Media-security

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Л.В.Зуевич

Обсуждается применение голографических систем для визуализации сейсмических изображении. Рассмотрены два основные эксперимента в области сейсмической голографии, один из которых проведен в наземных условиях, а другой - в морских. На примерах этих экспериментов показаны особенности реализации голографического метода в сейсмическом диапазоне, а также некоторые тенденции его развития.

Голографические методы в ближайшем будущем найдут широкое применение для разведки полезных ископаемых, а также для исследования осадков в районах континентального шельфа.

Методы визуализации акустических изображений имеют давнюю историю, однако, существовавшая до 60-х годов техника в значительной степени ограничивала качество изображений. Серьезные изменения в этой области наметились в середине 70-х годов, что следует связывать прежде всего с появлением акустической голографии. В настоящее время исследования в области акустической голографии оказывают большое воздействие на целый ряд областей - биомедицинскую диагностику, неразрушающий контроль, гидролокацию, сейсморазведку.

Как известно, геофизические методы являются основными при изучении строения земной коры. При этом сейсмический метод разведки служит основой изучения геологического строения верхней ее части, выяснения закономерностей распределения различных пород. В сейсморазведке осуществляется эхолоцирование земной коры, для чего используется либо взрыв, либо механический вибрационный источник. Эхо-сигналы, отраженные от акустических неоднородностей земной коры (сейсмических горизонтов), чаще всего регистрируются на линейной базе. Отметим, что в сейсморазведке используется самый низкочастотный диапазон акустического спектра (обычно 10-80

Гц), что вызвано значительным затуханием в земной коре, а регистрация осуществляется линейными приемными антеннами с количеством каналов 24, 48, 96. С точки зрения физики, среда, в которой распространяются зондирующие и отраженные эхо-сигналы, является, пожалуй, одной из самых сложных из-за существенной неоднородности, наличия явлении рефракции, многолучевого распространения, образования обменных волн сжатия-сдвига на границах раздела.

Именно по этой причине по прошествии почти 50 лет исследований и работ в этой области получение изображений в сейсморазведке все еще остается непростой, а в большинства случаев даже более сложной проблемой, чем в других областях визуализации акустических изображений. В последние годы для получения расчетных сейсмических разрезов (профилей) исследуемых геологических структур используется обработка сейсмической информации на ЭВМ, однако, даже эта мера на является кардинальной в решении проблемы быстрой, надежной и точной визуализации сейсмических изображений. Названные трудности в последние годы резко стимулировали поиск новых технических средств и методических приемов решения сложных задач визуализации сейсмических изображений при исследовании земной коры.

Идея применения голографических методов в сейсмическом диапазоне появилась практически одновременно с рождением метода, поскольку эта возможность отмечалась в ранних работах ряда исследователей /1,2/. Однако, до сих пор обоснованность их применения в сейсморазведке и, отчасти, геоакустике, подводном видении является предметом споров. Причина этого, в основном, заключается в том, что для получения фазовой информации, содержащейся в сейсмических и акустических данных, совершенно не обязательно использовать метод регистрации, принятии в оптической голографии. Эта информация может быть извлечена и иным способом, так как регистрация этих данных осуществляется линейными, а не квадратичными приемными элементами. И тем не менее, голографические метода являются в значительной степени привлекательными и оцениваются как весьма перспективные в сейсмическом диапазоне. Причин здесь несколько, мы укажем лишь некоторые из них.

Во-первых, применение голографических методов позволяет получать изображения объектов в привычном смысле слова, что либо не имеет прямых аналогов, либо в значительной степени затруднено в случае применения других методов. Это справедливо даже с учетом появившихся в последнее время методов дифракционных преобразований /3/ и "мигационных" методов /4/, вычислительные алгоритмы которых, даже в случае линейных приемных систем, требуют настолько больших затрат машинного времени, что перенос этих методов на системы с двухмерной (площадной) регистрацией в настоящее время представляется весьма проблематичным.

