深拖數據處理關鍵技術研究與運用

朱友生 羅進華

（中海油田服務股份有限公司物探事業部 天津 300451）

朱友生，羅進華.深拖數據處理關鍵技術研究與運用［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：116-121.

采用傳統的船載或拖曳裝備方式在深水區進行工程勘察時，由于調查設備的傳感器與調查目標之間距離較大，致使采集的數據分辨率、精度和探測深度都大大降低，無法滿足深水油氣構筑物工程設計和施工的需要［1］。深拖（Deep-tow，DT）調查是將1種或幾種海洋調查儀器進行組合安裝在一條深水拖體上，通過將拖體沉放到預定深度來減少水體對儀器探測效果影響的一種深水工程物探方法［2］。深拖拖體在水下的深度超出了船生噪音和海面湍流的影響范圍，拉近了調查設備與探測海底之間的距離，有效消減了海水內的吸收和聲束散射引起的信號損失，最大程度地降低了虛假反射，提高了采集數據的分辨率、密度和精度，但同時也給其數據后處理帶來了一些問題，主要有定位數據不穩定造成測量結果誤差增大、側掃聲吶圖像呈現非海底底質因素造成的灰度不均衡、側掃聲吶資料中海底跟蹤不準確造成盲區消除不干凈、拖體在水下起伏變化造成淺地層剖面資料中存在海底假起伏等，因此使用常規的處理方法處理深拖數據難以取得較好的效果。本文針對深拖調查采集數據的特點，在自主程序開發的基礎上提出了相應的解決方法，并在實際應用中有效提高了深拖采集數據的質量和精度。

1 深拖定位數據處理

深拖在水下的坐標是通過超短基線（Ultra Short Base line，USBL）水下聲學定位系統提供的，計算拖體水下坐標的主要參數是USBL探頭至拖體的距離和相對方位角。由于現場測量環境和測量設備等因素的影響，USBL水下聲學定位系統測得目標的距離和相對方位角數據都具有不同程度的隨機離散性［3］，在深拖數據中表現為定位數據不穩定。這種定位數據不穩定對多波束測深和側掃聲吶圖像數據有著較大的影響，會造成深度值和圖像偏離實際位置，使測量誤差增大，在地形起伏區域尤其明顯。為了反映水下拖體真實運動軌跡的變化，使測得的地形地貌特征及淺地層剖面與實際位置相對應，需要對定位數據進行針對性處理，最終實現提高測量精度和質量的目的。

針對深拖數據的上述特點，本文提出的處理方法是：①從原始定位數據中提取時間及其對應的坐標信息；②對二維坐標進行一次中值濾波［3］，以剔除跳動過大的點（錯誤定位數據）；③對二維坐標進行兩次均值平滑［4-5］，以反映水下拖體運動趨勢；④從淺地層剖面、側掃聲吶和多波束的原始數據里提取每道或每個脈沖激發（Ping）對應的時間，根據第3步中已平滑的坐標插值計算該道或該Ping對應的坐標；⑤根據時間將插值后的坐標重新寫入原始數據中。從處理前后的對比效果圖（圖1）可以看出，平滑濾波后的定位數據波動性大大減小，更符合水下拖體的真實運動軌跡變化規律。

圖1 南海北部陸坡區域拖體的原始航跡（a）和處理后的航跡（b）Fig.1 Original（a）and post processed（b）track lines of DT in the continental slope area in the north of South China Sea

平滑濾波參數的選取應遵循下列幾個原則：①深拖拖體由數十米長、具有緩沖減震的臍帶纜拖曳，其處理后的航跡應相對穩定；②應能反映原始定位數據的趨勢；③由平滑后的定位數據處理生成的聲吶鑲嵌圖、多波束地形圖和相鄰測線測得的位置誤差應盡量小。圖2展示了南海北部陸坡區域原始定位數據及不同平滑濾波參數的平滑結果，其中參數1局部不滿足第1條原則，參數3則過于平滑，而使用參數2進行平滑后則滿足以上3點要求。

圖2 南海北部陸坡區域原始定位數據及不同平滑濾波參數的平滑結果Fig.2 Original navigation data and its smooth results using different smooth parameters in the continental slope area in the north of South China Sea

