CN110780340B

CN110780340B - 一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法

Info

Publication number: CN110780340B
Application number: CN201910966609.7A
Authority: CN
Inventors: 刘洪宁; 郑轶; 何传林; 杜金燕; 翟林
Original assignee: Ocean University of China; Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Ocean University of China; Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-10-12
Also published as: CN110780340A

Abstract

本发明公开了一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，包括如下步骤：(1)获取目标区域的声学数据；(2)根据获取的声学数据，确定简正波实测断点频率；(3)根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层厚度，确定目标区域的弹性软沉积层横波声速；或根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层横波声速，确定目标区域的弹性软沉积层厚度。本发明所公开的反演方法避免了传统方法需要将测量设备靠近海底布放以及弹性软沉积层中横波信号在长距离传播时衰减大，易被干扰的缺点，整个实施过程在海面附近完成，更加快速简便，可以准确确定弹性软沉积层横波声速或厚度。

Description

一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法

技术领域

本发明涉及浅海弹性软沉积层参数反演领域，特别涉及一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法。

背景技术

浅海占海洋面积的25％，但这一海域的沉积物却占海洋全部沉积物的90％，大量为泥沙质的软沉积层，海底沉积层参数的获取是海洋地质学、水声学领域研究热点。海底沉积层参数对于匹配场定位、声场预报、铺设海底电缆、潜艇隐藏地点选择、修筑港口、水雷的布放与排除等等军用、民用方面都有非常重要的作用。不同于重力取样、照相摄影等方法，海底参数声学反演具有不破坏底质结构、连续采样、快速获取、分析周期短等优势，是快速低成本获取局部海域环境参数信息的有效方法。

针对浅海弹性软沉积层参数反演的方法非常少见，尤其是弹性软沉积层的横波声速，目前的方法主要有两种，一是直接测量法，二是声学反演法。其中，直接测量法可分为实验室样品测量和海上原位测量，对物力、人力的消耗较大，测量结果只能反映测量点附近局部海域的情况。声学反演法是提取信号中微弱的横波信号或者横波纵波的干涉特征来进行反演，但是由于弹性软沉积层中的横波在远距离传播时衰减非常大，很难通过海面附近的声波特征进行计算，通常做法是将地震仪、水听器阵列等设备放到海底，再利用声源级较大的声源在靠近海底的位置激发声波，以上方法不仅具体实施时物力、人力的消耗较大，而且由于横波成分在信号中占比过小，容易被海底基底中的横波等成分干扰，浅海弹性软沉积层横波声速比较困难，误差大。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，以达到实施过程相对于原先布放地震仪、水听器阵列等设备更加简单，可以利用海面附近声信号特征准确确定弹性软沉积层的横波声速或厚度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，包括如下步骤：

(1)获取目标区域的声学数据；

(2)根据获取的声学数据，确定简正波实测断点频率；

(3)根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层厚度，确定目标区域的弹性软沉积层横波声速；

或根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层横波声速，确定目标区域的弹性软沉积层厚度。

上述方案中，所述步骤(1)的具体方法如下：

在目标区域进行声信号的发射和接收，声源的发射信号为宽带信号，声学接收器进行远场接收，声源与声学接收器位于水下靠近海面，声源发射的宽带信号经过目标海域传播，被声学接收器接收后，记录声学数据。

上述方案中，所述步骤(2)的具体方法如下：

1)将声学数据进行简正波分离形成时频分析谱图；

2)根据时频分析谱图获取简正波实测断点频率。

进一步的技术方案中，利用同步压缩小波变换对声学数据进行时频分析得到时频分析谱图。

上述方案中，所述海洋环境数据为目标区域水深，通过船载测深仪或查阅目标区域水深资料获取。

进一步的技术方案中，所述步骤(3)的具体方法如下：

当待反演参数为目标区域的弹性软沉积层横波声速时，则假设一组一定范围的离散横波声速，将该组离散横波声速以及提前获取的目标区域水深与弹性软沉积层厚度数据代入三层海洋环境数值计算模型中，得到与该组离散横波声速相对应的模拟断点频率，将模拟断点频率与相应号数的实测断点频率进行标准差计算，获取与最小标准差相对应的假设的横波声速就是目标区域的弹性软沉积层横波声速。