Во-вторых, при регистрации сейсмической и акустической информации голографическими методами оказывается возможным применение самых разнообразных способов ее анализа, преобразования и восстановления. В этом случае голограммы можно суммировать, вычитать, подвергать операциям фильтрации, корреляции, свертки и т.п. Таким образом, наличие информации, зафиксированной в виде интерферограмм, позволяет, с одной стороны, использовать достижения интерферометрии - этой существенно развитой области науки, а с другой стороны - использовать преимущества самих прогрессивных на сегодняшний день способов ее обработки - оптического и цифрового. Иными словами, роль голографии в сейсмическом диапазоне заключается не в сохранении фазовой информации в процессе регистрации волнового поля, а в прогрессивных методах обработки самой информации.

Эксперименты в сейсмической голографии

Экспериментальная проверка применимости голографических методов в сейсмическом диапазоне в наземных и морских условиях начата достаточно давно, хотя к настоящему времени известно лишь несколько крупных работ советских и зарубежных авторов /5-7/. Это объясняется прежде всего значительной масштабностью самих экспериментов и серьезными трудностями реализации преимуществ голографического подхода в сейсмическом диапазоне. Пионером и инициатором работ в области сейсмической голографии в нашей стране является В.Д.Завьялов, работы которого стимулировали интерес геофизиков к этим методам /8,9/.

Первые и, пожалуй, самые значительные полевые эксперименты в сейсмической голографии были выполнены Фитцпатриком в наземных условиях /6/ и Фарром - в морских /7/. На примерах этих экспериментов будут показаны возможности голографического метода получения изображений геологических объектов, особенности его реализации в сейсмическом диапазоне, а также некоторые тенденции развития.

На рис.1 представлена схема проведения эксперимента, выполненного Фитцпатриком и 1969 году. Объект представлял собой область разрушения (каверну), образованную взрывом на глубине 24 м в сланце. В качестве источника сейсмических волн использовались многократные взрывы 150 г взрывчатого вещества, помещавшегося на глубину ~60 м и в скважину. Синтезирование квадратной апертуры с размером 69´ 69 м² осуществлялось перемещением линейной приемной апертуру антенны из 11 геофонов, в результате чего набиралась двухмерная решетка размером 21´ 21. Для регистрации выделялась Фурье-компонента спектра частотой 140 Гц (длина волны λ = 15,25 м), а в поле производилась запись полного сигнала по трассам с регистрацией на магнитной ленте. Опорный сигнал добавлялся на стадии обработки сигналов на ЭВМ, для чего имитировался опорный источник на глубине ~24 м, т.е. синтезировалась голограмма Фурье. На рис.2 приведена синтезированная голограмма и результат восстановления, осуществленного в свете лазера с транспаранта голограммы с линейным размером 0,8 мм. Полученное изображение объекта обладает относительно невысоким качеством, т.к. размеры объекта практически сравнимы с длиной волны излучения. Кроме того, в данном эксперименте присутствовали сильная анизотропия скорости в среде из-за существенной неоднородности.

Дальнейшие работы автора были направлены на развитие методики обработки зарегистрированной информации. Им предложен метод регистрации сейсмических голограмм на "первых вступлениях" /10/, позволивший повысить соотношение сигнал/шум по изображению, однако, не давший кардинального улучшения его качества.

Рис.1. Схема наземного голографического эксперимента /6/.

а) вид сверху,

б) разрез по АА'.

Рис.2. Синтезированная голограмма и результат восстановления /6/.

а) голограмма,

б) восстановленное изображение.

В работе /11/ выдвинута идея использования интерферометрических методов в акустической и сейсмической голографии, для чего предложено использование суперпозиционных голограмм вида

. (1)

При этом результат восстановления может быть представлен в виде

, (2)

где А - волна, восстанавливаемая голограммой H_i.

