基于希爾伯特變換的Chirp信號淺地層剖面數據分析及轉換

鄭紅波 ，閻 貧 ，王彥林 ，邢玉清

（1.中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.中國科學院廣州天然氣水合物研究中心，廣東 廣州 510640）

基于希爾伯特變換的Chirp信號淺地層剖面數據分析及轉換

鄭紅波1,2，閻 貧1，王彥林1，邢玉清1

（1.中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.中國科學院廣州天然氣水合物研究中心，廣東 廣州 510640）

淺地層剖面系統在海洋工程勘察、海洋礦產資源探測等方面發揮著重要的作用。美國EdgeTech公司生產的3200系列是一種應用較為廣泛的Chirp信號淺地層剖面系統，該儀器原始記錄的JSF格式數據與傳統的SEGY地震數據格式存在很多不同的地方，具體體現在文件頭和道頭部分，特別是數據記錄方式上它同時記錄了包絡信號和振幅信號兩種類型的數據。因此，編寫適用的C程序代碼將JSF原始數據轉換為包絡信號和振幅信號兩種類型的SEG-Y標準地震數據，并運用該程序讀取并轉換了南海北部某區域的實測淺剖數據，并分析了淺剖資料解釋中采用包絡信號數據的原因，為利用振幅信號數據反演海底反射系數等后續工作奠定了基礎。

Chirp信號淺剖儀；希爾伯特變換；格式轉換

淺地層剖面儀是用來探測海底（或者湖底和河底）淺部地層結構和構造或人為對象的（沉船、管線）位置、大面積勘測海底沉積層底質類型[1-2]的主要儀器。它可以探測海底以下非常精細的結構，最新的線性調頻聲納淺地層剖面儀（Chirp信號），其垂向分辨率達到厘米級別，穿透深度大[3]。通過淺地層剖面記錄，能判別海底的反射強度、沉積基底和水動力條件，識別海底淺層的地質構造，如精細的海底地形、海底滑坡、斷層、海底麻坑、丘狀沉積體、泥底辟沉積等淺層結構和沉積特征[4-6]。在海洋工程勘察、海底沉積物分類、海底礦產資源探測（富鈷結殼和天然氣水合物）等方面發揮著關鍵作用。

Chirp信號淺地層剖面數據是基于希爾伯特（Hilbert）變換的解析信號的包絡，它類似于地震數據處理中的瞬時振幅，它正比于該時刻地震信號總能量的平方根，利用這種特征便于確定特殊巖層的變化，因此才廣泛應用于海洋沉積層探測的淺地層剖面數據中，但包絡信號不能用于物性解釋或與物性相關的計算中。而利用Chirp信號的真振幅信息可以反演計算出海底的反射系數，進而可以定量的對海底底質進行分類，國外學者已經在這方面進行了很多的研究工作并取得了很好的效果。因此，通過對Chirp信號淺地層剖面數據進行分析，編寫解析信號與包絡信號這兩種淺剖數據記錄方式的轉換，并將之轉換成標準的SEGY地震數據，使它們能被導入到地震數據處理系統中進行數據處理以及反演等工作。

1 方法

1.1 Hilbert變換的理論基礎

希爾伯特（Hilbert）變換是一種在數字信號處理中常用的信號處理方法，它廣泛應用于電子儀器、工業自動化、地震勘探等行業的數字信號處理過程中[7-9]。

一個實信號x(t)的希爾伯特變換定義為：

于是得到x(t)的解析信號：

g(t)的幅值為：

即為原始信號x(t)的包絡。

淺剖儀通過自激自收的方式記錄的實際振幅信號為x(t)，記錄的包絡信號為A(t)。

1.2 淺剖數據格式說明

文中所用的Chirp信號淺地層剖面儀是美國EdgeTech公司生產的3200，該型號的淺剖儀采用的是JSF為擴展名的原始數據文件[10]，該類型數據廣泛應用于該公司生產的海底地質調查設備中（如低頻、高頻旁掃聲納、淺剖儀等）。一個標準的*.JSF文件的格式結構如圖1（A）所示，標準的SEG-Y文件格式結構如圖1（B）所示。