进一步的技术方案中，所述步骤(3)的具体方法如下：

当待反演参数为目标区域弹性软沉积层厚度时，则假设一组一定范围的离散厚度，将该组离散厚度以及提前获取的目标区域水深与弹性软沉积层横波声速数据代入三层海洋环境数值计算模型中，得到与该组离散厚度相对应的模拟断点频率，将模拟断点频率与相应号数的实测断点频率进行标准差计算，获取与最小标准差相对应的假设的厚度就是目标区域的弹性软沉积层厚度。

更进一步的技术方案中，所述三层海洋环境数值计算模型为水层―弹性软沉积层―绝对硬基底三层海洋环境数值计算模型，该模型包含7个参数，分别为水层密度、水层声速、水深、弹性软沉积层密度、弹性软沉积层纵波声速、弹性软沉积层横波声速和弹性软沉积层厚度。

优选地，所述三层海洋环境数值计算模型采用Kraken数值计算模型中的Krakenc数值计算模块进行计算。

通过上述技术方案，本发明提供的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法利用了弹性软沉积层中横波不容易被接收到的特点，且实施过程相对于原先布放地震仪、水听器阵列等设备更加简单，达到利用海面附近声信号特征准确确定弹性软沉积层的横波声速或厚度的技术效果。解决了现有方法中不能通过海面附近的声信号特征直接准确确定浅海弹性沉积层横波声速，横波声速容易被基底横波等其他因素干扰、衰减很大，不容易被接收到、结果不准确的问题。与现有方法中使用复杂的地震仪和水听器阵列的获取方式相比，避免了基底中声波的干扰，且更加快速简便，达到了准确确定弹性软沉积层横波声速或厚度的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的总体流程示意图；

图2为本发明的具体实施过程示意图；

图3为本发明实施例所公开的时频分析谱图；

图4为相速度和频率的关系曲线断点示意图；

图5为三层海洋环境数值计算模型示意图；

图6为本发明实施例所公开的与离散横波声速相对应的简正波断点频率示意图，图中“*”表示在表1所示的模拟环境条件下的获得的实测断点频率，“o”表示利用离散横波声速获得的模拟断点频率；

图7为本发明实施例反演弹性软沉积层横波声速与断点频率标准差之间的关系图；

图8为本发明实施例反演沉积层厚度与断点频率标准差之间的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，如图1和图2所示，具体实施例如下：

S1、获取目标区域的声学数据。

S11、在目标区域进行声信号的发射和接收，发射信号为宽带信号，声学接收器远场接收，声源与声学接收器靠近海面(水下)。

在本实施例中，需要说明的是，目标区域为浅海，水深小于200m，且海底需为软沉积层(横波声速小于水中声速，纵波声速大于水中声速)；宽带信号可以偏低频，低频有利于简正波分离，参考频率范围10-100Hz，但不限于此范围；声学接收器远场接收，声学接收器与声源之间的水平距离满足远场条件，在参考频率的前提下，参考水平距离为大于500m，但不限于此范围；声源与声学接收器靠近海面(水下)，参考深度为10m左右，声学接收器只需要一个水听器和信号记录装置，相较布放海底地震仪以及水听器阵列，此实施方式更加省时省力，达到了快速、准确获取弹性软沉积层横波声速或者厚度的技术效果。

