深拖数据处理关键技术研究与运用

朱友生 罗进华

（中海油田服务股份有限公司物探事业部 天津 300451）

朱友生，罗进华.深拖数据处理关键技术研究与运用［J］.中国海上油气，2015，27（6）：116-121.

采用传统的船载或拖曳装备方式在深水区进行工程勘察时，由于调查设备的传感器与调查目标之间距离较大，致使采集的数据分辨率、精度和探测深度都大大降低，无法满足深水油气构筑物工程设计和施工的需要［1］。深拖（Deep-tow，DT）调查是将1种或几种海洋调查仪器进行组合安装在一条深水拖体上，通过将拖体沉放到预定深度来减少水体对仪器探测效果影响的一种深水工程物探方法［2］。深拖拖体在水下的深度超出了船生噪音和海面湍流的影响范围，拉近了调查设备与探测海底之间的距离，有效消减了海水内的吸收和声束散射引起的信号损失，最大程度地降低了虚假反射，提高了采集数据的分辨率、密度和精度，但同时也给其数据后处理带来了一些问题，主要有定位数据不稳定造成测量结果误差增大、侧扫声呐图像呈现非海底底质因素造成的灰度不均衡、侧扫声呐资料中海底跟踪不准确造成盲区消除不干净、拖体在水下起伏变化造成浅地层剖面资料中存在海底假起伏等，因此使用常规的处理方法处理深拖数据难以取得较好的效果。本文针对深拖调查采集数据的特点，在自主程序开发的基础上提出了相应的解决方法，并在实际应用中有效提高了深拖采集数据的质量和精度。

1 深拖定位数据处理

深拖在水下的坐标是通过超短基线（Ultra Short Base line，USBL）水下声学定位系统提供的，计算拖体水下坐标的主要参数是USBL探头至拖体的距离和相对方位角。由于现场测量环境和测量设备等因素的影响，USBL水下声学定位系统测得目标的距离和相对方位角数据都具有不同程度的随机离散性［3］，在深拖数据中表现为定位数据不稳定。这种定位数据不稳定对多波束测深和侧扫声呐图像数据有着较大的影响，会造成深度值和图像偏离实际位置，使测量误差增大，在地形起伏区域尤其明显。为了反映水下拖体真实运动轨迹的变化，使测得的地形地貌特征及浅地层剖面与实际位置相对应，需要对定位数据进行针对性处理，最终实现提高测量精度和质量的目的。

针对深拖数据的上述特点，本文提出的处理方法是：①从原始定位数据中提取时间及其对应的坐标信息；②对二维坐标进行一次中值滤波［3］，以剔除跳动过大的点（错误定位数据）；③对二维坐标进行两次均值平滑［4-5］，以反映水下拖体运动趋势；④从浅地层剖面、侧扫声呐和多波束的原始数据里提取每道或每个脉冲激发（Ping）对应的时间，根据第3步中已平滑的坐标插值计算该道或该Ping对应的坐标；⑤根据时间将插值后的坐标重新写入原始数据中。从处理前后的对比效果图（图1）可以看出，平滑滤波后的定位数据波动性大大减小，更符合水下拖体的真实运动轨迹变化规律。

图1 南海北部陆坡区域拖体的原始航迹（a）和处理后的航迹（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

平滑滤波参数的选取应遵循下列几个原则：①深拖拖体由数十米长、具有缓冲减震的脐带缆拖曳，其处理后的航迹应相对稳定；②应能反映原始定位数据的趋势；③由平滑后的定位数据处理生成的声呐镶嵌图、多波束地形图和相邻测线测得的位置误差应尽量小。图2展示了南海北部陆坡区域原始定位数据及不同平滑滤波参数的平滑结果，其中参数1局部不满足第1条原则，参数3则过于平滑，而使用参数2进行平滑后则满足以上3点要求。

图2 南海北部陆坡区域原始定位数据及不同平滑滤波参数的平滑结果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

