2种改进的海底面反射实时追踪算法及其比较研究

蒋维杰，潘国富，丁维凤，张济博

（国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012）

0 引言

作为一种经济、便捷、高效的海底探测技术，声学地层剖面法在海洋地质研究、海洋工程勘察和检测、水下考古等领域被广泛应用。海底面反射追踪是海底声学地层剖面探测中的关键技术，无论在数据采集阶段还是在后处理、解释阶段，都需要对海底面进行自动、快速和准确的追踪。在数据采集过程中，海底面反射实时追踪对采集数据的质量控制和探头安全监控都显得非常重要。目前国内的相关研究主要是针对声学地层剖面资料的后处理应用问题，对采集时的实时追踪研究较少。而国外的一些商业采集软件，如 Triton Imaging Inc.的 SB－Logger、Chesapeake Technology Inc.的SonarWiz.Map、Oceanic Imaging Consultants的GeoDAS、EdgeTech的Discovery SB以及IxSea的DELPH Seismic等，虽然都有对海底面实时追踪功能的相应算法并且附带使用说明，但都没有详细的技术介绍。因此，有必要对海底面实时追踪技术进行自主研发。

在声学地层剖面反射信号中，海底面反射振幅能量突出，与多道地震反射资料中的初至波反射特征相似。因此，声学地层剖面海底面追踪可借鉴多道地震信号处理中的初至波拾取算法。目前常用的算法有利用数据资料瞬时特征与时窗属性的信号分析法，如振幅比法、相关法、能量比法、小波分析法、分形维法和神经网络法等，也有利用剖面图像特征的边缘检测法，如Canny算子、Sobel算子和 Roberts算子等［1］。这些算法各有优缺点，需配合不同资料加以使用，才能达到较好的追踪计算效果。

本文以能量比法和相关法为基础，对原有算法进行了改进，以满足声学地层剖面探测的数据采集及海底面实时、快速追踪的要求。实际测试数据表明，改进后的算法其应用效果良好，与国外商业软件应用效果对比可显一些优越性。

1 基于能量比法的海底面实时追踪算法

传统的静态时窗能量比法是将每一道按一定的时窗长度划分成很多区块，然后计算相邻前、后时窗内能量和的平方根的比值，比值最大处即被视为海底面。其离散公式为［2］：

式中：A为能量比值；x（t）是记录采样点的振幅值；T1为前时窗起点；T0为前时窗终点，也是后时窗起点；T2为后时窗终点。

静态时窗能量比法的追踪精确度较差，左国平等［3］在此基础上提出了滑动时窗能量比法（图1）。罗进华等［4］在研究浅地层剖面层位自动拾取时对此法进行改进，提出了阀值法，即对每一道的滑动范围进行约束并且设置相邻道之间的跳跃阀值。张伟等［5］从另一方面对滑动时窗能量比法进行改进，提出了变换时窗统计能量比法，他们利用变换时窗长度的滑动时窗能量比法拾取地震初至，然后进行统计分析，以确定地震初至的准确位置。阀值法在减少干扰影响及快速计算方面具有优势，但这种固定时窗长度的方法很难对整个剖面的层位进行准确拾取，一般都要分段，每段设置不同的时窗长度。变换时窗统计能量比法能提高地震初至拾取精度，然而此算法的运行时间较长。

本文研究改进的实时能量比法，结合考虑了阀值法和变换时窗的思路。笔者通过实时调节初值、大时窗、滑动子窗3个参数，控制海底追踪（图2）。具体实现过程为：首先，将初值调节到当前道的海底位置附近，作为当前道的参考海底位置，子窗在以初值为中心、大时窗值为边界的约束范围内滑动，追得当前道的准确海底位置；然后，将当前道海底位置作为下一道的参考海底位置，以大时窗值为相邻道跳跃阀值，追踪下一道的准确海底位置，如此循环。在追踪出错的时候，可以实时变换滑动子窗等3个参数，使追踪继续沿海底面进行。

图1 滑动时窗的能量比法示意图（引自文献［4］）Fig.1 Sketch of energy ratio with moving time window（Quoted from reference［4］）

在设置3个参数的初始值时，本文重点研究了滑动子窗这一参数，因为这是影响追踪精度的重要因素，子窗太短，追踪容易受干扰影响；子窗太长，海底面反射能量比值不突出。对大量的不同底质与地形的声学地层剖面测试分析表明，15个样点长度左右的滑动子窗就能满足大部分海底面的准确追踪要求。

图2 实时追踪的控制界面Fig.2 Controlling interface of real－time tracking

2 基于相关法的海底面实时追踪算法

相关分析是用于衡量2个波形的相似性及时间的对应情况。当2个波形的变化形态一致时，相关系数为最大；当2个波形的变化形态完全相反时，相关系数为最小［6－7］。若用xt和yt代表2个波形的样点振幅值，则它们的相关公式为：