S12、目标区域的声学数据为通过S11实施方式，声源发射的宽带信号经过目标海域传播，被声学接收器记录的声学数据。

S2、根据获取的声学数据，确定简正波实测断点频率。

S21、将声学数据进行简正波分离形成时频分析谱图；

S22、获取简正波实测断点频率。

在本实施例中，还需要说明的是，具体实施时声学数据会受到周围环境噪声干扰的问题，单纯直接使用声学数据，在时频分析谱图中会出现其他环境噪声干扰项，不容易找到简正波断点位置。针对上述技术问题，本发明通过带通滤波以及将接收信号和发射信号进行互相关方法处理，有利于提高接收信号信噪比，具有较好的分析效果。上述所列举处理方式只是为了更好地说明本申请实施方式，具体实施时也可以根据具体情况，选择其他的数据处理方式，达到提高信噪比的目的。

在本实施例中，直接使用声学数据进行时频分析时，可以直接使用一般的短时傅里叶变换(STFT)的方法，但是因为海森堡不确定性原理，不能同时获得准确的时间和频率分析，本发明使用同步压缩小波变换结合小波分析和重新分配方法，呈现出更好的时频分布结构，改善时频分析的效果。也可以结合基于信号的自适应径向高斯核函数(ARGK)的时频分析方法和二值掩模滤波的时频滤波方法,提取所需的模式，进一步提高简正波实测断点频率的准确性。在时频分析谱图中会出现各号简正波的亮条纹，各号简正波随着频率的增大，在某个频率处亮条纹会消失，出现截止现象。各号简正波对应的高频截止频率就是实测断点频率，如图3所示。

另外，在水层主要包含两部分声波，一部分为非均匀波，其具有距离水层-沉积层界面越远衰减越多的特点，在较远距离传播时，海面附近几乎接收不到非均匀波成分；另外一部分为可以远距离传播的简正波。这两部分的声波在相速度和频率的关系曲线图中表现为以水中声速为界的上下两部分，如图4所示，上半部分在水中的表现为简正波，下半部分在水中表现为非均匀波，可以看到，随频率的增大，相速度和频率的关系曲线会在某个频率处转化为非均匀波，而非均匀波又不能被接收到，所以在相速度与频率的关系曲线或者时频分析谱图中会形成断点。因此，本发明通过时频分析谱图可以很容易确定实测断点频率。

S3、根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层厚度，确定目标区域的弹性软沉积层横波声速。

海洋环境数据为目标区域水深，通过船载测深仪或查阅目标区域水深资料获取。

若待反演参数为目标区域的弹性软沉积层横波声速，则需要提前获取目标区域的弹性软沉积层厚度，弹性软沉积层厚度可以通过浅地层剖面仪等设备获取。

S31、三层海洋环境数值计算模型为水层―弹性软沉积层―绝对硬基底三层海洋环境数值计算模型，如图5所示，该模型包含7个参数，分别为水层密度，水层声速，水深，弹性软沉积层密度，弹性软沉积层纵波声速，弹性软沉积层横波声速，弹性软沉积层厚度。由于相较于海底声速和密度变化量，水层声速和水层密度的变化较小，可以将水层声速和水层密度设置为固定值，水层密度假设为1000kg/m³，水层声速1500m/s；经数值仿真发现简正波断点频率对基底参数以及弹性软沉积层密度以及弹性软沉积层纵波声速不敏感，所以设置基底为绝对硬，弹性软沉积层密度设置在相对宽松的合理区间，参考范围1000-3000kg/m³，弹性软沉积层纵波声速设置在相对宽松的合理区间，参考范围1600-2000m/s。

S32、假设一组一定范围的离散横波声速，将该组离散横波声速以及提前获取的目标区域水深与弹性软沉积层厚度数据代入三层海洋环境数值计算模型中，得到与该组离散横波声速相对应的模拟断点频率；

