海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法

摘要

本发明公开了海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，主要包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等。本发明揭示了声波在海底浅地层沉积物中的衰减规律，并推导了两个能够反映沉积物物理特性的重要声学参数，因此可为浅地层底质类型分类提供了重要的声学特征参数，更利于提高底质分类的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋地质工程领域，特别涉及海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法。

背景技术

众所周知，海底浅地层沉积物探测是海底资源调查研究、海洋环境开发和海洋工程设计的工作基础，而浅地层剖面仪作为目前海底浅地层沉积物高精度探测的主要设备之一，可借助其实现海底沉积物类型高精度探测、海底资源精准探测开发、海底沉积物演变、海底滑坡及垮塌等地质灾害的预警、跨海大桥建设辅助勘测等。目前，浅地层沉积物探测尤其受到相关领域专家的密切关注，而在沉积物探测中，沉积物的声学特征参数对沉积物分类起到重要的作用，声学特征参数可从浅地层声能衰减过程中提取，为此，研究浅地层的声能衰减规律及对其构建模型尤为重要。

国外一些科研机构和学者对浅地层声能衰减规律及其对沉积物分类的作用研究较早，Frazer通过计算浅地层的声能品质因子获得声能的衰减，认为品质因子与沉积物的类型和密度、饱和度有关(Frazer et al.,1999)。Caulfield运用小波变换对原始浅剖数据进行估计浅地层的吸收，以此可探测海区的异常污染物和天然气沉积物(Caulfield et al.,2000)。Stevenson提出一种计算浅地层各层声速的方法，并给出了浅地层声能的时间和频率分辨率的计算方法(Stevenson et al.,2001)。2002年Stevenson通过浅剖数据估计沉积物的品质因数Q(振幅衰减至初始值的1/eπ所经过的周期数)，与实验室模拟原位测量的品质因数比对确定层内的沉积物类型(Stevenson et al.,2002)。由于沙、淤泥和黏土的品质因数非常相近，所以用这种方法无法区分这三种沉积物。Gutowski等利用发射低频段不同频率的声波，生成浅剖图像，通过比较图像的分辨率和声能衰减，可知高频的声波能获得分辨率较高的图像，但是声能在沉积物中的衰减越快，最后通过实验证明发射信号包络满足正弦平方函数的声波具有最优的剖面图像分辨率和沉积物穿透力(Gutowski et al.,2002)。Harrison通过谱分解恢复不连续地层反射系数的相位，以期通过傅里叶变换获得每个波速掠射角最小的相位冲击影响，该方法可从海底周围环境提取平面波反射系数(Harrison,2004)。 Szpak运用核磁共振方法对浅剖数据进行处理以发现海底天然气麻坑，这种方法在没有明显的天然气烟囱和偏移距情况下都可发现天然气麻坑，并可从浅地层剖面中分辨出天然气水合物的边界(Szpak et al.,2012)。

国内一些学者在相应领域的研究也取得一些成果，如王方旗根据浅地层介质的反射系数给出一种浅地层剖面地层畸变及校正方法(王方旗et al.,2011)。李鲲鹏提出了基于小波包分解的地层吸收补偿方法，该方法适用于地层介质品质因子Q未知的情况下，在实际应用中可取得一定的效果(李鲲鹏et al.,2000)。张固澜提出基于改进的广义S变换的地层吸收衰减补偿方法，通过提取地层品质因子Q并利用无损的广义S反变换进行相应的声能补偿(张固澜et al., 2010)。宫同举结合平面波的传播理论和粘弹性理论提出提取介质品质因子Q 的改进方法，并针对微测井资料的品质因子进行反演，进而给出基于动力学特征的反Q补偿方法，通过实验验证了方法的有效性(宫同举,2010)。张瑾针对基于波动理论反Q滤波方法计算的振幅算子补偿较深层的地震数据存在较不稳定的现象，提出基于波场延拓反Q滤波的正则化方法，同时给出了基于振幅补偿算子压制高频干扰信号的迭代滤波法，并提出了基于Kolsky模型波场延拓经验公式的纵波、横波Q值估计方法(张瑾,2013)。

