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[浅地层剖面仪] 说说浅剖

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发表于 2015-8-9 16:47:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 普京 于 2015-8-9 17:01 编辑

言:
    结合这些年来使用各种产品的经验教训、心得体会,写下这篇东西,水平不高能力有限,难免有谬误,还请大家多多指正。
    净化社会风气、提高道德水准,从点滴做起,本文保证做到“不提厂商、不做广告、不骂街”, 坚持客观、独立,第三方视角。
文:
一、浅剖工作原理与用途
    浅地层剖面系统(sub-bottom profiler system),简称“浅剖”,是一种用于获知海床以下浅部地层信息的声学探测设备(图1)。
                  1浅剖工作原理.png            
图1 浅地层剖面仪工作原理
(注:U为船速;ρ为沉积物密度;v为沉积物声速;R为反射系数;
Ar为反射波振幅;Ai为入射波振幅)
    浅剖工作时通过发射换能器垂直向海底发射声波信号,声波穿透水层、海底地层,下行过程中经各层介质的滤波,遇声阻抗界面返回,最终携带有界面层信息的反射声波被接收单元接收,也就是说浅地层剖面仪是利用界面层间的声阻抗差异来反映各个层结构的,浅剖图像反应的是声信号的旅行时和反射强度,即声波到达反射界层所需的时间和反射信号能量的强弱(图2)。
2回波信号.png
图2 发射、接收信号示意
(注:振幅曲线与时间轴形成的面积即波的能量)
    浅地层剖面仪生成的图像可用于识浅部地层产状、内部结构,各种灾害地质因素(浅层气、埋藏河道、断层等),而且还能够判断某些埋藏物与海床的空间位置关系,如海底管道、沉船、坐底构筑物等,确定其埋藏深度或悬空高度。
需要注意的是,由于沉积物声速不同,不能简单地将声学地层厚度看作地层的真厚度,同时由于地层声阻抗差异形成的可能性较多,因此浅剖资料具有较强的多解性。
二、浅剖的组成
    浅地层剖面系统综合了声学、声-电转换技术、数字信号处理技术、导航定位技术,通常有以下几个部分组成:定位系统(GPS),工控机(支持控制/采集软件),采集仪(控制发射/接收单元),发射单元(包括储能激发系统和震源),接收单元(水听器阵,部分产品还带有前置放大装置),对于船体固定安装的浅剖往往还需要姿态传感器,深水型用来实现波束矫正,而浅水型则用来进行涌浪滤波(图3 )。
3浅剖构成01.png
图3 浅剖的组成
(注:红色箭头代表数字信号,绿色箭头代表模拟信号,蓝色字体表示选装设备)
    下面,来说说浅地层剖面系统的各个组成部分。
    在开始之前,需要强调一下“阵(Array)”的概念。浅剖系统不论发射还是接收,都不是单个换能器工作,而是某种组合,也就是说一系列换能器按一定规则分布在空间中,通过发射或接收时的信号叠加来达到更好的效能
1. 发射单元
    浅剖系统的发射单元,简单来说就是将不同类型的能量转化为声能的装置,通常包括控制电路、蓄能器,以及震源(图4)。
4.png
图4 浅剖发射单元示意图
    浅剖的震源类型按照生成频率从高到低、频带从窄到宽依次有:压电陶瓷震源(>3KHz)、电磁脉冲震源(几KHz到几百Hz)以及电火花震源(几十KHz到几十Hz),相应的能量逐渐增大,从几十焦耳,到几百焦耳,再到最大几万焦耳(图5)。
5震源类型01.png
图5 不同类型震源
    对于震源而言,通过换能器空间位置组合形成发射阵,不仅能够增大发射能量,还可以利用相位叠加提高系统指向性系数(DT)、产生更丰富的频率组合,同时在一定程度上削弱多次冲击产生的杂波。例如,一个直径约1.4mm的电火花电极最大能够产生10J的能量,那么用100个电极组成的发射阵理论上就能产生1000J的能量;将多个震源按一定空间位置组成平面阵,能够形成相对较小的波束角(图6),如果再利用声波传播过程中的变形现象,加入非线性相位叠加,则可以产生出一系列倍频、差频信号,这也就是参量阵技术,后面会有更详细的介绍。
6波的合成01.png
图6 利用相位叠加形成较好指向性(2D示意图)
    对于浅剖系统的震源,通常需要注意以下参数:主频率发射能量以及脉冲长度——这些参数决定了系统能够实现的探测距离和分辨力,即主频越高探测距离越小,分辨力越高,能量越低,所需的脉冲长度也越小;反之主频越低则探测距离越大,能量也越大,但分辨力降低,所需脉冲长度也越大。
    由此可见高频高分辨低穿透,低频高穿透低分辨的矛盾是由声学原理决定的,无法调和,那么著名的线性调频技术(CHIRP技术)又是怎么回事呢?
