成像測井中超聲圖像退化原因分析與復(fù)原方法研究

【摘要】 通過對超聲成像測井中因井壁聲斑的非理想性所引造成圖像退化因素的詳細(xì)分析；并基于現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)與實際測井資料的比對深入研究換能器的傳輸特性并尋求最佳點擴展函數(shù)；從而設(shè)計出退化圖像的最佳復(fù)原算法，為進(jìn)一步提高采樣圖像的清晰度與分辨率提供了有效方案。

【關(guān)鍵詞】 超聲成像 退化圖像 復(fù)原研究

【中圖分類號】P631.84 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

1.引言

超聲成像測井方法以其特有的全井眼覆蓋、圖像直觀、操作方便、適用范圍廣等諸多優(yōu)勢，在現(xiàn)場測井中得到了廣泛應(yīng)用；其不僅可在裸眼井中清晰反映出井眼的孔洞、層理、識別裂縫、幾何形狀等，還可在套管井中檢測套管損壞程度、射孔質(zhì)量及評價固井質(zhì)量等等。但同時也存在成像分辨率不足、受泥漿與井眼影響大等缺點[1]。

在實施成像測井過程中，由于各種退化因素的影響導(dǎo)致成像的分辨率下降，從而直接影響到工程人員對井壁特征的分析評價。因此，如何提高成像質(zhì)量就顯得十分迫切與重要；對于超聲成像測井系統(tǒng)而言，造成圖像退化的主要原因是來自于超聲波投射至井壁成像的非理想性；若采用信號處理方式來改善超聲成像的分辨率與質(zhì)量，就必須深入研究超聲換能器的傳輸特性，從現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)與測井資料中精確估計出換能器的最佳點擴展函數(shù)[2]，并在此基礎(chǔ)之上設(shè)計退化圖像的最優(yōu)恢復(fù)算法，以進(jìn)一步提高采樣圖像的清晰度與分辨率。

2.超聲圖像退化原因分析與復(fù)原算法研究

2.1 超聲成像測井中圖像退化的數(shù)學(xué)建模與退化原因分析

該圖展現(xiàn)了超聲成像測井儀（UBI/USI/UCI）采用的幾種不同類型換能器的頻率大小與其在探測面上所形成聲斑面積大小。由圖可見：對于使用頻率為2M的高頻超聲聚焦換能器UCI而言，其聲斑直徑只有0.4cm；而對于0.265cm / 點的掃描分辨率而言，該換能器的點擴展函數(shù)可視為沖激響應(yīng)，其對圖像的退化影響可忽略不計；而對于使用頻率為500K的聚焦換能器UBI而言，其聲斑直徑約為0.5cm，其對圖像的退化影響也可不予考慮；但對于使用頻率為500K左右的平面超聲換能器USI而言，其聲斑直徑達(dá)到了3cm，其對圖像的退化作用則表現(xiàn)的相當(dāng)明顯[6]。

基于上述分析：當(dāng)聲斑直徑8倍于旋轉(zhuǎn)掃描分辨率時，采取進(jìn)一步提高掃描分辨率的方式對于改善圖像清晰度的意義不大。

2.2 換能器旋轉(zhuǎn)運動對超聲圖像的退化影響分析

假設(shè)換能器所發(fā)出的超聲波束為理想沖擊響應(yīng)：如圖3（Ⅰ）所示：A點的回波聲幅僅為在該段（S1弧線標(biāo)注）旋轉(zhuǎn)掃描期間井壁各點的回波聲幅對時間的積分；B點對應(yīng)弧段的井壁信息對A點回波聲幅無影響[7]；若超聲波束為一具有一定直徑的聲斑：如圖3（II）所示；則A點的回波聲幅為S2弧線標(biāo)注弧段井壁各點回波聲幅對時間的積分， B點對應(yīng)弧段的井壁信息則對A點的回波聲幅則產(chǎn)生了平滑作用。

在上述井徑直徑、每圈掃描點數(shù)與旋轉(zhuǎn)掃描速度一定的情況下；每點的寬度約為0.265cm，每點的掃描時間約為0.39ms；對于聲斑直徑為0.4cm的超聲波束而言，旋轉(zhuǎn)掃描所帶來的相鄰井壁超聲回波的平滑干擾是客觀存在的；考慮到波束能量主要集中于聲斑中心區(qū)域可不予考慮。但當(dāng)聲斑直徑過大時，相鄰區(qū)域的井壁信息對圖像的平滑作用就比較突出。

基于上述分析，換能器旋轉(zhuǎn)運動對圖像退化的影響歸結(jié)于在水平方向上擴展了點擴展函數(shù)：即擴大了水平方向的聲斑寬度約一個掃描間隔；因此，對于平面超聲換能器而言，由于聲斑直徑約3cm左右，遠(yuǎn)大于掃描點寬度0.265cm，故造成圖像退化的主要原因是換能器點擴展函數(shù)的擴展效應(yīng)導(dǎo)致井壁上所形成的聲斑面積過大[8]；而旋轉(zhuǎn)運動等所造成圖像退化的因素影響較之要小。因此，在實際成像復(fù)原處理中，應(yīng)著重解決換能器點擴展函數(shù)的退化復(fù)原問題。

2.3 超聲成像測井中退化圖像復(fù)原的難點分析

綜上所述，針對超聲成像測井中的退化圖像復(fù)原操作：若能較好地估計出換能器的點擴展函數(shù)，即使通過經(jīng)典圖像復(fù)原算法也能夠使得退化圖像得到進(jìn)一步改善；而對于超聲換能器而言，可通過在一個具有點、線特征的模型井中進(jìn)行刻度并通過信號處理方式獲取其點擴展函數(shù)，基于該函數(shù)對獲取的成像測井資料進(jìn)行圖像復(fù)原處理亦可達(dá)到較好的效果。

3.結(jié)語

實現(xiàn)超聲成像測井的定量化分析，超聲換能器傳輸特性隨井下環(huán)境變化的校正、設(shè)計性能更佳的換能器、改進(jìn)儀器發(fā)射接收方式；點擴展函數(shù)對成像分辨率的影響校正等正是亟待深入研究的課題；隨著技術(shù)的進(jìn)步超聲成像測井資料將會發(fā)揮更大的作用。

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