浅海舰船地震波中Scholte波识别技术研究

邵雨新,李 环,张自圃,刘云龙

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159)

浅海舰船地震波中Scholte波识别技术研究

邵雨新,李 环,张自圃,刘云龙

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159)

根据浅海舰船航行过程中引起的海底振动所形成的舰船地震波,对界面波的识别技术进行研究。提出了基于两个传感器采集到的时域信号人工合成地震记录,采用τ-p方法实现Scholte波的提取,利用匹配追踪方法和魏格纳变换对Scholte波进行识别,实现了两个传感器对多道地震记录的合成,通过匹配追踪方法和魏格纳变换对τ-p变换提取出的Scholte波进行识别,从而精确提取出了Scholte波的频率、速度、能量。

人工合成;Scholte波;τ-p变换;匹配追踪;魏格纳

地震波通常分为面波和体波两种,体波则又被分为纵波和横波[1]。在地震测量中,沿着弹性介质表面或两个不同弹性介质表面上传播的地震波称为面波,它是由在介质中传播的横波与纵波互相干涉和叠加所产生的。面波主要是沿地表面传播,其能量约占地震波总能量的70%,波速约在0.3～3km/s 之间,比体波波速要低。

在舰船航行过程中产生舰船地震波,根据Scholte波对舰船目标进行探测。在流-固界面传播的波即为Scholte波。Scholte波具有频散特性,是面波的一种。相对于初至波和横波而言,面波传播速度最慢,最后到达,频率最低,幅值居中,能量最大,震动周期长。Scholte波沿着海底表面传播,离开界面时幅度按指数规律衰减。当海水深度较浅时或频率较低时,Scholte波波速接近于瑞利波,表面波接近于瑞利波。当海水较深或频率较高时,Scholte波无频散特性,表面波接近于斯通利波。流-固界面Scholte波对应于流-固界面特征方程的实根,Scholte波的速度略小于流体中的声速度。由于海底地震波衍生出来的直达波、初至波、折射波、Scholte波等波的速度不同,本文通过τ-p变换法对原始数据进行提取Scholte波[1],然后在通过匹配追踪进一步对提取出来的数据进行识别Scholte波。在实际应用中,本文所研究内容在水中目标探测上有着极为广阔的前景。

1 τ-p变换法提取Scholte波

1.1τ-p变换法原理

τ-p变换又称为Randon变换或倾斜迭加,应用于图像处理方面,其思想是将(t,x)域地震信号沿固定斜率p和截距τ的直线(沿某一射线路径)叠加求和,应用p和τ来描述波的轨迹[2]。

ψ(p,τ)=∑φ(x,τ+px)Δx

(1)

式中:φ(x,t)代表t-x域的地震记录;ψ(p,τ)代表在τ-p域中的地震记录;x是传感器与震源的距离;p是地震波慢速的水平分量。公式(1)的实现过程实际上是倾斜叠加的过程。对于连续排列,φ(x,t)信号和其τ-p变换的关系式为

(2)

τ-p反变换的思想与正变换有着异曲同工的地方。它是在τ-p域中取斜线,它的倾角为x=-tgβ=-dt/dx,将经过斜线上的数值相加,送到t-x区域相应的位置上。τ-p反变换简单的数学公式:

φ(x,t)=∑ψ(p,t-px)Δp

(3)

对于连续排列,ψ(p,τ)信号和其τ-p反变换的关系式为

(4)

可看到τ-p变换技术的实质是倾斜叠加。

图1为t-x域单道地震波形,图2为t-x域变换到τ-p域单道地震波形。

图1 t-x域地震波形

关于τ参数,从物理的角度可解释为垂直波慢度,从几何的角度可解释为倾斜叠加过程中斜线在t轴上的截距。关于p参数的含义可以解释为地震波慢速的水平分量;射线参数,即斯涅耳(Snell)定律的常数sinθ/v,是在地表的初始入射角的一种特殊的表达方式或者反射波同相轴的斜率dt/dx[3]。

1.2τ-p变换提取Scholte波

在实际应用中,如果采集地震记录,需要很多个检测器,为了节约成本,可以使用两个相隔10m的检测器采集地震信号,根据这两个检测器采集到的信号的时间差来合成地震记录数据,所采集的两个地震记录如图3和图4所示,合成出的地震记录如图5所示。

图3 第一个传感器地震波记录

图4 第二个传感器地震波记录

图6为人工合成的t-x域地震记录数据。

通过对图6的观察,并且根据公式dt/dx计算出初至波,直达波,Scholte波的p值,分别为0.0006、0.00068、0.002559。对合成地震记录数据做τ-p正变换,变换到τ-p域,如图7所示;最后对τ-p域地震记录数据做τ-p反变换,根据计算出来的p值,去除其他干扰波,只留下Scholte波,如图8所示。

