聲學地層剖面野外數據采集幾個關鍵問題的解決

丁維鳳，蘇希華，蔣維杰，張濟博，茍諍慷，傅曉明

（1.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州310012；2.上海地海儀器有限公司，上海201612）

1 引言

海洋地質研究、海底資源開發與海洋工程建設都需要對海底作詳細的海洋地球物理調查，聲學地層剖面探測是獲取海底淺部地質信息的重要手段。目前我國許多單位已擁有聲學地層剖面探測的硬件設備和配套的軟件系統，但基本進口國外成熟的軟硬件產品，如美國EdgeTech公司的系列淺剖硬件與配套的Discover采集軟件［1］、美國Benthos公司的ChirpⅢ硬件［2］與配套的 Triton 公司SB－Logger［3］和 Chesapeake公司Sonar Wiz［4］采集軟件等。國內也有相關單位在做聲學地層剖面硬件產品的跟蹤研究與開發，如中船重工杭州應用聲學研究所與中國科學院聲學研究所，其軟件產品都只結合本單位的硬件設備作開發，未兼容國外成熟的商業硬件，應用推廣受到限制。

國外配套的商業采集軟件接口豐富，能接入多種國際通用的商業硬件，功能豐富，界面交互操作能力強。但也存在缺陷，有些缺陷會嚴重影響實際工作精度與效率，如GPS定位位置滯后、反射同相軸極性反轉與深水探測等缺陷，這些缺陷多次向軟件開發商反映都未解決。為避免過度依賴國外技術，我們決定從底層自主開發自己的采集和后處理解釋系統，重點解決國外商業軟件中存在的缺陷問題。

2 國外商業軟件的缺陷

針對美國Benthos公司生產的ChirpⅢ聲學地層剖面硬件產品，國外硬件商配備的采集系統主要有Triton公司的SB－Logger和Chesapeake公司的Sonar Wiz兩款軟件，美國OIC公司的Geo DAS軟件也可接入ChirpⅢ硬件產品，但國內的用戶較少。SBLogger與Sonar Wiz軟件有共同的缺陷，也存在各自的其他問題，這些問題嚴重影響了我們實際工作。下面分別列舉國外商業軟件的缺陷。

2.1 強能量反射同相軸發白

海底不同底質的地層對聲波的阻抗不同，兩層介質間的聲波阻抗差大，聲反射就強，接收的反射振幅能量也大，反映到顯示剖面上表現為厚重的灰度。SB－Logger與Sonar Wiz兩款軟件在現場采集時反射剖面顯示正常，但回放記錄文件遇到強能量反射同相軸時都發白，發白同相軸改變了原反射波的相位與極性，嚴重影響反射信號的判讀，影響反射同相軸的自動追蹤，給后續的處理解釋帶來障礙。如圖1所示的SB－Logger軟件采集數據回放與圖2 Sonar Wiz軟件采集數據回放，兩圖中海底面反射同相軸都發白，圖2中海底面以下反射層位也出現同樣問題。

圖1 SB－Logger軟件采集數據回放

圖2 Sonar Wiz軟件采集數據回放

2.2 GPS導航定位滯后

Triton公司SB－Logger采集軟件現場數據采集時，剖面上顯示的導航定位數據與導航計算機上顯示一致，但采集數據存儲后再回放時，剖面上顯示的導航定位位置與現場采集位置差別很大。如圖3所示，經我們多次比較研究，發現現場采集時導航位置與記錄文件回放時位置相差50～60 m，時間相差20余秒。這個誤差會嚴重影響探測數據的精度，給解釋成果帶來較大的位置偏差。

圖3 GPS導航定位誤差

2.3 深水數據采集與存儲問題

SB－Logger軟件連接ChirpⅢ硬件時，最大探測深度不超過600 m，即記錄波長最大只有800 ms，該軟件無法記錄水深600 m以下有效數據。Chesapeake軟件雖然保持了ChirpⅢ硬件記錄6 000 m深水數據的功能，但該軟件作了數據重采樣，舍棄了許多有效采樣數據，剖面變模糊，影響地層分辨率。如圖4所示，Chesapeake軟件記錄了3 100 m水深下的有效地層反射，但做了重采樣，數據量減少，剖面反射同相軸變模糊，分辨率降低，影響海底面以下精細地層的探測。

