基于Duilib庫的海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件開發(fā)

趙文強(qiáng),景建恩,楊 杰,趙慶獻(xiàn),羅賢虎

(1.中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；4.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760)

0 引言

海洋可控源電磁法(MCSEM)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中取得顯著成效，已成為國內(nèi)、外海洋油氣和天然氣水合物勘查的有效手段之一[1]。這吸引了越來越多的油氣公司、高等院校及科研單位對(duì)此方法的關(guān)注，并紛紛開展相關(guān)的研究工作。

國內(nèi)、外學(xué)者對(duì)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理做了大量的研究，MacGregor[2]對(duì)海洋地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用快速傅立葉變換方法，對(duì)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析；Behrens[3]在其博士論文中介紹了數(shù)據(jù)處理的相關(guān)技術(shù)及流程；Lu[4-5]則介紹了數(shù)據(jù)處理的基本步驟并申請(qǐng)了專利；Wright[6]研究了壓制天然場(chǎng)源噪聲的方法；Mittet[7]介紹了能夠突出異常信息的歸一化幅值曲線計(jì)算方法；Nordskag[8]對(duì)消除海水層的電磁響應(yīng)進(jìn)行了理論研究。此外，一些學(xué)者討論了空氣波的壓制方法[9-10]。國內(nèi)學(xué)者在海洋可控源電磁數(shù)據(jù)方面也開展了一些研究工作，林昕等[11]研究了兩種提高海洋可控源電磁數(shù)據(jù)信噪比的方法；劉寧等[12]研究了時(shí)變雙邊濾波法；李予國等[13]對(duì)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法進(jìn)行了總結(jié)。一些學(xué)者則開發(fā)了MCSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理的可視化軟件。

目前海洋可控源電磁數(shù)據(jù)處理程序大多是采用MATLAB或C++語言進(jìn)行編寫，可視化界面少，操作復(fù)雜、在實(shí)際生產(chǎn)中難以推廣和實(shí)施[14]。傳統(tǒng)的MFC框架所開發(fā)的界面過于死板，并且其封裝性加大了界面優(yōu)化和改動(dòng)的難度，往往出現(xiàn)代碼體積較大，影響后續(xù)開發(fā)者的工作效率。顯然，隨著預(yù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，尋找一套簡(jiǎn)便的開發(fā)工具，編寫一套操作簡(jiǎn)單、界面友好、可視化程度高和擴(kuò)展性強(qiáng)的海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，將具有重要的實(shí)際意義。

筆者采用Duilib庫進(jìn)行海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件開發(fā)，將用戶界面和消息處理邏輯徹底分離，通過在Duilib庫中加載XML腳本，解決MFC基礎(chǔ)控件功能單一以及界面不美觀等問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、解析并加載電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)可視化、電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)頻譜分解、發(fā)射機(jī)電流數(shù)據(jù)的頻域處理及可視化、導(dǎo)航數(shù)據(jù)與頻譜數(shù)據(jù)合并及歸一化處理、MVO(振幅隨偏移距變化)和PVO(相位隨偏移距變化)曲線生成及數(shù)據(jù)顯示等多項(xiàng)功能。最后，通過與前人處理結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了處理軟件的正確性可靠性，并對(duì)我國某海域的可控源電磁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

1 電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件開發(fā)

1.1 海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理原理

海洋可控源電磁探測(cè)，是將電磁發(fā)射機(jī)拖曳至近海底，通過水平電偶極向海底發(fā)射大功率電磁波，由布設(shè)在海底靜止的電磁接收機(jī)采集人工源電磁場(chǎng)信號(hào)[17]。

如圖1所示，AB為電偶極子，方向與Z軸方向一致。假設(shè)偶極子位于球坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，發(fā)射電流的強(qiáng)度為I，偶極矩為dL。在均勻的全空間內(nèi)，當(dāng)電阻率為ρ時(shí)，根據(jù)電磁場(chǎng)理論可以計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)P(r，θ，φ)的電偶極子的電場(chǎng)值為：