图5 合成地震记录

图6 t-x域数据

图7 τ-p域数据

图8 τ-p反变换的t-x域数据

由图8可知,经过τ-p变换后回到t-x域内已经去除掉了干扰波,剩下Scholte波,但是还需要进一步识别。

为了更加直观地看到τ-p变换所产生的作用,取单道地震记录数据τ-p变换前后做对比,如图9、图10所示。

图9 单道t-x域数据

图10 τ-p变换后单道t-x域数据

2 匹配追踪法(MP法)识别Scholte波

2.1 匹配追踪法(MP法)原理

MP算法的核心思想是在一个确定的函数集合中挑选最能体现信号特征的一系列函数,其中每个函数称为原子,MP算法原子库的类别有许多种[4],如:Gabor原子、ChirpLet原子、FMmlet原子、Ricker子波原子、阻尼正弦函数原子等。假设D为进行信号分解的函数集合,原始信号为u,长度为N。通过把函数u垂直投影到函数集合D的

元素上来进行重复的迭代估算,在第一次迭代后,函数u可以表示为

u=u,g0g0+Ru

(5)

式中:g0∈D是第一次比较中最佳的一个;原子Ru是把函数u在函数集合D上进行垂直投影后的残余矢量。然后,在函数集合D选择一个原子,使其匹配逼近这个残余矢量Ru,因此:

Ru=Ru,g1g1+R2u

(6)

式中,R2u是进行了2次迭代得到的残余矢量,g1是第2次迭代时选择的原子。如果重复这样的迭代过程n次,即可将u表示为如下的形式[5]:

(7)

信号h(t)的Wigner分布定义为

(8)

式中星号表示复共轭,式中h(t)出现两次,所以称其为双线性变换。

2.2 识别Scholte波

对经过τ-p变换后的地震记录数据做匹配追踪,分别给出前四次分解与重构的结果,如图11～图14所示。

经过对τ-p变换后的地震记录数据做匹配追踪,最后第二十次分解重构结果,如图15、图16所示。

从图16得知Scholte波的频率为8Hz,速度为400m/s。

对Scholte波能量大、速度慢、频率低的特性进行分析,从而确定为Scholte波。

图11 匹配追踪第一次分解重构

图12 匹配追踪第二次分解重构

图13 匹配追踪第三次分解重构

图14 匹配追踪第四次分解重构

图15 MP法识别单道地震波记录数

图16 时频分析

3 结论

(1)在通过计算p值后,通过对合成地震记录数据做τ-p正变换得到去除了干扰波的地震记录数据,提取出Scholte波。

(2)对提取出来的Scholte波进行匹配追踪和魏格纳变换,得到Scholte波的频率为8Hz,速度为400m/s,根据Scholte波的特性,对提取出的Scholte波进行了验证。

[1]吴津.τ-p变换及应用[M].北京:石油工业出版社,1993.

[2]孙明,林君.线性Radon变换在弱信号提取及强干扰噪声抑制的应用[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版,2003,21(3):19-22.

[3]黄昌武,宋立臣,王大锐.地球物理科学正蓬勃发展—第78届SEG年会报道[J].石油科技动态,2008,286(8):36-59.

[4]陈宇发,尚永生,杨长春.Matching Pursuit方法综述[J].地球物理学进展,2007,22(4):1466-1473.

[5]潘建华.SPWV在脉内混合信号时频分析中的应用[J].舰船电子对抗,2005,28(5):41-44.

(责任编辑：马金发)

Research on Recognition of Scholte Wave in Shallow Sea Ship Seismic Wave

SHAO Yuxin,LI Huan,ZHANG Zipu,LIU Yulong

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Based on the shallow sea ship vibration caused by the process of the formation of the ship seismic wave,the recognition technology of the interfacial waves is studied.The seismic records are synthesized within the time domain signals collected by two sensors.The Scholte wave is extracted by theτ-pmethod,and the Scholte wave is identified by the matching tracking method and the Wigner transform.In order to realize the target detection,the Scholte wave is extracted by theτ-pmethod.The Scholte wave is extracted from the τ-p transform by the method of matching and Wigner transform,and the frequency,speed and energy of the Scholte wave are accurately extracted from the multi-channel seismic records by the above research. Key words： synthetic;Scholte wave;τ-ptransform;matching tracking;Wigner

2016-10-18

辽宁省科学技术计划项目(2015020028)

邵雨新(1992—)，男，硕士研究生；通讯作者：李环(1964—)，女，教授，研究方向：图像信息处理技术等。

1003-1251(2017)03-0032-06

TP391

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