由此可见，上述现有技术仍存在以下缺陷：

(1)没有公开到浅地层整个声能衰减规律，也无具体的数学模型可以描述浅地层的声能衰减规律。

(2)传统的浅地层底质分类过程中，一般使用到浅地层声呐图像的纹理特征参数，几乎极少用到能够反映浅地层衰减规律的声学特征参数，即使用到一些声学参数，但也未必能够准确地反映或检测出声能在浅地层传播过程中的衰减。

发明内容

本发明要解决的技术问题是揭示海底浅地层声能传播衰减方式，在全面分析水声信道传播特性、浅地层底质物理特性与声能衰减关系的基础上，公开一种海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，以满足高精度的浅地层底质分类的要求。

为达到上述发明目的，本发明要解决的技术问题主要包括如下几个方面：

(1)海底浅地层整个声能传播过程的数学模型构建。

(2)回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余两个重要声能衰减特征参数的提取。

为此，本发明提供的海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，主要包括以下步骤：

(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；

(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；

(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；

(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，因此，可进一步简化浅地层声能传播过程的数学模型，进而推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余

进一步，一种利用浅地层声能衰减模型测量海底浅地层沉积物中声能衰减量的方法，包括以下步骤：

(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；

(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；

(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；

(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，通过简化浅地层声能传播过程的数学模型，推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余以及

(5)测定海底浅地层沉积物中声能衰减量。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)在分析了声呐方程和海底浅地层底质物理特性与声能衰减关系的基础上，构建了浅地层整个声能传播过程的数学模型，揭示了声能在浅地层的衰减规律。

(2)提取了回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余两个重要声能衰减特征参数。

(3)为高精度的浅地层底质分类提供了两个重要的声学特征参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是浅地层剖面的声波传播模型；

图2是浅地层两个重要的声能衰减特征参数提取过程。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

首先，本发明涉及如下技术术语：

声呐方程

声呐系统一般由接收器、声源、海水信道三个环节组成，上述环节中诸多因素影响声强，如声源级SL、指向性DI、传播损失TL、目标强度BS、环境噪声NL、等效混响RL等(赵建虎,2008)，声呐方程综合了上述各参数对声波传播过程的影响，是声呐设计和使用的依据，利用声呐方程可对系统检测能力进行估算，还能反映海底沉积物及浅地层结构。

最小二乘法则

最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配(张浩然and汪晓东,2006)。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。

本发明海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法主要包括以下步骤：

(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；

(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；

(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；

(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，因此，可进一步简化浅地层声能传播过程的数学模型，进而推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余

参见图1至图2所示，本发明的具体实施方式如下：

(1)总体技术路线

海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法的技术方案是：首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；其次依次计算海底以下浅地层沉积物各个层的回波声能级；然后根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；最后依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，因此，可进一步简化浅地层声能传播过程的数学模型，进而推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余浅地层两个重要的声能衰减特征参数提取过程如图2所示。

(2)建立浅地层声能衰减的数学模型

根据声呐方程，设声源级为SL，传播损失TL包括为扩展损失TL^s与介质衰减TL^a，介质衰减系数是α(dB/m)，目标距离是r(m)，目标的反射损失是RL>

EL＝SL–TL^s–2TL^a–RL>

在式(7)中，双程扩展损失TL^s＝20lg(2r)，单程介质吸收损失TL^a＝αr。

在此给出浅地层声波传播模型(卢建华,2013)如图1所示，换能器发射的波束具有指向性，且指向性指数为DI_T。由于目前多数浅剖采用自激自收方式，且一次只发射一个波束，因此在实测过程中通常不考虑换能器的瞬时姿态，认为波束是垂直海面向下发射，所以可以不考虑DI_T。

图1所示的是单Trace波束从发射到接收的声路。一般情况下，海水层被认为第0层，海底以下的浅地层按顺序依次编号。在第k个地层，以海面为参考，以实测走航方向为正向，海面与沉积层上界面平均趋势线的倾角为γ_k。以垂线方向为真方向0，正方向为逆时针方向，如图1所示，这些倾角都为空间角，上界面k与上界面(k+1)之间的地层层厚为d_k。