(1)

(2)

圖1 均勻空間中電偶極子源Fig.1 Electric dipole source in uniform space

圖2 MCSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖Fig.2 MCSEM data preprocessing flow chart

測(cè)量時(shí)，采集站記錄的是時(shí)間域電磁場(chǎng)信號(hào)，海洋電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)資料通常在頻率域進(jìn)行，因此在預(yù)處理時(shí)需要將時(shí)間域電磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào)[13]。采集站自由釋放至海底，方位是不確定的，因此要對(duì)采集的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方位和水平矯正[16]。最后與發(fā)射機(jī)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)合并處理后，可以獲得MVO和PVO曲線(圖2)。

1.2 Duilib界面庫簡(jiǎn)介

Duilib是我國自主開發(fā)的DirectUI界面庫，是一款強(qiáng)大的開源界面開發(fā)工具，支持Windows32、WindowsCE、Mobile等平臺(tái)，由C++開發(fā)，遵循BSD協(xié)議[17]。采用Duilib庫開發(fā)應(yīng)用軟件，具有工作效率高、開發(fā)周期短、兼容性好、界面美觀等優(yōu)點(diǎn)。Duilib兼容ActiveX插件，可以與MFC界面庫共同使用，已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)客戶端、手機(jī)客戶端、車載電腦系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。

圖3 Duilib界面設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flow chart of duilib interface design

Duilib的主要原理就是將界面和邏輯徹底分離，提高界面開發(fā)效率。整個(gè)流程如圖3所示，利用Duilib設(shè)計(jì)界面的工作主要包括三個(gè)內(nèi)容：加載并解析XML、顯示XML界面、消息傳遞及響應(yīng)。

1.3 軟件框架設(shè)計(jì)

本軟件旨在處理由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)所研發(fā)的海洋可控源電磁儀器所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算結(jié)果用于后期的二維反演。基于VS2013平臺(tái)，采用C++語言編寫，使用Duilib界面庫與MFC進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)需求軟件的具體功能如下：

1)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

2)解析并加載人工源電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3)電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)可視化。

4)發(fā)射電流與電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)譜分析與顯示。

5)電磁場(chǎng)頻譜的歸一化處理。

6)導(dǎo)航數(shù)據(jù)與歸一化數(shù)據(jù)合并與導(dǎo)出。

7)MVO和PVO曲線生成與顯示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)MVC結(jié)構(gòu)圖Fig.4 MVC structure chart of software design

圖6 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)原理Fig.6 Principles of software development and design

圖5 軟件設(shè)計(jì)MVC結(jié)構(gòu)圖Fig.5 MVC structure chart of software design

軟件整體功能及相應(yīng)模塊如圖4所示，根據(jù)軟件的功能，可將程序分為：①數(shù)據(jù)計(jì)算模塊;②圖形顯示模塊;③數(shù)據(jù)模塊;④界面設(shè)計(jì)模塊。數(shù)據(jù)計(jì)算模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)的FFT變換，歸一化處理以及振幅和相位的計(jì)算。圖形顯示模塊用于對(duì)原始數(shù)據(jù)和MVO、PVO曲線的繪制。數(shù)據(jù)模塊用于對(duì)原始數(shù)據(jù)的讀取，各參數(shù)的定義以及計(jì)算結(jié)果的更新和輸出。界面設(shè)計(jì)模塊也就是用XML文件來設(shè)計(jì)軟件界面。各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是通過函數(shù)的調(diào)用來完成。