三层海洋环境数值计算模型为利用简正波理论推导获取，本发明选择Kraken数值计算模型中的Krakenc数值计算模块进行计算。Kraken程序的输入文本文件称为环境文件，其后缀名为.ENV，将这7个参数设置输入环境文件中，按照S11中的信号频率范围，拆分为1Hz频率间隔的离散频率，将这些离散频率逐一输入环境文件中，逐一运行数值计算模型，得到数量与离散频率数量相等的输出文件，后缀为.PRT，内容为对环境文件的文字描述及计算所得的水平波数与相速度，从每个.PRT文件中提取各号简正波的相速度，画出相速度与频率的关系曲线，找到相速度在水层声速附近的各号简正波的断点频率(模拟断点频率)，图4所示。

S34、将各号简正波的模拟断点频率与S22中的相应号数的实测断点频率进行标准差计算，最终获取与离散横波速度相对应的一系列离散标准差；

S36、从一系列离散标准差中选择最小值，最小值对应的假设的横波速度就是目标区域的弹性软沉积层横波声速。

在本实施方式中，简正波断点频率与弹性软沉积层横波声速呈近似正相关关系，上述一定范围的离散横波声速可以随机选择，由于所反演弹性软沉积层横波声速小于水中声速，所以离散横波声速的参考范围为0-1500m/s。

S3、根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层横波声速，确定目标区域的弹性软沉积层厚度。

若待反演参数为目标区域弹性软沉积层厚度，则需要提前获取目标区域的弹性软沉积层横波声速，弹性软沉积层横波声速可以通过原位测量或实验室测量等方式获取。

S31、三层海洋环境数值计算模型为水层―弹性软沉积层―绝对硬基底三层海洋环境模型，如图5所示，该模型包含7个参数，分别为水层密度，水层声速，水深，弹性软沉积层密度，弹性软沉积层纵波声速，弹性软沉积层横波声速，弹性软沉积层厚度。由于相较于海底声速和密度变化量，水层声速和水层密度的变化较小，可以将水层声速和水层密度设置为固定值，水层密度可假设为1000kg/m³，水层声速1500m/s；经数值仿真发现简正波断点频率对基底参数以及弹性软沉积层密度以及弹性软沉积层纵波声速不敏感。所以设置基底为绝对硬，弹性软沉积层密度设置在相对宽松的合理区间，参考范围1000-3000kg/m³，弹性软沉积层纵波声速设置在相对宽松的合理区间，参考范围1600-2000m/s。

S33、假设一组一定范围的离散厚度，将该组离散厚度以及提前获取的目标区域水深与弹性软沉积层横波声速数据代入三层海洋环境数值计算模型中，得到与该组离散厚度相对应的断点频率信息(模拟断点频率)；

三层海洋环境数值计算模型为在平面假设条件下，利用简正波理论推导获取，本发明选择Kraken数值计算模型中的Krakenc数值计算模块进行计算。Kraken程序的输入文本文件称为环境文件，其后缀名为.ENV，将这7个参数设置输入环境文件中，按照S11中的信号频率范围，拆分为1Hz频率间隔的离散频率，将这些离散频率逐一输入环境文件中，逐一运行数值计算模型，得到数量与离散频率数量相等的输出文件，后缀为.PRT，内容为对环境文件的文字描述及计算所得的水平波数与相速度，从每个.PRT文件中提取各号简正波的相速度，画出相速度与频率的关系曲线，找到相速度在水层声速附近的各号简正波的断点频率(模拟断点频率)，图4所示。

S35、将各号简正波的模拟断点频率与S22中相应号数的实测断点频率进行标准差计算，最终获取与该组离散厚度相对应的一系列离散标准差。

S37、从一系列离散标准差中选择最小值，最小值对应的假设的厚度就是目标区域的弹性软沉积层厚度。

在本实施方式中，由于简正波断点频率与弹性软沉积层厚度呈近似负相关关系，理论上离散厚度可以任意选择，为了快速准确的反演沉积层厚度，可以通过查阅海洋沉积层资料，设置目标区域的大致厚度范围。