將南海北部陸坡區域多波束資料定位數據重新平滑調整后，測深值和實際位置偏差大大減小，相鄰測線測得水深一致性大為改善，更符合南海北部陸坡區域地形實際變化趨勢（圖3）。

圖3 使用原始定位數據處理（a）和使用平滑后定位數據處理（b）的南海北部陸坡區域多波束地形圖Fig.3 Multi-beam terrain image produced by original navigation data（a）and smoothed navigation data（b）in the continental slope area in the north of South China Sea

2 側掃聲吶圖像處理

針對深拖采集的側掃聲吶資料中普遍存在側掃聲吶圖像呈現非海底底質因素造成的灰度不均衡、海底跟蹤不準確造成的盲區消除不干凈等問題，本文提出了相應的處理方法。

2.1 灰度均衡

聲波回波強度主要受到海洋環境噪聲和聲波在傳播過程中能量衰減、聲波掠射角、波束指向性、海底底質的反向散射能力等因素的影響，其中海底底質的反向散射能力是主要關注的，其他幾個因素影響也應盡量消除。一般采用時變增益（Time Variant Gain，TVG）來消除距離對回波強度的影響，把灰度調整到相對恒定水平，但由于很難完全和衰減過程一致，有時效果并不是很理想，還有可能會造成新的灰度畸變［6-9］（圖4）。

圖4 南海北部陸坡區域側掃聲吶時變增益的結果Fig.4 Side scan sonar record using time varying gain（TVG）in the continental slope area in the north of South China Sea

為了消除灰度畸變，本文借鑒了國外學者對多波束反向散射強度隨入射角變化的研究方法。J E Hughes Clarke［10］在研究95 k Hz頻率多波束反向散射強度隨波束角度變化的過程中發現，隨著波束角的變化，反向散射強度會呈現一定的規律變化，且不同底質類型的散射曲線存在微小差異，即所謂的“角度響應曲線”。本文通過統計學方法得出了側掃聲吶的角度響應曲線，并根據這一曲線進行了振幅強度補償，以抵消由于入射角度不同導致的散射強度差異。采用的方法如下：

1）得出角度響應曲線。由于單Ping存在較大隨機性，因此需要在底質單一區域選擇一定數量的Ping用于平均。經驗表明，50 Ping的數據即能較好地反映出角度響應曲線。由于局部區域底質較均勻，為更好地壓制隨機噪音，本文使用了200 Ping的數據進行平均。

2）根據角度響應曲線進行振幅強度補償，即對信號振幅強度較大的區域乘以較小的補償系數，對振幅強度較小的區域乘以較大的補償系數，使信號振幅強度達到相對恒定的水平。灰度改正后，聲吶圖像處于一個灰度值相對恒定的背景中，突出了目標物（圖4、5中紅色橢圓內的3個點狀特征）。

以上是針對單側數據進行的處理。實際上，左右配重不均等多種原因經常會造成水下拖體姿態呈一定角度的傾斜，進而導致左右通道幅值不同。在這種情況下，要對左右通道分別進行幅值補償處理。

圖5 使用本文方法對南海北部陸坡區域側掃聲吶圖像進行灰度補償的結果Fig.5 Side scan sonar record after gray balance in the continental slope area in the north of South China Sea using the method in this paper

2.2 海底追蹤

側掃聲吶數據采集得到的資料中記錄了拖體高度，但由于海流和環境噪聲等對拖曳式拖體的位置和姿態影響很大，造成記錄的拖體高度不準確，尤其是在噪聲很強或者海底地形起伏變化較大時。常規側掃聲吶處理軟件斜距改正時產生不等比例拉伸，距離拖體正下方越近，拖體越高，拉伸越大。深拖采集時，拖體到海底的距離一般在70～100 m之間，由海底跟蹤不準確而造成的拖體正下方處位置誤差較大。如圖6a所示，由于南海北部陸坡區域海底附近存在“毛刺”狀干擾（圖6a右上角局部放大圖中紅色箭頭處），造成數據中記錄的拖體高度偏低；斜距改正后在拖體正下方留下較大空白（圖6b），也造成聲吶圖像地理編碼時位置不準確。