通過對(duì)軟件的模塊劃分主要設(shè)計(jì)的類有：

class TabOpenTsFile；//解析數(shù)據(jù)類

class TsEnvModel;//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類

class TsViewHelper;//數(shù)據(jù)圖像繪制類

class FFTProcessModel;//數(shù)據(jù)處理類

class GlobalConstants;//參數(shù)及數(shù)據(jù)類

1.4 軟件開發(fā)模式

海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件采用MFC和Duilib界面庫渲染技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。傳統(tǒng)的模型(Model)-視圖(View)-控制器(Controller) (MVC)設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能邏輯、數(shù)據(jù)模型和界面UI交互的功能解耦。這里采用MVC進(jìn)行程序框架的架構(gòu)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)模型層、界面層和控制層(圖5)，其中控制層連接數(shù)據(jù)模型層和界面層，完成數(shù)據(jù)更新和顯示；界面層用于人機(jī)交互以及圖形顯示；數(shù)據(jù)層保存原始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。該開發(fā)模式能夠極大的提高軟件開發(fā)效率，減少了對(duì)軟件的后期維護(hù)和再開發(fā)的困難。

圖7 原始數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Raw data comparison chart(a)前人軟件數(shù)據(jù)結(jié)果；(b)本軟件數(shù)據(jù)結(jié)果

1.5 功能實(shí)現(xiàn)

軟件在開發(fā)過程中，基于XML文件+UI引擎+Win32框架(圖6)來實(shí)現(xiàn)軟件的各個(gè)功能界面。編寫XML文件完成界面整體框架設(shè)計(jì)，使用UI引擎調(diào)用XML文件實(shí)現(xiàn)界面渲染，最后使用Win32框架的Duilib消息處理機(jī)制，完成各個(gè)界面窗口的消息處理與消息傳遞。針對(duì)Windows系統(tǒng)平臺(tái)的特點(diǎn)，在進(jìn)行快速FFT變換時(shí)采用了多線程編程，增加了變換速度，提高了計(jì)算效率。參照海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程，以及數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法原理完成功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，最后通過用戶界面的生成實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果可視化的效果。

雞、鴨、魚、肉類菜肴基本都要做加熱前的調(diào)味，最關(guān)鍵就在于去除腥臊味；青筍、黃瓜等配料，也常先用鹽腌除水，確定其基本味。

圖8 MVO與PVO對(duì)比圖Fig.8 MVO and PVO comparison chart(a)前人軟件數(shù)據(jù)結(jié)果；(b)本軟件數(shù)據(jù)結(jié)果

1.5.1 XML文件編寫

在進(jìn)行XML文件編寫時(shí)，根據(jù)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件的需求，用戶界面分為：繪圖區(qū)，菜單選擇區(qū)，編輯區(qū)。繪圖區(qū)用于繪制原始數(shù)據(jù)曲線、計(jì)算結(jié)果曲線。菜單選擇區(qū)用于選擇不同的功能。編輯區(qū)用于選擇和編輯數(shù)據(jù)處理過程所需的參數(shù)以及文件的加載和圖片的保存。為了保證本軟件在操作過程中的簡(jiǎn)便性和界面美觀，XML文件編寫時(shí)，主要采用了水平布局，垂直布局以及選項(xiàng)布局三種布局方式。

1.5.2 XML文件解析并顯示界面

CPaintManagerUI m_PaintManager;

m_PaintManager.Init(m_hWnd);//主窗口類與窗口句柄關(guān)聯(lián)

CDialogBuilder builder;// 聲明窗口構(gòu)造器

CControlUI*pRoot=builder.Create(_T("

ASSERT(pRoot&&"Failed to parseXML");

m_PaintManager.AttachDialog(pRoot);//創(chuàng)建控件樹

m_PaintManager.AddNotifier(this);//添加控件等

消息響應(yīng)

m_pMainWnd->Create(NULL，_T("MainWnd")，UI_CLASSSTYLE_DIALOG，WS_EX_STATICEDGE|WS_EX_APPWINDOW，0，0，600，800);//注冊(cè)窗口類，創(chuàng)建窗口

m_pMainWnd->CenterWindow();

m_pMainWnd->ShowModal();//顯示窗口、進(jìn)入窗口消息循環(huán)

1.5.3 建立消息響應(yīng)

界面生成之后，需要重寫相應(yīng)函數(shù)Notify以響應(yīng)用戶請(qǐng)求的事件。這里以按鈕事件為例進(jìn)行介紹，主要包括3個(gè)步驟。