圖1 JSF與SEG-Y數據文件格式結構示意圖

從圖中可以看出，一個完整的JSF數據由一系列的記錄道數據塊組成。每個記錄道數據塊包括3個部分，第1部分為16個字節的消息頭文件（Message Header），主要記錄了數據類型、儀器類型、該道數據大小等信息，表1為該部分數據結構說明；第2部分為240字節的頭文件（Header），由一些4字節和2字節二進制整型數組成，主要記錄了儀器測量的炮號、數據格式（包絡數據、解析數據）、導航信息（經緯度等）、采樣間隔、采樣點個數、權重系數等信息，表2為該部分數據結構說明；第3部分為數據塊文件，所有的數據都由16位2字節的整型數據組成。當Header文件中的數據格式為包絡數據時，數據文件中數據個數等于采樣點個數；當數據格式為解析數據時，因為每個采樣點包含2個數據（實部和虛部），因此數據文件中數據個數等于采樣點個數的2倍；當儀器類型為淺剖儀時，數據格式一般默認是解析數據。假設在數據塊文件中讀取的某個數據值為整數M，該道的權重系數為N，該位置上實際的數據值應為浮點型數據A，則A=M*2-N即為儀器記錄的實際數值。

1.3 讀取方法與轉換程序

前面介紹了JSF文件的數據結構，為了方便廣大研究人員的使用，這里給出了一個讀取JSF格式淺剖數據并將之轉換成包絡數值和實際振幅數值的SEGY格式數據的C語言程序范例。為減少篇幅，僅給出關鍵語句，未對特殊情況作判斷處理。假設程序打開的是一個JSF格式淺剖數據文件，其文件指針為fp1，輸出的包絡數值SEGY格式數據文件指針為fp2，輸出的振幅數值SEGY格式數據文件指針為fp3，這里定義最大數據個數為65 536。其主程序主要代碼如下：

表1 JSF數據消息頭文件（Message Header）部分數據結構及說明

表2 JSF數據頭文件（Header）部分數據結構及說明

限于篇幅的原因，只給出了程序的框架，在此基礎上其他研究學者和用戶很容易將其擴充為一個完整的轉換程序，將Edgetech3200型淺剖儀JSF原始數據轉換為包絡信號和真振幅信號兩種類型的微機格式的SEG-Y地震數據，對于UNIX用戶，只要稍作改動即可。

2 結果

運行上述程序對南海北部東沙海域某段JSF淺剖數據進行讀取并分別轉換為包絡信號和振幅信號兩種形式的SEG-Y數據。圖2和圖3分別為兩種信號的SEG-Y數據在地震數據處理系統中顯示出來的剖面圖。從兩張海底地層剖面圖中可以發現，包絡信號的海底反射剖面圖主要的地層層位比較清晰，而振幅信號的剖面圖上地層層位則比較模糊，很難分辨出主要的地層層位，如圖2中方框所示部分；而對同一地層層位中的精細結構，包絡信號的剖面顯示就比較模清晰的顯示出來，這就是我們一般采用包絡信號的淺地層剖面數據進行地質解釋的原因。