    简言之CHIRP技术就是一种脉冲模式,即在一次脉冲中产生多个频率的信号组合,高频实现高分辨,低频实现高穿透。CHIRP相对于CW脉冲有以下特点:长度大、能量强,探测距离足够远,且每一ping的频率组合都是随机的,其特征会被记录下来,用于滤波和分离回波信号中叠加的部分。
需要注意的是,CHIRP技术实际上也是以牺牲高频分辨率为代价的,依然是一种折中的解决方案(图7)。
7CW波和CHIRP波的区别01.png
图7 CW与CHIRP的图像对比
    前文中提到了发射阵能实现的功能之一——利用相位叠加改善系统指向性,试想一下,在浅地层探测过程中,为了压制绕射现象,获得更准确的地层产状、结构信息,需要设备的波束角越小越好,能量越集中越好,我们知道在线性叠加的情况下,如果想要获得的波束角越小,发射阵的面积就越大,这显然是不够经济的,同时由于装载空间有限,这也是难以实现的。
    那么,利用声波传播过程中的变形现象(图8a),将两种特征频率的信号通过非线性叠加,形成极小的波束角,同时在远场产生倍频、差频信号(图8b),这就是参量阵技术。
   8-1声波变形01.png 8-2参量阵差频01.png
图8 参量阵原理
( a.声波传播过程中的变形b. 远场产生倍频、差频信号)
    参量阵技术目前在市场上已有大量成熟的产品,实现了全水深覆盖,在与多波束测深系统配合使用的情况下,其指向性好的优势能够充分发挥,通过发射阵束控,实现地形校正,获得更加准确、清晰的图像(图9)。但需要注意的是,参量阵技术形成的不同频率信号的能量并不是相同的,两个相对高的主频信号在发射后其能量会根据近场波形叠加情况分布到各个倍频、差频中,需要穿透地层,低频信号的能量至关重要,因此在选择此类产品时必须重点关注其能量分布情况。
9地形矫正01.png
图9 参量阵浅剖与多波束测深系统配合实现地形校正功能
2. 接收单元
    这里有两点需要说明:首先,所有传感器都是有固定的精度指标的,且会随着使用时间增长而逐渐降低;其次,一个规格的检波器生产出来,其声-电转换的线性区间就固定了,以上两点说明接收单元检波精度的好坏和线性区间的范围会直接影响浅剖的性能并决定其适用条件。
    浅剖系统的接收单元通常就是若干个能够实现声-电转换的检波器组成的接收阵,回波信号的强弱通过电信号的强弱(电压)反映出来,并由控制/采集仪读取,某些情况下,会加装放大器以增大电信号的振幅,使其更容易识别(图10)。
10发射单元&接收单元01.png
10 接收单元示意图
    对于接收阵而言,多个检波器同时工作,利用回波叠加可以有效提高接收信噪比(图11),也就是说检波器越多,信噪比越高。
11回波叠加01.png
11 通过回波信号叠加提高信号能量
    但是能不能一味地增多检波器数量呢?
    检波器之间一定要有间距,否则无法消除船体、波浪产生的海面噪音,那么检波器数量增多就意味着接收阵沿航向的长度增大,而当接收阵的长度增大到一定长度时,由于回波信号出现半波长相位差,其能量在叠加后反而会被削弱!
那么接收阵的长度应该如何限制呢?
    假设海底水平,以震源为圆心,以水深和0.25倍震源主频信号波长的和为半径画圆,圆弧与海底的割线长度就是接收阵的最大有效长度(图12)。
    然后根据检波器最高精度,推算区分海面噪音每两个检波器之间所需的最小距离,在用接收阵的最大长度除以这个最小距离,就可以得到接收阵航向方向的最大检波器数量。
    如果作业时接收阵过长,或检波器过多,都会对数据质量产生反作用。
12接收阵尺寸01.png
12 接收阵最大有效长度计算方法示意图
3. 控制采集单元
    浅剖控制采集单元也就是通常我们能够在船舱里看到的部分了,包括GPS,模拟信号采集仪,工控机,如果是固定安装的浅剖往往还需要姿态仪做波束和涌浪校正。
    那么浅剖系统工作时的状态就可以归纳为:发射、接收位置通过GPS获得(拖曳型需要偏移校正),整个系统的时间标由GPS或采集软件提供,操作人员手动设定激发间隔、接收时长、脉冲类型、发射能量等工作参数,控制/采集仪实现以上命令,控制发射单元的电容蓄能、震源激发,接收单元的检波器收到回波信号后将其转化成电信号(模拟信号),发回控制/采集仪,经模数转换后由采集软件记录。由此看出,timing是最重要的!如果激发间隔、接收时长设定不正确,整个数据都会受影响(图13)。
13接收时间01.png
图13 激发间隔与接收时长的设定合理/不合理示意
(注:黑色箭头之间为激发间隔;绿色为激发脉冲长度;红色为接收时长)
    为了提高数据传输稳定性和可靠新,目前很多的浅剖系统控制采集单元都采用了基于网络的架构,控制/采集软件使用网络与控制、采集仪连接,甚至导航、姿态也可以使用网络,只有激发、模拟信号接收采用BNC接口同轴线缆传输,这样采集/控制单元的复杂程度降低,可靠性提高,而且有利于在不同空间、条件下布置架设。