現有很多比較成熟的算法可以實現對海底的準確追蹤［11-13］。本文采用能量比值法與滾動時窗法相結合的方法，并對相鄰Ping的搜索范圍設定一個閾值，在南海北部陸坡區域海底追蹤實踐中取得了較好的效果，如圖7所示。

圖8為南海北部陸坡區域使用TVG和采集時記錄的拖體高度數據處理生成的聲吶鑲嵌圖和使用本文方法進行幅值補償和海底追蹤后生成的聲吶鑲嵌圖。可以看出，使用本文方法進行幅值補償和海底追蹤后生成的聲吶鑲嵌圖不僅色調均勻，消除了非海底底質因素造成的影響，而且斜距改正后在拖體正下方留下的空白區大大減小，聲圖地理編碼時位置更準確，更有利于地貌特征的識別和解譯。

圖6 南海北部陸坡區域側掃聲吶數據采集時記錄的高度（紅線）（a）及使用該數值進行斜距改正的結果（b）Fig.6 The recorded altitude（red line）（a）in the side scan sonar data acquisition in the continental slope area in the north of South China Sea and after slant range correction with the recorded altitude（b）

圖7 使用本文方法對南海北部陸坡區域的海底追蹤結果Fig.7 Seafloor tracing result in the continental slope area in the north of South China Sea using the method in this paper

圖8 南海北部陸坡區域聲吶鑲嵌圖Fig.8 Side scan sonar mosaic image in the continental slope area in the north of South China Sea

3 淺地層剖面海底歸位矯正處理

深拖調查時，拖體高度的起伏變化會在淺地層剖面資料上造成海底虛假起伏。為了消除這種海底虛假起伏，將地形特征準確反映在淺地層剖面上，本文采取了如下方法進行了海底歸位矯正：先從多波束測深數據中提取淺地層剖面每道處的水深值，用實測聲速剖面轉換為時間間隔；然后利用軟件拾取淺地層剖面海底的初至反射波，根據每道處的實際水深與海底初至波之間的關系計算出每道應延遲的時間，在每道采樣數據前填充“空白”數據，或以時延方式寫入淺地層剖面數據道頭中。

圖9 南海北部陸坡區域實測地形及剖面交叉處（紅線）Fig.9 The measured terrain and intercrossing lines（red line）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖10 原始交叉測線的南海北部陸坡區域淺地層剖面（紅線為交叉處）Fig.10 The original sub-bottom profile of intercrossing lines（red line is interaction points）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖11 處理后交叉測線的南海北部陸坡區域淺地層剖面（紅線為交叉處）Fig.11 The post-processed sub-bottom profile of intercrossing lines（red line is interaction points）in the continental slope area in the north of South China Sea

圖9～11展示的是南海北部陸坡區域2條交叉測線的海底地形及其淺地層剖面處理前后的效果。該地區地形非常平坦，水深起伏在2m之內（圖9），但由于深拖拖體在水下起伏變化，造成海底在淺地層剖面上產生了虛假起伏，交叉測線無法閉合，如圖10所示。使用本文方法對該地區深拖系統采集的淺地層剖面數據進行海底歸位矯正處理后，不僅消除了淺地層剖面上的海底虛假起伏，而且交叉測線地層反射界面閉合良好，有利于地層層位對比和解釋分析，如圖11所示。

4 結論

1）使用本文方法對定位數據進行處理后，數據波動性大大減小，更符合水下拖體真實運動軌跡。由于使用不同的參數所得的平滑程度不同，如何選擇最佳參數，應對不同的水深、海況等條件下采集的數據作具體分析。

2）本文對側掃聲吶圖像幅值的補償是基于散射強度隨掠射角的響應曲線得出的，因此選擇均勻、平整區域及足夠數量的聲吶數據進行統計是取得良好效果的關鍵。

3）淺地層剖面縱向采樣時間間隔很小（數十微秒），而地震道中以整數毫秒為單位記錄延遲，因精度不夠會造成鋸齒狀海底及地層。本文選擇將時間延遲轉換為采樣點的方法，避免了這種情況的發生，圖像質量得到了大幅改善。

4）本文分析成果都是建立在采集數據和定位數據相互匹配的基礎之上，由于采集數據和定位數據通過時間匹配來相互整合，時間的不同步將會造成調查數據的位置偏離其真實位置，導致誤差增大，因此在調查之前應對定位系統和深拖搭載的多波束、側掃聲吶、淺地層剖面的時間進行同步處理。

［1］李家鋼，翟毓彬，李強，等.中國深水油氣田工程勘察的階段劃分初探［J］.天然氣與石油，2013，31（5）：71-74.Li Jiagang，Zhai Yubin，Li Qiang，et al.Division of engineering investigation stages for deepwater oil and gas field in China［J］.Natural Gas and Oil，2013，31（5）：71-74.