Простейшая возможность обобщения метода связана с представлением волны в виде

, (3)

где z=α+iβ, φ'=φ+Δφ. Первый член в (3) описывает начальное состояние исследуемого объекта, а второй - конечное. В этом случае распределение интенсивности в плоскости восстановленного по суперпозиционной голо-

грамме изображения - результат интерференции - будет описываться выражением

I=1+zexp[-j(φ'-φ)]+z^*exp[j(φ'-φ)]+z^*z (4)

или

I=(1+2αcosΔφ+α²+β²)+2βsinΔφ. (5)

Можно ввести понятие относительного контраста, как отношения тех членов в (5), которые пропорциональны величине Δφ, к остальным членам этого выражения:

. (6)

Нетрудно показать, что соответствующим выбором α и β удается получить контраст, равный единице, вдоль любого эквифазного контура Δφ=φ-φ'=ρ. Эквифазный контур Δφ(с) характеризует небольшие изменения в объекте или его расположении. Особенно важен тот факт, что этот метод применим к задачам выделения объектов геологической природы, более того, он применим даже в случае, когда объект не изменяется во время наблюдения. Искусственные изменения фазы при получении голограмм вызываются небольшим смещением плоскости регистрации голограмм или положения опорного источника. Естественно, получаемые фазовые контуры, характеризующие эти изменения, не отражают истинных изменений в объекте, однако позволяют подчеркивать его форму. Рис.3 иллюстрирует возможности описанного интерферометрического метода улучшения выделения зоны разрушений, вызванных взрывом /6/, где небольшие изменения фазы осуществлялись изменением положения синтезируемого источника. Как видно, данная методика позволяет выделять на этих интерферометрических изображениях нерегулярный объект, который можно идентифицировать как грубое проекционное изображение подземных нарушений. Приведенный пример является прекрасной иллюстрацией проникновения идей интерферометрии в методы решения задач визуализации сейсмических изображений.

В работе Фарра /7/ описан эксперимент в области сейсмической голографии, выполненный в Мексиканском заливе. В этом районе

располагалась небольшая солянокупольная структура, пространственные размеры которой, а также глубина водного слоя ~ 25 м были оптимальны для первых экспериментов. Схема проведения эксперимента - на рис.4.

Рис.3. Результат улучшения качества восстанавливаемого изображения /11/.

а), б) - синтезированные голограммы при глубинах опорного источника 6085 футов и 6082 фута,

в) - составная голограмма,

г),д) - синтезированные голограммы при глубинах опорного источника 6105 футов и 6102 фута,

е) - составная голограмма.

В качестве источника использовался вибратор, работавший либо в одночастотном режиме f = 42 Гц, либо в режиме изменяющейся частоты f = 25÷75 Ãц. Для приема сигналов использовались две сейсмические косы. Одна коса вместе с вибратором буксировалась судном со скоростью 4 узла. Вторая коса располагалась на дне и

простиралась перпендикулярно направлению перемещения судна.

Рис.4. Схема морского сейсмоголографического эксперимента /7/.

Использовались два комплекта регистрирующей аппаратуры - один комплект располагался на судне, а второй - на буровой платформе. Судно совершало челночные движения вдоль выбранного направления с длиной одного прохода 2,5 мили (~ 4,6 км). При работе вибратора в режиме изменяющейся частоты с помощью буксируемой косы проводилась обычная сейсмическая съемка. Кроме того, с помощью косы проводилась регистрация одномерных голограмм, соответствующих различный глубинам с дискретом по глубине 75 м. Вибратор работал в этом случае на частоте 42 Гц. Одновременно донной ко-

сой производилась регистрация двухмерных голограмм по методу скрещенных решеток Милдера и Уэллса. Обработка зарегистрированной информации велась на ЭВМ. Для восстановления изображений с одномерных и двухмерных голограмм автором использовался кросс-корреляцционный метод.

Сравнение данных традиционного сейсмического метода и совокупности восстановленных одномерных голограмм позволило выявить интересные особенности. Голографическое изображение содержит ряд вертикальных линейных структур, отсутствующих на сейсмическом разрезе, что может быть связано с наличием зон нарушений типа сбросов. Приводится результат восстановления изображения с двухмерных голограмм для глубин 1 км и 2 км. Рис.5 иллюстрирует пример восстановленного изображения для глубины 1 км.