将南海北部陆坡区域多波束资料定位数据重新平滑调整后，测深值和实际位置偏差大大减小，相邻测线测得水深一致性大为改善，更符合南海北部陆坡区域地形实际变化趋势（图3）。

图3 使用原始定位数据处理（a）和使用平滑后定位数据处理（b）的南海北部陆坡区域多波束地形图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 侧扫声呐图像处理

针对深拖采集的侧扫声呐资料中普遍存在侧扫声呐图像呈现非海底底质因素造成的灰度不均衡、海底跟踪不准确造成的盲区消除不干净等问题，本文提出了相应的处理方法。

2.1 灰度均衡

声波回波强度主要受到海洋环境噪声和声波在传播过程中能量衰减、声波掠射角、波束指向性、海底底质的反向散射能力等因素的影响，其中海底底质的反向散射能力是主要关注的，其他几个因素影响也应尽量消除。一般采用时变增益（Time Variant Gain，TVG）来消除距离对回波强度的影响，把灰度调整到相对恒定水平，但由于很难完全和衰减过程一致，有时效果并不是很理想，还有可能会造成新的灰度畸变［6-9］（图4）。

图4 南海北部陆坡区域侧扫声呐时变增益的结果Fig.4 Side scan sonar record using time varying gain（TVG）in the continental slope area in the north of South China Sea

为了消除灰度畸变，本文借鉴了国外学者对多波束反向散射强度随入射角变化的研究方法。J E Hughes Clarke［10］在研究95 k Hz频率多波束反向散射强度随波束角度变化的过程中发现，随着波束角的变化，反向散射强度会呈现一定的规律变化，且不同底质类型的散射曲线存在微小差异，即所谓的“角度响应曲线”。本文通过统计学方法得出了侧扫声呐的角度响应曲线，并根据这一曲线进行了振幅强度补偿，以抵消由于入射角度不同导致的散射强度差异。采用的方法如下：

1）得出角度响应曲线。由于单Ping存在较大随机性，因此需要在底质单一区域选择一定数量的Ping用于平均。经验表明，50 Ping的数据即能较好地反映出角度响应曲线。由于局部区域底质较均匀，为更好地压制随机噪音，本文使用了200 Ping的数据进行平均。

2）根据角度响应曲线进行振幅强度补偿，即对信号振幅强度较大的区域乘以较小的补偿系数，对振幅强度较小的区域乘以较大的补偿系数，使信号振幅强度达到相对恒定的水平。灰度改正后，声呐图像处于一个灰度值相对恒定的背景中，突出了目标物（图4、5中红色椭圆内的3个点状特征）。

以上是针对单侧数据进行的处理。实际上，左右配重不均等多种原因经常会造成水下拖体姿态呈一定角度的倾斜，进而导致左右通道幅值不同。在这种情况下，要对左右通道分别进行幅值补偿处理。

图5 使用本文方法对南海北部陆坡区域侧扫声呐图像进行灰度补偿的结果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 海底追踪

侧扫声呐数据采集得到的资料中记录了拖体高度，但由于海流和环境噪声等对拖曳式拖体的位置和姿态影响很大，造成记录的拖体高度不准确，尤其是在噪声很强或者海底地形起伏变化较大时。常规侧扫声呐处理软件斜距改正时产生不等比例拉伸，距离拖体正下方越近，拖体越高，拉伸越大。深拖采集时，拖体到海底的距离一般在70～100 m之间，由海底跟踪不准确而造成的拖体正下方处位置误差较大。如图6a所示，由于南海北部陆坡区域海底附近存在“毛刺”状干扰（图6a右上角局部放大图中红色箭头处），造成数据中记录的拖体高度偏低；斜距改正后在拖体正下方留下较大空白（图6b），也造成声呐图像地理编码时位置不准确。