式中：m和n为波形的振幅样点号，n－m表示进行相关计算的波形长度；τ是yt相对于xt的时移量，使φxy（τ）取得最大值的τ0值即为2个相似波形的时间差，亦可作为两道的海底面位置差。

前人对相关法的研究主要集中在数据后处理的应用方面：丁维凤等［1］曾利用常规相关法拾取浅剖反射同相轴；潘树林等［8］曾为了拾取可控震源地震记录的初至，提出了优化相关算法，他将前n道叠加作为当前道的模型道。

本文参考优化相关算法并且结合跳跃阀值的思路，得到一种适用于声学地层剖面海底实时追踪的算法。该算法首先是建立模型道，实时采集只能对当前道之前的数据进行缓存。对大量的数据测试表明，选取当前道之前的3道进行叠加作为模型道，能较好地兼顾算法的精度和计算的速度。为使模型道突出海底面反射的起跳，减少干扰信号，用于叠加的3道数据都是以海底面为中点的一小段数据。有了模型道以后，将其与当前道进行互相关。考虑到当前道与前道的海底面起伏不会太大，因此将模型道的滑动范围限制在相应的海底位置附近，相关系数最大的窗口对应的中点即为当前道的海底面位置。

3 实时能量比法和相关法的追踪效果比较

测试数据表明，改进后的实时能量比法和相关法在大部分声学地层剖面数据中都能准确追踪海底面的起跳位置。但由于能量比法和相关法的计算原理不同，它们在具体追踪效果方面各有特点。

能量比法是基于本道内滑动的前、后时窗的能量比值，它能比较海底面之下小段底质与上覆小部分水体的反射系数的差异，只要水体中的干扰较小，应用能量比法一般都能追踪到海底面。相关法是基于模型道与当前道之间的相似性原理，如果海底面以下有强反射面，并且与海底面相交会，这样就可能会追踪到强反射面上。比较图3a和图3b可以发现，海底面以下地层的强反射会导致相关法追踪出错，而能量比法对海底面以下地层并不敏感，因此追踪效果比较好。但相关法在细节追踪上更胜一筹，在海底声学地层剖面实时采集时，一般都会受风浪的影响，导致声学反射剖面上出现高频低幅的抖动（图4），在受风浪影响的波浪状起伏海底面上，反射能量变化不大，相位变化比较明显，此时利用相关法追踪起伏的海底面，效果更优。因为相关法是追踪道之间与波形相匹配的位置，对相位变化比较敏感。而能量比法突出的是能量变化，对相位变化并不敏感。比较图4a和图4b可见，相关法追踪海底面的连续性更好，追踪效果与海底面的起伏状况相吻合。

图5 不同海底声学地层剖面采集软件对海底面实时追踪的效果比较Fig.5 Comparison of real－time tracking the seabed with different sub－bottom profile data acquisition software

4 与国外商业采集软件应用效果的比较

与已被广泛应用的国外商业采集软件应用效果进行比较，是检测本文算法优劣性的重要标准。本文选择了与其中具有代表性的Triton Imaging Inc.的浅剖数据采集软件SB－Logger进行实时追踪效果对比。当海底面反射起伏较大、反射能量浑厚时，SBLogger实时追踪海底面的效果不理想，追踪线在海底面附近频繁波动（图5a），说明SB－Logger对起伏较大的硬质海底面的反射追踪不理想。此时利用本文的实时相关法追踪其效果也不理想，但对比图5a与图5b可见，该算法的整体追踪准确率还是要高于SB－Logger的算法的。而本文的实时能量比法对相同数据却能实现准确追踪（图5c）。另外对于起伏较大的海底面反射，SB－Logger追踪功能通常需要人工频繁变更参数，才能保证追踪精度，而本文的2种算法只需在追踪偏离海底面时进行交互微调，便能使追踪准确沿海底面进行。

5 结论

反射实时追踪是海底声学地层剖面探测海底面的关键技术，由于探测环境和探测目标的复杂多变，海底面反射实时追踪易受各种干扰的影响。本文在传统的能量比法和相关法的基础上，提出了2种适用于实时操作的改进算法。实际数据测试及其与国外商业软件实时追踪海底面的效果比较表明，本文提出的改进算法在实时海底面追踪中精度较高，而且参数少，操作便捷。改进的能量比法抗干扰性好，适用于噪声干扰大的声学地层剖面；改进的相关法在细节追踪方面效果较好，适用于受风浪影响大的声学地层剖面。对于不同的海底反射剖面，只要选择合适的算法，并进行简单的交互参数设置，便可取得较理想的海底面追踪效果。

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