基于希尔伯特变换的Chirp信号浅地层剖面数据分析及转换

郑红波 ，阎 贫 ，王彦林 ，邢玉清

（1.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；2.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广东 广州 510640）

基于希尔伯特变换的Chirp信号浅地层剖面数据分析及转换

郑红波1,2，阎 贫1，王彦林1，邢玉清1

（1.中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；2.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广东 广州 510640）

浅地层剖面系统在海洋工程勘察、海洋矿产资源探测等方面发挥着重要的作用。美国EdgeTech公司生产的3200系列是一种应用较为广泛的Chirp信号浅地层剖面系统，该仪器原始记录的JSF格式数据与传统的SEGY地震数据格式存在很多不同的地方，具体体现在文件头和道头部分，特别是数据记录方式上它同时记录了包络信号和振幅信号两种类型的数据。因此，编写适用的C程序代码将JSF原始数据转换为包络信号和振幅信号两种类型的SEG-Y标准地震数据，并运用该程序读取并转换了南海北部某区域的实测浅剖数据，并分析了浅剖资料解释中采用包络信号数据的原因，为利用振幅信号数据反演海底反射系数等后续工作奠定了基础。

Chirp信号浅剖仪；希尔伯特变换；格式转换

浅地层剖面仪是用来探测海底（或者湖底和河底）浅部地层结构和构造或人为对象的（沉船、管线）位置、大面积勘测海底沉积层底质类型[1-2]的主要仪器。它可以探测海底以下非常精细的结构，最新的线性调频声纳浅地层剖面仪（Chirp信号），其垂向分辨率达到厘米级别，穿透深度大[3]。通过浅地层剖面记录，能判别海底的反射强度、沉积基底和水动力条件，识别海底浅层的地质构造，如精细的海底地形、海底滑坡、断层、海底麻坑、丘状沉积体、泥底辟沉积等浅层结构和沉积特征[4-6]。在海洋工程勘察、海底沉积物分类、海底矿产资源探测（富钴结壳和天然气水合物）等方面发挥着关键作用。

Chirp信号浅地层剖面数据是基于希尔伯特（Hilbert）变换的解析信号的包络，它类似于地震数据处理中的瞬时振幅，它正比于该时刻地震信号总能量的平方根，利用这种特征便于确定特殊岩层的变化，因此才广泛应用于海洋沉积层探测的浅地层剖面数据中，但包络信号不能用于物性解释或与物性相关的计算中。而利用Chirp信号的真振幅信息可以反演计算出海底的反射系数，进而可以定量的对海底底质进行分类，国外学者已经在这方面进行了很多的研究工作并取得了很好的效果。因此，通过对Chirp信号浅地层剖面数据进行分析，编写解析信号与包络信号这两种浅剖数据记录方式的转换，并将之转换成标准的SEGY地震数据，使它们能被导入到地震数据处理系统中进行数据处理以及反演等工作。

1 方法

1.1 Hilbert变换的理论基础

希尔伯特（Hilbert）变换是一种在数字信号处理中常用的信号处理方法，它广泛应用于电子仪器、工业自动化、地震勘探等行业的数字信号处理过程中[7-9]。

一个实信号x(t)的希尔伯特变换定义为：

于是得到x(t)的解析信号：

g(t)的幅值为：

即为原始信号x(t)的包络。

浅剖仪通过自激自收的方式记录的实际振幅信号为x(t)，记录的包络信号为A(t)。

1.2 浅剖数据格式说明

文中所用的Chirp信号浅地层剖面仪是美国EdgeTech公司生产的3200，该型号的浅剖仪采用的是JSF为扩展名的原始数据文件[10]，该类型数据广泛应用于该公司生产的海底地质调查设备中（如低频、高频旁扫声纳、浅剖仪等）。一个标准的*.JSF文件的格式结构如图1（A）所示，标准的SEG-Y文件格式结构如图1（B）所示。

图1 JSF与SEG-Y数据文件格式结构示意图

从图中可以看出，一个完整的JSF数据由一系列的记录道数据块组成。每个记录道数据块包括3个部分，第1部分为16个字节的消息头文件（Message Header），主要记录了数据类型、仪器类型、该道数据大小等信息，表1为该部分数据结构说明；第2部分为240字节的头文件（Header），由一些4字节和2字节二进制整型数组成，主要记录了仪器测量的炮号、数据格式（包络数据、解析数据）、导航信息（经纬度等）、采样间隔、采样点个数、权重系数等信息，表2为该部分数据结构说明；第3部分为数据块文件，所有的数据都由16位2字节的整型数据组成。当Header文件中的数据格式为包络数据时，数据文件中数据个数等于采样点个数；当数据格式为解析数据时，因为每个采样点包含2个数据（实部和虚部），因此数据文件中数据个数等于采样点个数的2倍；当仪器类型为浅剖仪时，数据格式一般默认是解析数据。假设在数据块文件中读取的某个数据值为整数M，该道的权重系数为N，该位置上实际的数据值应为浮点型数据A，则A=M*2-N即为仪器记录的实际数值。