    通过以上讲述,我们不难发现,如果把浅剖系统拆分成几个部分,是可以实现任意组合的。首先,在水听器接收范围容许的前提下,可以与不同类型的发射单元搭配作业以适应不同工况;其次,长时间作业时,为了确保数据不中断,可使用两套控制/采集仪,一台控制激发和记录,另一台只进行记录,或一台控制/采集仪配两套发射单元,工作一段时间后进行切换,让电容和继电器轮流“休息”;
三、           浅地层剖面系统质量控制关键点
    现场质量控制的好坏决定数据质量的高低,浅地层剖面系统也不例外,虽然目前有巨量的后处理软件,可以通过滤波、组合压噪、分频增益等等一些列手段让浅剖图像“看上去很美”,但是不管把它做成油画也好、水墨也好、素描也罢,要说明问题,我们往往最想要的就是一张简单明了的三视图,所以看上去漂亮的图像不一定是好图像,能说明问题的才是!而想要获得“看得到、看得清、解释得了”的图像,就得依靠严格的现场质量控制了。
    前文中已经提到的一些,比如接收阵的尺寸,激发、接收timing的设置等,这里就不再累述了。
  1.绕射
    在实际探测中,遇到海底凸起、凹坑及斜坡等非水平地层,如果发射换能器生成的波束在一定宽度内呈球面扩散,水听器接收到的声波并非正下方的反射点的回波信号,造成探测图谱上的海底界面并非真实的海底,而存在垂向的移位变形,即绕射现象(图14)。
14大开角绕射01.png
图14 大开角绕射形成的图像
    对于海底地形,构造运动塑造整体的格局,水动力冲刷和物质运移对地形进行后期改造,形成了诸如海底凸起、凹坑及斜坡的非水平海底界面。浅剖对浅部地层进行探测时,由于非水平地层的存在,造成探测图谱上声学界面的空间变形,如不加以识别改正,最终将造成地层构造形态的失真和空间位置的偏移,海底位置的偏移和形态的失真严重影响了技术人员准确判断海底地层的产状、目标物的埋藏状态等。(图15)。
15大开角浅剖地形变形01.png
图15 非水平地层探测变形示意图
  2.阵的姿态
    对于拖曳型浅剖系统而言,震源和接收阵的姿态、相对位置对于数据质量是至关重要的。我们希望震源保持在固定深度向海底发射,而接收阵则恰好浸没在海面以下,这两点看似简单,但在不同的条件下,充分考虑拖体对水速度,拖体湿重量、阻力、拖曳力之间需达到极好的平衡,才能做到。如图16
16.png
16 阵姿态不良产生的鬼波
    可以看出,一方面整个过程中接收阵沉放深度过大,造成海面反射叠合海底反射形成“二皮脸”,另一方面在500标线附近,由于作业船突然减速,接收阵再次下沉,造成了海底图像变形,形成“枣核儿”,给后期资料解译制造了麻烦。
  3.采样密度
    船速(对地速度)和ping值决定了浅地层剖面系统的采样密度,或者说航向分辨率(图17)。那么,考虑声信号往返时间的情况下,在目标探测距离、船速、ping值之间就需要寻找一种最优组合,既确保有尽量高的采样密度,又要让船速不至于太慢以保证作业经济性。
      17采样率对数据质量的影响01.png
17 船速和ping值对图像质量的影响
四、            语(不是骂街……)
    说了这么多,我相信能坚持看到这儿的一定都是业内人士了,所以就多叨叨几句。
    还在读书时恩师就教导在下:“世界上没有最好的设备,只有最适合的设备,所以千万不要迷信设备……”,如今很多人讲这个浅剖如何如何、那个浅剖怎样怎样,尤其是一些洋人来国内推荐产品,那些个参数写得真是云里雾里,关键指标一概不提,遮遮掩掩,问起来也只是丢给你只言片语,而国内很多人又天生迷信白皮肤的工程师,于是乎市场乱象丛生,使用方那个学费交的,跟打水漂儿似的!所以还是希望使用者能从原理入手,去研究关乎设备性能最核心的东西,而不是只停留在操作层面上。
    浅剖资料具有多解性,其解译的准确与否依靠的是沉积地质学知识和对区域演化历史的认识,绝不是简单地“特殊信号识别”!所以说还是要看地质学的功底。如果涉及工程应用,还需要把地形、地貌、地层综合考虑进行分析(图18)。
浅剖 声呐01.jpg
18 浅剖图像结合侧扫声呐图像进行沉积环境和灾害地质因素分析
    再比如说图19,很显然,古河道底部发现浅层气,但气窗的规模真有图像上显示的那么大么?首先,这是闽浙沿岸沙波区采集的资料,设备选用1000J电火花震源,和6m 12单元水听器配合,从气窗两侧来看还是有部分区域信号可以达到古河道底界面的,综合考虑该区域古环境,河流流速较快,不容易堆积大量有机物质,可以判定,这个“气窗”实际上是由很多小气囊组成的,由于设备分辨力有限,加之绕射及多次反射,在图像上形成了古河道底部存有大规模浅层气的假象。
浅层气01.png
19 闽浙沿岸古河道浅剖图像
    最后,祝大家都能得到“看得清、看得准、解释得了”的浅剖数据,也希望大家不要忘记:“绝大多数技术方案的失败,都源自技术人员对技术手段的过分自信。”