1)調(diào)用AddNotifier函數(shù)將消息加入Duilib的消息循環(huán)。

2)給按鈕設(shè)置一個(gè)唯一的控件ID。

3)在Notify函數(shù)里處理消息。

步驟1)在重寫HandleMessage函數(shù)時(shí)已經(jīng)完成，步驟2)是在編寫XML時(shí)完成的。當(dāng)用戶進(jìn)行點(diǎn)擊按鈕操作時(shí)，需要在Notify函數(shù)中進(jìn)行判斷點(diǎn)擊的按鈕以及實(shí)現(xiàn)。至此實(shí)現(xiàn)了主界面的編寫、顯示以及消息的響應(yīng)。

圖9 實(shí)測(cè)MCSEM數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.9 Data processing results of measured MCSEM(a)MVO曲線；(b)PVO曲線

2 軟件測(cè)試

對(duì)我國某海域?qū)崪y(cè)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并檢測(cè)軟件的可靠性。選取相同時(shí)間段電磁場(chǎng)時(shí)間序列的原始信號(hào)，與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王銘等[14]所開發(fā)的處理軟件進(jìn)行對(duì)比(圖7)，由圖7可以看出，本軟件與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件顯示結(jié)果相同。

選取相同的處理參數(shù)，對(duì)同一測(cè)站的海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到各自的MVO與PVO曲線。這里頻譜分析采用FFT變換，選取的窗口類型都為Hanning窗和窗口長(zhǎng)度都為4 096(圖8)。

對(duì)比圖8(a)和圖8(b)發(fā)現(xiàn)，本軟件得到的MVO曲線能夠得到更大的收發(fā)距，在計(jì)算過程中，本軟件采用頻率域振幅疊加的方法壓制實(shí)測(cè)信號(hào)中的噪聲，提高了信噪比，因此獲得了較大的收發(fā)距。由于本軟件集成化較好，加上對(duì)計(jì)算方法和程序進(jìn)行優(yōu)化處理，處理一條測(cè)線9個(gè)測(cè)點(diǎn)的處理效率提升了近35%。對(duì)比中可以看出PVO曲線差異較大，是由于本軟件對(duì)儀器內(nèi)置原子鐘產(chǎn)生的時(shí)間漂移而引起相位誤差進(jìn)行了矯正，得到了相對(duì)準(zhǔn)確的相位結(jié)果。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

通過與前人編寫的處理軟件進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本軟件的正確性，因此本軟件可用于生產(chǎn)任務(wù)中的MCSEM數(shù)據(jù)處理。利用本軟件處理了中國地質(zhì)大學(xué)(北京)與廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在2018年南海某海域采集的MCSEM數(shù)據(jù)，本次對(duì)一條測(cè)線9個(gè)測(cè)點(diǎn)8Hz的人工源電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖9顯示了最后的 MVO、PVO曲線,各顏色代表了不同測(cè)點(diǎn)的處理結(jié)果。

4 結(jié)論

利用筆者開發(fā)的預(yù)處理軟件對(duì)實(shí)測(cè)海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到了滿意的MVO與PVO曲線，又通過與前人軟件的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文所開發(fā)軟件的可靠性。最后通過對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的處理表明，筆者開發(fā)的軟件具有操作簡(jiǎn)單、處理高效的特點(diǎn)，為將來實(shí)際海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理提供了技術(shù)與軟件支持。

筆者開發(fā)的軟件采用Duilib界面庫進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件的開發(fā)，對(duì)于傳統(tǒng)的處理軟件進(jìn)行了界面的優(yōu)化和集成，提高了數(shù)據(jù)預(yù)處理的效率，具有極大的推廣價(jià)值。對(duì)于Duilib界面庫開發(fā)可視化軟件的步驟進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的介紹，這是一個(gè)新的嘗試，并對(duì)相關(guān)的地球物理數(shù)據(jù)處理可視化軟件開發(fā)具有一定的借鑒意義。