Рис.5. Восстановленное изображение для глубины 1 км /7/.

Изображение содержит высокоинтенсивные области рассеивания в пространстве вне купола. Также наблюдаются слаборассеивающие точечные линейные структуры, простирающиеся параллельно границе залегания соляного отложения. Внутри купола сколь-нибудь значительных источников рассеивания не замечено. Приведенные результаты первого морского эксперимента показывают, что метод сейсмической голографии применим при картировании и интерпретации областей дифракции. Очевидно, что этот метод может использоваться одновременно с традиционным сейсмическим методом, что позволит обеспечить лучшую интерпретацию сейсмических материалов.

Заключение

Анализируя результаты приведенных экспериментов, следует отметить, что, хотя качество полученных изображении относительно невысоко, сама возможность применения голографических методов в сейсмическом диапазоне доказана достаточно убедительно. Развитие идей применения голографических методов в изучении земной коры уже сейчас открывает период, когда методы голографической визуализации начинают серьезно использоваться для разведки и оценки запасов нефти и других полезных ископаемых, кроме того, существуют и другие варианты применения голографических методов в науках о земле, среда которых можно отметить предложение определения крупных разломов внутри земли /12/, а также проект создания голографической системы "видения вперед" для больших горнопроходческих щитов /13/. Помимо этого, большие возможности открываются в плане применения голографических систем в связи с интенсивным освоением континентального шельфа, где, в частности, необходимо тщательное изучение верхней части осадочного чехла с визуализацией объектов самой различной природы. Если указанные предложения будут реализованы на практике, то это станет еще одним впечатляющим успехом голографических методов визуализации изображений.

Л и т е р а т у р а

1. A.F.Metherell, H.M.AI-Sum, J.J.Dreher, L.Larmore. "Introduction to acoustical holography". J.Acoust.Soc.Am., 42, 4, 733, 1967.

2. R.K.Mueller, N.V.Sheridon. Sound holograms and optical reconstruction", Appl.Phys.Lett., 9, 9, 328, 1966.

3. Ю.В.Тимошин. "Основы дифракционных преобразований сейсмических записей", М., "Недра", 1972.

4. J.E.Claerbout, S.N.Doherty. "Downwardcontinuation of moveout corrected seismograms", Geophysics, 37, 5, 741, 1972.

5. W.E.Leriwell. "Holography at seismie frequency". Presented at the European association of exploration Geophysicist (EAEG), Venice. Italy, 1969.

6. G.L.Fitzpatrick. H.R.Nicholls, R.D.Munson. "An experiment in srismic holography". Bureau of Mines Rep. luv, 7607, 1972.

7. J.Farr. "Earth holography as a method to delinate buried structures". Acoustical holography, 6, 4, Plenum Рrеss, 435, 1975.

8. В.Д.Завьялов. "О применимости принципов голографии в сейсморазведке", Серия: Региональная, разведочная и промысловая геофизика. №24, М., ВИЭМС, 1969.

9. В.Д.Завьялов. "Введение в сейсмическую голографию на плоскости", Серия: Региональная, разведочная и промысловая геофизика, №27, М., ВИЭМС, 1969.

10. G.L.Fitzpatrick. "First-arrival seismic holograms" Acoustical holography, 4, N.Y., Plenum Press, 381, 1972.

11. G.L.Fitzpatrick, L.P.Yoder. "Threefold seismic or acountical holographic interferograms for improved reconotructed-image definition and costruct". Acouetical Imaging and Holography, 1, 1, N.Y., 1978.

12. С.Д.Виноградов, А.В.Николаев, П.А.Троицкий, Д.Д.Шеимер. "Оценка возможностей больших сейсмических массивов при излучении структуры земли методом сейсмической голографии", доклады советско-американского семинара по проблемам землетрясений, кн.1, т.2, Душанбе, Дониш, 1976.

13. G.L.Fitzpatrick, Т.О.Price. "Acoustical holography goes underground." Opt. Spectra, 11, 9, 57, 1977.