圖2 包絡信號SEG-Y數據的剖面顯示

3 結論

通過對Edgetech3200型淺剖儀文件存貯格式的分析，可糊，而振幅信號的剖面顯示則較為清晰，如圖2中橢圓中所示部分。我們知道，淺剖儀所使用的聲波震源頻率一般很高，范圍從幾十至幾百kHz之間，經過地層反射回來后的振幅信號主頻也較高，可達幾千赫茲，因此它對地層結構的微小變化反應比較靈敏，能分辨層內較為精細的結構，這種對地層結構變化反應的“過度靈敏”使得主層位的大振幅及其鄰近的內部層位的小振幅混合在一起，從而使主層位附近振幅“毛刺”過多從而難以清晰的辨別；而經過希爾伯特變換后的包絡信號則主頻大大降低，只有幾百赫茲，它忽略了地層內部的細微變化，過濾了這些“毛刺”，從而使主地層層位較為以更充分地了解該型淺剖儀數據的內部機制，從而更好地利用這些信息進行二次開發。將淺剖儀記錄的原始記錄數據轉換為包絡信號和振幅信號兩種形式的SEG-Y數據，既分析了包絡信號數據在地質解釋上的優勢，又為利用振幅信號數據反演海底沉積物反射系數、孔隙度等后續工作奠定了基礎。

圖3 振幅信號SEG-Y數據的剖面顯示

[1]LR LeBlanc,LMaye,MRufino,et al.Marine Sediment Classification Usingthe Chirp Sonar[J].J Acoust Soc Am,1992,91(1):107-115.

[2]S G Schock.Remote Estimates of Physical and Acoustic Sediment Properties in the South China Sea Using Chirp Sonar Data and the Biot Model[J].IEEE Journal ofOceanic Engineering,2004,29(4):1218-1230.

[3]DWCaress.Some Comments on the Signal ProcessingUsed byChirp SubbottomProfilers.2009.http://www.mbari.org/data/mbsystem/sonarfunction/SubbottomProcessing/subbottomdataprocessing.html

[4]閻貧，陳多福.南海北部白云凹陷滲漏型天然氣水合物地球物理證據[J].熱帶海洋學報.2009,28(3):85.

[5]朱德兵.工程地球物理方法技術研究現狀綜述[J].地球物理學進展.2002,17(1):163-170.

[6]劉秀娟,高抒,趙鐵虎.淺地層剖面原始數據中海底反射信號的識別及海底地形的自動提取[J].物探與化探.2009,33(5):576-579.

[7]肖劍,柳斌,郭亞龍,等.基于希爾伯特變換的干涉儀信號處理[J].探測與控制學報,2010,32(1):80-83.

[8]劉毅華,王媛媛,宋執環.基于平穩小波包分解和希爾伯特變換的故障特征自適應提取[J].電工技術學報,2009,2:145-149.

[9]張偉,王彥春,李洪臣,等.地震道瞬時強度比法拾取初至波[J].地球物理學進展,2009,24(1):201-204.

[10]Edge Tech.Description ofThe Edgetech(.jsf)File Format,2009.

Sub-bottom Profile Data Analysis and Transformation for the Chirp Signal Based on Hilbert Transform

ZHENG Hong-bo1，2,YAN Pin1,WANG Yan-lin1,XING Yu-qing1
(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510301,China;2.Guangzhou Center for Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Sub-bottom profile system has played an important role in the marine engineering survey,exploration of marine mineral resources,et al.The kind of 3200 series sub-bottom profile system produced by EdgeTech Company of America is a widely used sub-bottom profile based on chirp signal.The JSF format is very different from the standard SEG-Y format,embodied on file header and trace header.Especially,the original data of JSF format include amplitude data and envelop data.At the same time,the code of program with C language is compiled to read the original data of JSF format and transform the data to two types of seismic data of SEG-Y format.Finally,practical data in the northern South China Sea was read and converted by the program.The reason why envelop data profile was adopted to interpret sea-bottom geological structure was explained,which has established foundation for inversion of seabed reflection coefficient with the amplitude data.

Chirp signal sub-bottom profile system;Hilbert transform;format transform

P736

B

1003-2029（2012）01-0091-05

2011-08-12

中國科學院廣州天然氣水合物研究中心開放基金資助項目（CASHYD07s2）；中國科學院聲場聲信息國家重點實驗室資助項目（SLKOA201106）；973課題“南海中生代主動邊緣的構造系統、盆地改造及油氣資源潛力”（2007CB411706）

鄭紅波（1981-），男，碩士，主要從事海洋地球物理研究。Email：hongbozheng@china.com.cn