3 問題分析與自主開發解決

針對國外商業軟件存在的缺陷，通過我們從底層自主研發，詳細分析了這些問題產生的原因，并找到了解決這些缺陷問題的方法。下面詳細分析上述問題，并列出我們的解決方案。

3.1 同相軸發白問題的分析與解決

聲學地層剖面控制主機的DSP 模塊一般以2字節空間接收存儲單個振幅樣點，ChirpⅢ主機現場采集時能發射極性與非極性兩種波形，2字節極性波其振幅大小范圍在－215～215－1（－32 768～32 767），2字節非極性波振幅大小為0～216－1（0～65 535）。國外商業采集軟件不能自動識別極性波反射信號和非極性波反射信號，只能通過人工設定告知采集系統。若現場采集按默認的極性波模式采集存儲非極性反射回波，超過32 767大小的振幅值Windows系統會默認存為小于或等于0的值，反之，若以非極性模式記錄極性反射波，小于0的振幅值系統會以0存儲，如圖5所示。這會破壞反射記錄的波形，一個完整的強反射波形會被分割成中間為0，兩頭突跳的碎波，完整的正負波形被破壞成只有單邊正波形的記錄，室內回放時就會在灰度圖上出現圖1和圖2所示的反射同相軸發白現象。

解決上面問題無需按國外商業軟件所述由人工自定義極性特性，軟件完全可以自動識別判斷。關鍵是在讀取2字節振幅值時不能根據SEG－Y標準去定義短整形變量來存儲樣點值，而改用字節數組來存儲，再通過位轉換將字節數組分別轉換為2字節的符號整型與無符號整型兩變量，最后簡單判斷兩個整型變量值的差別就能識別出反射波的極性。野外數據采集時若將存儲格式定義為4字節符號變量存儲，上訴問題也不存在，但要成倍的消耗硬盤資源。圖6和圖7為利用解決方案分別調用圖1、圖2兩數據顯示結果，圖6和圖7兩剖面圖都能有效顯示反射信號，反射同相軸連續，相位無突變。

3.2 導航定位問題分析與解決

SB－Logger采集軟件出現如此嚴重的導航定位滯后問題，經仔細研究發現問題出現在Windows多線程排斥上。采集系統現場采集時需要在極短時間（毫秒級）內完成多個任務，如實時響應用戶交互控制指令、及時向硬件主機發送用戶指令、及時接收主機傳送的大量反射數據、實時繪制反射數據剖面圖、實時接收來自COM串口的導航與定位及其涌浪補償器數據等，所有這些工作都需要采集系統在極短時間內做出實時響應并完成相應的工作，這給采集計算機帶來了很大的負擔，特別是繪制大量的反射信號剖面圖，灰度（偽彩色）運算與屏幕輸出需要消耗計算機大量的硬件資源并占用運算時間，采集系統若不設計合理的進程就會導致系統崩潰或者信號堵塞，SB－Logger采集系統出現導航定位信息滯后就是因信號線程堵塞緣故引起。

實時采集系統需要采用Windows系統中的多線程編程來完成，其中各路數據的接收與實時存儲為最重要工作，現場剖面繪圖與顯示可作為次要工作來安排。SB－Logger軟件將現場實時繪圖與顯示作為首要工作并安排主線程來完成，而繪圖是非常繁重任務，需要耗費計算機90%以上的硬件資源，且完成計算機屏幕大小的灰度圖繪制還要耗費較長的時間（視計算機硬件配置而定），若將剖面繪制與顯示作為主線程，導航定位數據存儲等次要線程就會受堵塞，導致定位數據存儲滯后。剖面繪制與顯示一般只作現場監控使用，剖面顯示滯后并不影響實際工作，因此將數據實時采集與存儲作為主線程，而將繪圖作為次線程來安排，采集時各路數據的存儲就不會發生堵塞滯后。圖8為采用上述解決方案研發的系統在現場采集與室內回放同一數據時對比圖，兩圖中顯示的導航定位位置一致，未發生信息滯后現象。

