θ′(n)＝y_θ(n)/ESy′*16n≤N₀(θ)(12)

●海底数据归一化

不同方位海底混响的归一化，取该方位整个海底地层的混响强度平均值的1/2次方作为归一化因子。

$\mathrm{EDy}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{N-N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}\underset{n=1}{\overset{N-N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)---\left(13\right)$

y′_θ(n)＝y_θ(n)/sqrt(EDy(θ))n≥N₀(θ)(14)

海底地层显示对不同方位波束采用同一个时间归一化因子，计算各个方位时间轴上的短时(32点)平均，再进行方位归一化因子加权的方位统计平均，采用平均值的1/2次方作为归一化因子。近距离处按实际波束数进行平均。

$\mathrm{EDy}\left(n\right)=\frac{1}{K\left(n\right)}\underset{\mathrm{\θ}=1}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Ey}}_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)/\mathrm{sqrt}\left(\mathrm{EDy}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)---\left(15\right)$

y″_θ(n)＝y_θ′(n)/sqrt(EDy(n-5))n≥N₀(θ)(16)

最终在放大量作用之前海底地层平均值归一化到64。

${\mathrm{EEy}}^{\′\′}=\frac{1}{K}\underset{\mathrm{\θ}=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{N-N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}\underset{n=N_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y_{\mathrm{\θ}}}^{\′\′}\left(n\right)---\left(17\right)$

y″′_θ(n)＝y_θ″(n)/EEy″*64n≥N₀(θ)(18)

5.海底地层层析的海试结果

本技术发明与多波束技术相结合可构建三维海底地层成像系统，图4、图5为本技术发明应用于三维海底地层成像系统，于2010年10月对舟山海区的丰富地层区域和掩埋雷目标区域进行了地层成像探测试验结果，从图中看出本技术发明具有获得良好地层层析效果。

最后应说明，以上实例仅用以说明本发明的技术方案并且不限与此，而是在应用上可以延伸到其它的修改，变化，应用，并且认为所有这样的修改，变化，应用，实施实例都在本发明的精神和范围内。

Claims (3)

1.一种合成孔径地层层析方法，其特征是：包括步骤如下：

（1）、获取地层回波信号：发射低频宽带信号，采用线性调频信号带宽为1～15kHz，获得的分层界面反射回波进行通过全频段匹配滤波处理；

（2）、合成孔径地层层析：采用声阵垂直向下宽波束发射/接收的工作方式，对于地层回波合成孔径处理，同一时刻接收一个立体的圆弧波阵面的回波，在信号处理方法上采用常规合成孔径算法进行合成孔径聚焦波束形成处理；

（3）、分层合成孔径处理：应用底跟踪方法将回波数据分为海水和海底两个部分，然后根据对海水、海底数据应用对应的声速值进行合成孔径处理；

（4）、针对海水、海底分别进行归一化处理，即在合成孔径处理的基础上进行分层二维前向归一化后置处理；

将地层回波中海水数据和海底数据进行分离，对其应用不同声速值进行合成孔径处理；

●底跟踪处理将海水、海底数据分离：

获得匹配滤波后数据能量并短时积分

$\mathrm{Ess}(m,n)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{ss}(m,n+j)\right|---\left(4\right)$

$\mathrm{EEss}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ess}(m,n)---\left(5\right)$

当Ess(m,n)≥0.707*EEss(m)判N_s(θ)=n时刻为海底；

●分层合成孔径处理：

将分离后的海水、海底数据应用不同声速数据进行合成孔径地层层析，在合成孔径处理中，海水和海底的分界面附近形成一个模糊带，这个模糊带通过后置归一化处理；

其中m,n分别表示走航维样本点和深度维样本点，ss(m,n)为匹配滤波后能量数据。

2.根据权利要求1所述的合成孔径地层层析方法，其特征是：采用组合发射换能器，采用顺序发射方式：一组换能器先发射1kHz-5kHz的LFM信号，发射时间约占总脉宽的1/3；紧接着另一组换能器发射5kHz-15kHz的LFM信号，发射时间约占总脉宽的2/3。

3.根据权利要求1所述的合成孔径地层层析方法，其特征是：采用为时延聚焦合成孔径处理方法，即把匹配滤波后数据用离散形式表示ss(n,m)，m,n分别表示走航维样本点和深度维样本点m=1,2,…M；n=1,2,…N，则图像输出

$\mathrm{ff}(n,m)=\underset{i=1}{\overset{L_{\mathrm{SA}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ss}(n+\mathrm{\τ}(n,i),m+i)---\left(2\right)$

式中L_SA为方位向合成孔径长度，τ(i,n)定义为距离徙动曲线引起的时延变化量

$\mathrm{\τ}(n,i)=\sqrt{n^2+[{2f}_s\·i\·d/c]}-n,$ i=1,2,…L_SA            (3)

其中d为空间采用间距，c为声速，[·]表示取整操作，为获得精确延时在处理中进行采样插值操作，f_s为采样频率。

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