1.3 读取方法与转换程序

前面介绍了JSF文件的数据结构，为了方便广大研究人员的使用，这里给出了一个读取JSF格式浅剖数据并将之转换成包络数值和实际振幅数值的SEGY格式数据的C语言程序范例。为减少篇幅，仅给出关键语句，未对特殊情况作判断处理。假设程序打开的是一个JSF格式浅剖数据文件，其文件指针为fp1，输出的包络数值SEGY格式数据文件指针为fp2，输出的振幅数值SEGY格式数据文件指针为fp3，这里定义最大数据个数为65 536。其主程序主要代码如下：

表1 JSF数据消息头文件（Message Header）部分数据结构及说明

表2 JSF数据头文件（Header）部分数据结构及说明

限于篇幅的原因，只给出了程序的框架，在此基础上其他研究学者和用户很容易将其扩充为一个完整的转换程序，将Edgetech3200型浅剖仪JSF原始数据转换为包络信号和真振幅信号两种类型的微机格式的SEG-Y地震数据，对于UNIX用户，只要稍作改动即可。

2 结果

运行上述程序对南海北部东沙海域某段JSF浅剖数据进行读取并分别转换为包络信号和振幅信号两种形式的SEG-Y数据。图2和图3分别为两种信号的SEG-Y数据在地震数据处理系统中显示出来的剖面图。从两张海底地层剖面图中可以发现，包络信号的海底反射剖面图主要的地层层位比较清晰，而振幅信号的剖面图上地层层位则比较模糊，很难分辨出主要的地层层位，如图2中方框所示部分；而对同一地层层位中的精细结构，包络信号的剖面显示就比较模清晰的显示出来，这就是我们一般采用包络信号的浅地层剖面数据进行地质解释的原因。

图2 包络信号SEG-Y数据的剖面显示

3 结论

通过对Edgetech3200型浅剖仪文件存贮格式的分析，可糊，而振幅信号的剖面显示则较为清晰，如图2中椭圆中所示部分。我们知道，浅剖仪所使用的声波震源频率一般很高，范围从几十至几百kHz之间，经过地层反射回来后的振幅信号主频也较高，可达几千赫兹，因此它对地层结构的微小变化反应比较灵敏，能分辨层内较为精细的结构，这种对地层结构变化反应的“过度灵敏”使得主层位的大振幅及其邻近的内部层位的小振幅混合在一起，从而使主层位附近振幅“毛刺”过多从而难以清晰的辨别；而经过希尔伯特变换后的包络信号则主频大大降低，只有几百赫兹，它忽略了地层内部的细微变化，过滤了这些“毛刺”，从而使主地层层位较为以更充分地了解该型浅剖仪数据的内部机制，从而更好地利用这些信息进行二次开发。将浅剖仪记录的原始记录数据转换为包络信号和振幅信号两种形式的SEG-Y数据，既分析了包络信号数据在地质解释上的优势，又为利用振幅信号数据反演海底沉积物反射系数、孔隙度等后续工作奠定了基础。

图3 振幅信号SEG-Y数据的剖面显示

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

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

[4]阎贫，陈多福.南海北部白云凹陷渗漏型天然气水合物地球物理证据[J].热带海洋学报.2009,28(3):85.

[5]朱德兵.工程地球物理方法技术研究现状综述[J].地球物理学进展.2002,17(1):163-170.

[6]刘秀娟,高抒,赵铁虎.浅地层剖面原始数据中海底反射信号的识别及海底地形的自动提取[J].物探与化探.2009,33(5):576-579.

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[9]张伟,王彦春,李洪臣,等.地震道瞬时强度比法拾取初至波[J].地球物理学进展,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

中国科学院广州天然气水合物研究中心开放基金资助项目（CASHYD07s2）；中国科学院声场声信息国家重点实验室资助项目（SLKOA201106）；973课题“南海中生代主动边缘的构造系统、盆地改造及油气资源潜力”（2007CB411706）

郑红波（1981-），男，硕士，主要从事海洋地球物理研究。Email：hongbozheng@china.com.cn