由于浅剖测量工作中的声能衰减较复杂，在此从声束功率级角度讨论浅剖声能在整个过程中的衰减：在真方向0上，换能器以某个波束角发射功率级为SL(声强级即为SL)的波束。声波经过海水(海水吸收和相应的扩展损失总量为TL₀)抵达第一层沉积物的上界面，即海底(上界1)，相对海底平均界面而言，入射角为θ_i1，在界面上发生散射，反向散射系数为m_-i1，反向散射角为-θ_i1；同时也有一部分声波发射折射，主透射系数为m_tM1，主透视角为θ_tM1。由几何关系可知，θ_i1＝γ₁，并将真方向的反向定为π，而主透射声束方向为θ_tM1-γ₁。

上界1的反向散射波束I_-i1通过海水再返回到换能器，设换能器接收到的声强级为EL₁。由于同为海水介质，针对均匀扩散而言，波束的声强级等价于声功率级，则上界1反向散射波返回至换能器的声强级可用EL₁表示。由于声束在海水中的扩展损失较小，可忽略不计，则有：

EL₁＝SL-20lg(2d₀)+m_-i1>

上界1的主透射波束I_tM1继续往更深地层传播，在地层1中发生了扩展损失和介质吸收，波束抵达上界2，波束入射角为θ_i2＝θ_tM1-γ₁+γ₂，反向散射系数为m_-i2，主透射系数为m_tM1，主透射角为θ_tM2，主透射声束方向为θ_tM2-γ₂。为了更好地表达波束的传播，将波束I_-i1及其后面波束稍微向右平移一段距离。

上界2的反向散射波束I_-i2将会沿着原声路返回，由下往上经过上界1，真透射方向角为π，波束沿着原来声路返回至换能器，在声波传播过程中扩展损失一直存在。设此波束返回至换能器的声强级为EL₂：

依此规律推导，波束I_-i3返回的声强级EL₃为：

在此定义：θ_tM0＝0，γ₀＝0，m_tM0＝0dB，α₀＝0dB/m。则可知第k层上界反向散射声束I_-ik沿着原路返回至换能器的声强级EL_k为：

若海底倾角不太大，则可认为声波在各沉积层中传播近似于垂直入射，如果海底地形不复杂，则总散射大部分功率集中在主透射和反向散射声束两部分，这两部分声束可称为主波束。除此之外，其它的散射波束和主波束为一次以上反射返回至换能器，此部分可称为次级波束。次级波束主要为多次波，在此不做详细论述。

由于波束声能自身的扩展损失和介质吸收，EL_k的变化范围通常较大，一般在70～100dB之间，如果直接将EL_k可视化(与灰度级线性对应)则显示效果非常差，无法从图像上反映出浅地层沉积物构造，因此记录下来的浅剖数据是经过一定原则的增益补偿而获得的，主要的增益补偿可分为下面3种(魏玉阔,2011)：

1)FG(Flag Gain)，平放增益，通常放置增益系统的最前面，因此也称为前放(前置放大，Pre-Amp Gain)。增益目的是使前放之后的系统接收信号和发射信号处于一个数量级上，便于电路设计。

2)BG(Bottom Gain)，触底增益。按照预设的增益系数b(dB/m)对海底以下各个地层的返回信号，进行增益改正。增益目的是补偿各个沉积层的总体吸收损失但在SEG-Y格式浅剖数据中，BG系数设置并无记录。

3)TVG(Time-varied Gain)，时变增益。按公式TVG＝20lg(ct)(dB)对时间窗口t进行增益补偿。c为预设声速。增益目的是补偿扩展损失TL^s_k。但在>

利用测量平差思想，浅剖数据中上界k所对应的声强级观测值EL′_k可用式>k表示可能出现的误差，其中包括次级波束产生的误差、仪器噪声、环境噪声及数字化的截断误差等。t_k、t_b分别表示第k层上界和海底所对应的时间窗口。c_w、c_s分别表示仪器预设的海水声速和沉积层的声速。如浅剖C-Boom可将分段设置BG值累加得到总的增益。浅剖若未能设置沉积层声速c_s，则取c_s＝c_w。式(12)为图1所示的浅剖声波在浅地层的传播模型推导而得的数学模型。