May the force be with you ~~
PS.文中提到的各类设备,我皇家大胶州湾水产养殖技术专修学校都有!欢迎有志青年踊跃报考!
海洋梦,强国梦,从皇家大胶州湾水产养殖技术专修学校启航!
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发表于 2015-8-9 18:48:47 来自手机 | 显示全部楼层
这些图是你自己画的吗?
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发表于 2015-8-9 20:58:43 | 显示全部楼层
图7右面的是chirp吗?chirp既然是一种折中方案,那他牺牲掉的是什么东东?
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 楼主| 发表于 2015-8-10 07:57:41 | 显示全部楼层
枫之舞 发表于 2015-8-9 18:48
这些图是你自己画的吗?

大部分吧
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 楼主| 发表于 2015-8-10 08:02:34 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-8-9 20:58
图7右面的是chirp吗?chirp既然是一种折中方案,那他牺牲掉的是什么东东?

在一次长脉冲中加入多种频率的信号,那么相对大能量的低频信号会影响高频信号的波形,即使记录了组合特征,接收后可进行滤波,但仍会导致高频信号检波的精度下降,所以说如果能用手工调节高通、低通滤波,输出能量等参数,使用连续波或者ricker波出来的浅部细节会比使用CHIRP好。
不知我说明白没有……
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发表于 2015-8-10 08:51:57 | 显示全部楼层
普京 发表于 2015-8-10 08:02
在一次长脉冲中加入多种频率的信号,那么相对大能量的低频信号会影响高频信号的波形,即使记录了组合特征 ...

我所接触到的材料指出chirp可以通过高频提高分辨率,通过低频来提高穿透,达到比cw高穿透,高分辨率的效果,到了你这一篇文章彻底的就被颠覆了,哎呦妈呀,我的三观!!!
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发表于 2015-8-10 08:57:45 | 显示全部楼层
普老师,开个专栏吧!
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 楼主| 发表于 2015-8-10 09:07:49 | 显示全部楼层
tooom 发表于 2015-8-10 08:57
普老师,开个专栏吧!

水平有限,还是慢慢来吧
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 楼主| 发表于 2015-8-10 09:08:55 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-8-10 08:51
我所接触到的材料指出chirp可以通过高频提高分辨率,通过低频来提高穿透,达到比cw高穿透,高分辨率的效 ...

说到底就是机械波、振动、声电转换,所以总会有取舍的,没有完美的解决方案。
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发表于 2015-8-10 09:37:14 | 显示全部楼层
泰榕 发表于 2015-8-10 08:51
我所接触到的材料指出chirp可以通过高频提高分辨率,通过低频来提高穿透,达到比cw高穿透,高分辨率的效 ...

是啊,我们都被忽悠了。。。。。好赞那一段攻击白皮肤洋鬼子的话~~~哈哈哈
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