3.3 深水數據采集問題解決

為響應我國向深海發展的需要，深水探測必不可少。目前針對ChirpⅢ硬件開發了深水功能的只有Sonar Wiz軟件，但該軟件為了能用標準SEG－Y格式存儲深水反射數據，采取了重采樣減少數據量的方法，這樣處理會降低剖面的縱向分辨率。為了保持原始數據量，我們需要采用其他格式存儲反射數據。

標準SEG－Y格式受2字節符號短整型變量的限制，單個記錄道最多只能存儲32 767（215－1）個樣點，當水深達到1 000 m時，記錄波長需要1 500 ms，按32μs間隔采樣，單個Ping數據采樣點就超過47 000個，已超出SEG－Y格式的存儲范圍，水深6 000 m時，記錄波長需要8 s，采樣點數達到250 000個，遠遠超出SEG－Y格式要求。若要存儲超過600 m的深水反射數據，我們可以采用XTF格式［5］，XTF格式單個Ping最多可以存儲231－1個樣點，足夠容納探測萬米水深數據量。圖9為研發系統采用XTF格式存儲超過3 300 m水深原始數據的回放，因數據未進行重采樣，微細反射層顯示清晰，縱向分辨率得到保持。

深水探測光有縱向分辨率還不夠，還需要考慮橫向分辨率的問題。在深水區，若發射記錄波長為8 s，采用一次發射單個Ping的方法采集記錄數據，調查船若以2 m／s的速度航行，探測剖面水平分辨率為16 m，實際工作會達到20 m以上，如此大的水平間距遠遠達不到高分辨率探測的要求。為解決水平分辨率的問題，國外儀器商提出了Multi Ping探測技術，原理為聲學換能器一次向海底下連續發射多個Ping（如10個甚至更多），而采集軟件可以按固定的時間間隔（如1 s）連續接收前面Ping反射回的有效數據［6—7］，這樣可以彌補單個Ping長時間記錄在水平分辨率上的缺陷。

4 總結

聲學地層剖面探測是海洋地質與地球物理學研究的重要手段，探測精度與效率非常重要。國外商業軟件經我們多年的使用，發現存在幾個關鍵的缺陷，如強能量反射同相軸在灰度圖上顯示發白，GPS導航定位信息存在嚴重的位置滯后，深水探測國外軟件不完善或未開發相應功能等，這些缺陷已嚴重影響了我們的實際工作。

為查清國外商業軟件存在上訴問題的根源，我們通過多年的研究與開發，找到了缺陷問題的原因所在。反射同相軸發白因字節存儲引起，GPS位置滯后因Windows線程排斥引起，深水探測受SEG－Y格式限制。針對這些問題，文中提出了對應的解決方法，所提解決方法經實際數據測試正確可靠，在實際工作中已獲得了廣泛的應用。

［1］EdgeTech Corporation.Discover SUB－BOTTOM Technical ＆user’s manual，Revision：2.2［OL］.USA，2005.http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／sub－bottom－profiling－systems（2013－11－25）

［2］Benthos Corporation.CAP－6600 ChirpⅡAcoustic Profiling System Manual［OL］.USA，1996.http：／／www.benthos.com／＿doc／main／Brochures＿Datasheets／elp362D＿＿001815＿＿rev＿L.pdf（2013－11－25）

［3］Triton Corporation.Triton SB－Logger user’s manual［OL］.USA，2008.http：／／www.tritonimaginginc.com／site／content／soft ware／brochures／TII＿08＿SBLogger.pdf（2013－11－25）

［4］ChesaPeake Technology Inc.Sonar Wiz.MAP User’s Guide［OL］.USA，2007.http：／／chesapeaketech.com／docs／CTI－SBP－Datasheet.pdf（2013－11－25）

［5］丁維鳳，馮霞，傅曉明，等.多波束XTF格式數據航向信息重寫入實例［J］.海洋通報，2011，30（1）：1－6.

［6］Edge Tech Corporation.Supporting Multiple Pings in the water with Edge Tech Sonars Mannual［OL］.USA，2005.Http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／sub－bottom－profiling－systems（2013－11－25）

［7］Edge Tech Corporation.3300：Hull Mount Sub－Bottom Profiler［OL］.USA，2005.Http：／／www.edgetech.com／edgetech／gallery／category／subbottom－profiling－systems（2013－11－25）