下面对本发明的方法进行模拟验证，模拟海洋环境信息如表1所示。

表1模拟环境条件

	密度(kg/m<sup>3</sup>)	纵波声速(m/s)	横波声速(m/s)	厚度(m)
					水	1000	1500	-	40
沉积层	1200	1600	300	5
					基底	2200	3800	2800	-

1、反演横波声速

首先利用表1的数值进行仿真，假定声源深度为5m，水听器深度为6m，接收距离为3km，信号带宽10-100Hz，模拟得到声学数据，对接收信号使用同步压缩小波变换方法进行时频分析，如图3所示，得到第2、3号简正波的断点位置分别59.66Hz和89.16Hz。

假设在实际海洋环境中，我们通过地层剖面仪已经获取沉积层厚度为5m，由于断点位置对基底参数改变不敏感，所以假设基底为绝对硬边界，弹性软沉积层密度设置为2000kg/m³，弹性软沉积层纵波声速设置为1800m/s，将弹性软沉积层的横波声速设置在一定范围内(100-500m/s)，离散横波声速间隔为25m/s，将已知条件代入三层海洋环境数值模型中，得到与离散横波声速相对应的简正波断点频率，如图6所示，图中“*”表示在条件1下获得的实测断点频率，“o”表示利用离散横波声速获得的2、3号简正波的模拟断点频率。对两者进行标准差计算，得到弹性沉积层横波声速与断点频率标准差之间的关系，如图7所示，最小标准差对应的横波声速为275m/s，就是反演弹性沉积层横波声速。表1模拟弹性沉积层横波声速为300m/s，模拟结果与假设条件比较吻合。

反演厚度：

假设在实际海洋环境中，我们通过原位测量已经获取沉积层横波声速为300m/s，由于断点位置对基底参数改变不敏感，所以假设基底为绝对硬边界，弹性软沉积层密度设置为2000kg/m³，弹性软沉积层纵波声速设置为1800m/s，将弹性软沉积层的厚度设置在一定范围内(3-10m)，离散横波声速间隔为1m，将已知条件代入三层海洋环境数值模型中，得到与离散厚度相对应的简正波断点频率(模拟断点频率)，将模拟断点频率与声学数据时频分析谱图中的实测断点频率进行标准差计算，得到弹性沉积层厚度与断点频率标准差之间的关系，如图8所示，最小标准差对应的厚度为5m，就是反演弹性沉积层厚度。表1模拟弹性沉积层厚度为5m，模拟结果与假设条件比较吻合。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）获取目标区域的声学数据；

（2）根据获取的声学数据，确定简正波实测断点频率；

（3）根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层厚度，确定目标区域的弹性软沉积层横波声速；

或根据简正波实测断点频率，结合海洋环境数据和已获得的弹性软沉积层横波声速，确定目标区域的弹性软沉积层厚度；

所述断点频率为在时频分析谱图中，随着频率的增大，各号简正波的亮条纹消失时的频率。

2.根据权利要求1所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体方法如下：

3.根据权利要求1所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体方法如下：

1）将声学数据进行简正波分离形成时频分析谱图；

2）根据时频分析谱图获取简正波实测断点频率。

4.根据权利要求3所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，利用同步压缩小波变换对声学数据进行时频分析得到时频分析谱图。

5.根据权利要求1所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述海洋环境数据为目标区域水深，通过船载测深仪或查阅目标区域水深资料获取。

6.根据权利要求5所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体方法如下：

7.根据权利要求5所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体方法如下：

8.根据权利要求6或7所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述三层海洋环境数值计算模型为水层―弹性软沉积层―绝对硬基底三层海洋环境数值计算模型，该模型包含7个参数，分别为水层密度、水层声速、水深、弹性软沉积层密度、弹性软沉积层纵波声速、弹性软沉积层横波声速和弹性软沉积层厚度。

9.根据权利要求8所述的一种浅海弹性软沉积层横波声速或厚度的反演方法，其特征在于，所述三层海洋环境数值计算模型采用Kraken数值计算模型中的Krakenc数值计算模块进行计算。