(3)声能衰减数学模型的简化

以上数学模型看似较复杂，不利于编程实现，受测量平差思想的启发，可定义ΔEL_k为：

ΔEL_k＝EL′_k+1-EL′_k>

令上界k、上界(k+1)分别为峰差ΔEL_k的上界和下界，由式(12)和式(13)可得：

式(14)中：

由于Δ_k+1与Δ_k在系统误差部分存在相关性，因此从理论上来讲，Δ_k+1-Δ_k的期望和方差比Δ_k+1和Δ_k都要小。

相对而言，上下界的扩展补偿残余差Δ_TVGk量值较小，此残差来源于预设声速的误差，一般情况下，浅海声速约为1480～1500m/s，而浅地层声速为>k-TL^s_k<1dB，则Δ_TVGk将会更小，可将其与其他误差归并。

在此，地层k的模糊参数BL_k和可定义为：

BL_k＝2m_tMk+m_-i(k+1)-m_-ik>

两倍仪显层厚2ΔD_k可表示为：

2ΔD_k＝c_s(t_k+1-t_k)>

则式(14)可表示为：

式(19)中BL_k被定义为第k个地层的上下界反向散射差，而被定义为第>k为浅剖根据预设声速c_s乘以上下界旅行时间计算所得的层厚，该层厚值需要经过改正才能得到准确值。在式(17)>k乘以系数c_k/c_s为实际声速与设定声速的比值，因此不是真实的衰减补偿残余，而是相对仪显层厚的衰减残余。若证明在一定误差范围内和>k这两个地层参量与沉积物类型存在着对应关系，则在浅地层沉积物分类中可将此两个参量当作统计特征参量。

其实，可将式(19)看成线性观测方程的平差问题，其中系数2ΔD_k已知，和BL_k为待估参数，而ΔEL_k是观测量。在无法完全掌握Δ_Δk的情况下，可假设其期望值为零。

将全部Trace集的所有ΔEL_k按顺序可列出n个观测方程：

t′_j、t_j分别为ΔEL_j对应的下层界和上层界的时间窗口，其中式(20)有2n个待估参数需求解，确定待估参数还需一定的约束条件。

在横向方向，由于浅地层沉积物类型变化缓慢，若ΔEL_i，ΔEL_j在平面位置很接近，且两者都与海底的距离较小，针对同一条测线而言，意味着它们无论在Trace序号或者时间上都非常接近，则无需通过仪器参数调整它们。则同样意味着与及BL_i与BL_j都十分接近。可将约束条件表示为：

式(21)中，P_i,j为的权值，与ΔEL_i、ΔEL_j之间的平面位置和两者与海底的距离相关，P_i,j与它们的距离成反比。利用最小二乘平差准则可得：

在最优理论中，可知用式(20)～(22)求解待估参数α^r和BL是一个多目标的最优问题，并无唯一确定解。因此可将式(21)的约束条件进一步表示为：

即BL_i＝BL_j＝BL，则由式(20)可得：

由于式(24)为最小二乘线性拟合问题，不难求解BL和α^r。在浅剖参数稳定条件下，针对大样本而言，BL和α^r也是稳定的，这两个参数可理解为区域某个浅地层的上下界反向散射差平均值和浅剖参数在该设置条件下对该区域相应浅地层的衰减补偿残余平均值。可将BL和α^r作为参考值，则每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余被定义为：

将模糊参数与相对模糊参数之间的关系表示为：

由式(26)可见，虽然在计算相对模糊参数时又引入了新的误差，但误差项中包含α^r_i和BL_i，两者都为反映浅地层沉积物类型的模糊参数，因此新增的误差对于相对模糊参数识别沉积物类型的能力影响不大。

由此可见，本发明中解决了下列技术问题：

(1)海底浅地层整个声能传播过程的数学模型构建。

(2)回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余两个重要声能特征参数提取。

另外，本发明的技术特点如下：

(1)充分分析了声呐方程的含义及海底浅地层底质物理特性与声能衰减的关系，并借鉴了测量平差的思想，构建了浅地层整个声能传播过程的数学模型。

(2)分析了浅地层横向小范围内声能衰减的近似性，并利用最小二乘法则，简化了浅地层声能衰减数学模型，最终提取了回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL^*_i和相对衰减补偿残余两个重要声能特征参数，以便更准确的测定海底浅地层沉积物等。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

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