现有很多比较成熟的算法可以实现对海底的准确追踪［11-13］。本文采用能量比值法与滚动时窗法相结合的方法，并对相邻Ping的搜索范围设定一个阈值，在南海北部陆坡区域海底追踪实践中取得了较好的效果，如图7所示。

图8为南海北部陆坡区域使用TVG和采集时记录的拖体高度数据处理生成的声呐镶嵌图和使用本文方法进行幅值补偿和海底追踪后生成的声呐镶嵌图。可以看出，使用本文方法进行幅值补偿和海底追踪后生成的声呐镶嵌图不仅色调均匀，消除了非海底底质因素造成的影响，而且斜距改正后在拖体正下方留下的空白区大大减小，声图地理编码时位置更准确，更有利于地貌特征的识别和解译。

图6 南海北部陆坡区域侧扫声呐数据采集时记录的高度（红线）（a）及使用该数值进行斜距改正的结果（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）

图7 使用本文方法对南海北部陆坡区域的海底追踪结果Fig.7 Seafloor tracing result in the continental slope area in the north of South China Sea using the method in this paper

图8 南海北部陆坡区域声呐镶嵌图Fig.8 Side scan sonar mosaic image in the continental slope area in the north of South China Sea

3 浅地层剖面海底归位矫正处理

深拖调查时，拖体高度的起伏变化会在浅地层剖面资料上造成海底虚假起伏。为了消除这种海底虚假起伏，将地形特征准确反映在浅地层剖面上，本文采取了如下方法进行了海底归位矫正：先从多波束测深数据中提取浅地层剖面每道处的水深值，用实测声速剖面转换为时间间隔；然后利用软件拾取浅地层剖面海底的初至反射波，根据每道处的实际水深与海底初至波之间的关系计算出每道应延迟的时间，在每道采样数据前填充“空白”数据，或以时延方式写入浅地层剖面数据道头中。

图9 南海北部陆坡区域实测地形及剖面交叉处（红线）Fig.9 The measured terrain and intercrossing lines（red line）in the continental slope area in the north of South China Sea

图10 原始交叉测线的南海北部陆坡区域浅地层剖面（红线为交叉处）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

图11 处理后交叉测线的南海北部陆坡区域浅地层剖面（红线为交叉处）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

图9～11展示的是南海北部陆坡区域2条交叉测线的海底地形及其浅地层剖面处理前后的效果。该地区地形非常平坦，水深起伏在2m之内（图9），但由于深拖拖体在水下起伏变化，造成海底在浅地层剖面上产生了虚假起伏，交叉测线无法闭合，如图10所示。使用本文方法对该地区深拖系统采集的浅地层剖面数据进行海底归位矫正处理后，不仅消除了浅地层剖面上的海底虚假起伏，而且交叉测线地层反射界面闭合良好，有利于地层层位对比和解释分析，如图11所示。

4 结论

1）使用本文方法对定位数据进行处理后，数据波动性大大减小，更符合水下拖体真实运动轨迹。由于使用不同的参数所得的平滑程度不同，如何选择最佳参数，应对不同的水深、海况等条件下采集的数据作具体分析。

2）本文对侧扫声呐图像幅值的补偿是基于散射强度随掠射角的响应曲线得出的，因此选择均匀、平整区域及足够数量的声呐数据进行统计是取得良好效果的关键。

3）浅地层剖面纵向采样时间间隔很小（数十微秒），而地震道中以整数毫秒为单位记录延迟，因精度不够会造成锯齿状海底及地层。本文选择将时间延迟转换为采样点的方法，避免了这种情况的发生，图像质量得到了大幅改善。

4）本文分析成果都是建立在采集数据和定位数据相互匹配的基础之上，由于采集数据和定位数据通过时间匹配来相互整合，时间的不同步将会造成调查数据的位置偏离其真实位置，导致误差增大，因此在调查之前应对定位系统和深拖搭载的多波束、侧扫声呐、浅地层剖面的时间进行同步处理。

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