［2］中國海洋石油總公司.Q／HS 3012—2012海上平臺場址和海底管道路由工程物探勘察［S］.北京：石油工業出版社，2012.China National Offshore Oil Corporation.Q／HS 3012-2012 Offshore platform site and submarine pipeline route engineering geophysical investigation［S］.Beijing：Petroleum Industry Press，2012.

［3］張恒，雷志輝，丁曉華.一種改進的中值濾波算法［J］.中國圖象圖形學報，2004，9（4）：408-411.Zhang Heng，Lei Zhihui，Ding Xiaohua.An improved method of median filter［J］.Journal of Image and Graphics，2004，9（4）：408-411.

［4］韓曉微，范立南，李浚圣，等.一種基于脈沖噪聲檢測的圖像均值濾波方法［J］.計算機工程與應用，2004，40（27）：102-104.Han Xiaowei，Fan Linan，Li Junsheng，et al.An image mean filtering algorithm based on impulse noise detection［J］.Computer Engineering and Applications，2004，40（27）：102-104.

［5］張旭明，徐濱士，董世運，等.自適應中值-加權均值混合濾波器［J］.光學技術，2004，30（6）：652-655，659.Zhang Xuming，Xu Binshi，Dong Shiyun，et al.Adaptive median-weighted mean hybrid filter［J］.Optical Technique，2004，30（6）：652-655，659.

［6］李軍，滕惠忠.側掃聲納數據的格式轉換及應用［J］.海洋測繪，2002，22（2）：36-38.Li Jun，Teng Huizhong.The format transformation and application of side scan sonar data［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2002，22（2）：36-38.

［7］蔣立軍，杜文萍，許楓.側掃聲納回波信號的增益控制［J］.海洋測繪，2002，22（3）：6-8.Jiang Lijun，Du Wenping，Xu Feng.Signal gain adjustment for side scan sonar［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2002，22（3）：6-8.

［8］張濟博，潘國富，丁維鳳.基于LOG算子的側掃聲吶海底線檢測［J］.海洋通報，2010，29（3）：324-328.Zhang Jibo，Pan Guofu，Ding Weifeng.Bottom track method in side-scan sonar data processing based on LOG operator［J］.Marine Science Bulletin，2010，29（3）：324-328.

［9］滕惠忠，嚴曉明，李勝全，等.側掃聲納圖像增強技術［J］.海洋測繪，2004，24（2）：47-49，70.Teng Huizhong，Yan Xiaoming，Li Shengquan，et al.Processing techniques of enhancement for side scan sonar images［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2004，24（2）：47-49，70.

［10］HUGHES C J E，DANFORTH B W，VALENTINE P.Areal seabed classification using backscatter angular response at 95 k Hz［C］∥Conference Proceeding Series CP-45，1997：243-250.

［11］劉秀娟，高抒，鄒文，等.淺地層剖面儀SEGY型數據文件的讀取［J］.物探化探計算技術，2007，29（3）：273-275.Liu Xiujuan，Gao Shu，Zou Wen，et al.Acquirement of SEGY data file of sub-bottom profiler［J］.Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，2007，29（3）：273-275.

［12］左國平，王彥春，隋榮亮.利用能量比法拾取地震初至的一種改進方法［J］.石油物探，2004，43（4）：345-347.Zuo Guoping，Wang Yanchun，Sui Rongliang.An improved method for first arrival pickup using energy ratio［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2004，43（4）：345-347.

［13］丁維鳳，羅進華，來向華，等.淺地層剖面交互拾取解釋技術研究［J］.海洋科學，2008，32（9）：1-6.Ding Weifeng，Luo Jinhua，Lai Xianghua，et al.The research of interactive interpretation picking for sub-bottom profile［J］.Marine Sciences，2008，32（9）：1-6.