Автоматизация скоростного анализа георадарных данных

Автоматизация скоростного анализа георадарных данных

Научный сотрудник кафедры сейсмометрии и геоакустики Геологического факультета Московского государственного университета им. , к. ф.-м. н., г. Москва, *****@***ru, 8 916 062 32 52

Заведующий кафедрой сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета им. , д. ф.-м. н., профессор, г. Москва, *****@***msu. ru

Научный сотрудник кафедры сейсмометрии и геоакустики Геологического факультета Московского государственного университета им. , к. ф.-м. н., г. Москва, m. *****@***ru

доцент кафедры сейсмометрии и геоакустики Геологического факультета Московского государственного университета им. , к. г.-м. н., г. Москва,  *****@***ru

Ключевые слова: георадар; временной разрез; гипербола дифракции; атрибутный анализ; экспресс-обработка; эффективная скорость

Аннотация: статья посвящена описанию алгоритма определения скоростей электромагнитных волн на данных георадиолокации в автоматическом режиме, разработанного и реализованного в ходе работ по созданию программы скоростного анализа. Автоматизация процесса распознавания гипербол представляет собой достаточно сложную задачу и фактически определяет структуру основных алгоритмов, архитектуру и логику работы программы.

Данный алгоритм основывается на распознавании гипербол дифракции, которые проявляются на георадарограмме в виде характерных осей синфазности.

Реализованная в программе технология обеспечивает анализ кинематических и динамических характеристик георадиолокационной записи, полученной с помощью широко распространённых георадаров с объединёнными в один блок передающей и приёмной антеннами, позволяет выделять множество характеристик дифрагированной волны, к числу которых относятся эффективные и пластовые скорости, энергия волны, глубина проникновения сигнала при установленной скорости распространения. Эти характеристики имеют универсальное значение и находят широкое применение в практике обработки и интерпретации данных георадиолокации при переходе от временного разреза к глубинному.

В результате реализации алгоритма скоростного анализа в программе определяются качество дифрактора и показатель неоднозначности определения скорости распространения волны. Эти атрибуты также могут быть применены при исследовании характеристик среды, интерпретации и моделировании.

Ground penetrating radar data automated velocity analysis

Marchenko A. L.

Researcher of the Department of Seismometry and Geoacoustics, Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University, PhD (Candidate of Science in Physic and Mathematic), Moscow, *****@***ru, 8 916 062 32 52

VLADOV M. L.

Head of the Department of Seismometry and Geoacoustics, Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University, DSc (Doctor of Sciences in Physics and Mathematics), professor, Moscow, *****@***msu. ru

Sudakova M. S.

Researcher of the Department of Seismometry and Geoacoustics, Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University, PhD (Candidate of Science in Physic and Mathematic), Moscow, m. *****@***ru

Starovoitov A. V.

Associate professor of the Department of Seismometry and Geoacoustics, Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University, PhD (Candidate of Science in Physic and Mathematic), Moscow, *****@***ru

Key words: GPR; time section; diffraction hyperbola; attribute analysis; fast processing; effective velocity

Abstract: The article is devoted to the description of the algorithm for determining the velocities of electromagnetic waves from the ground penetrating radar (GPR) data in automatic mode, developed as a software "Desk_123".

The algorithm is based on the automatic recognition of diffraction hyperbolas, which appear on the GPR data as coherent events of hyperbola shape. The article deals with the complications arising in the process of automation (diffracted waves propagation features, features of data representation), approaches of this problem solving, application of the diffractor quality criterion in the automatic search for diffraction hyperbolas, in automation of velocity analysis (ambiguity and incompleteness of solutions).

Examples of the algorithm for automatic velocity analysis are shown. Desk-123 can be used for fast analysis of velocity distribution on GPR data, in the field also. After a little refinement, the program can be used to analyze any data with diffracted waves obtained as a result of echo sounding, seismic survey, etc.

Введение

Получение информации о структуре и физических свойствах изучаемой среды по измеренным эффективным значениям физических полей - одна из основных проблем геофизических методов. Метод георадиолокации здесь не исключение. Первоочередная задача георадиолокации - определение положения искомого объекта (геологической границы, локальной неоднородности и пр.), его размеров и глубины залегания; следующая задача - определение его физических свойств. Решение этих задач невозможно без знания скорости распространения электромагнитных волн.

Определение скорости электромагнитных волн в разрезе обеспечивает метод с разнесенными источником и приёмником, при этом делаются многократные измерения на каждой точке профиля. Такая методика требует трудоемкой обработки полученных данных и на данный момент не поддерживается соответствующей аппаратурой.

Также одной из распространенных технологий в георадиолокации является технология с совмещёнными источником и приёмником [Annan, 2001, Владов, Судакова, 2017]. Её кажущаяся простота оборачивается ошибками в определении строения среды и невозможностью получить её количественные характеристики. Однако эта технология позволяет определить эффективную скорость электромагнитных волн в разрезе при георадиолокационных исследованиях с помощью дифрагированных волн. При этом в большинстве систем обработки теоретическая гипербола "накладывается" на ось синфазности на экране и ее параметры подбираются до полного совмещения с реальной гиперболой дифракции, представленной этой осью. Путем сравнения гиперболы дифракции с теоретической гиперболой удаётся определить скорость распространения волн в толще от поверхности до дифрагирующего объекта, глубину его залегания и место проекции на профиль [Ground penetrating…, 2009; Старовойтов, 2008].

С помощью такого алгоритма скорость электромагнитных волн определяется "вручную" и, вследствие субъективности оценки соответствия формы теоретической гиперболы и наблюдаемой оси синфазности, с ошибками. При наличии множества гипербол на георадиолокационных данных, процесс определения скорости по ним требует значительного времени. При этом распределение "гипербол" дифракции по разрезу носит статистический характер и зачастую вычисляется средняя скорость до границы, вне зависимости от количества определённых значений скоростей и горизонтального градиента свойств среды.

Автоматизация скоростного анализа позволяет облегчить процесс определения эффективных скоростей с помощью гиперболических осей синфазности дифрагированных волн на временных разрезах (георадарограммах) и увеличить его точность (объективность).

Пример автоматического алгоритма расчёта скоростей по гиперболам дифракции описан в литературе [Денисов, Капустин, 2010], однако, на наш взгляд, он не содержит расчёта необходимых атрибутов, отражающих кинематические и динамические особенности осей синфазности дифрагированных волн и интерактивной фильтрации результатов по их значениям.

Настоящая статья посвящена описанию альтернативного автоматизированного алгоритма расчёта скоростей по гиперболам дифракции, реализованного в программе Desk_123. Эта программа написана в предположении об упрощённой модели геологической среды и распространения в ней электромагнитного поля и может быть использована в качестве вспомогательного инструмента анализа данных георадиолокации. Входными файлами для неё являются файлы. sgy. Программа визуализирует исходную информацию и результаты работы, обеспечивает интерактивное взаимодействие с пользователем, позволяя изменять настройки алгоритмов. Результаты работы программы могут быть сохранены в виде графических файлов различных форматов, а также в текстовом формате.

Теоретические предпосылки и принцип работы программы

Уравнение годографа дифрагированной волны в однородной среде при совмещённых источнике и приёмнике выглядит следующим образом:

где координаты объекта дифракции на профиле и в глубине, t– время прихода дифрагированной волны, – скорость во вмещающей среде. Время прихода минимально, когда точка приёма находится непосредственно над объектом дифракции

.

Дифрагированная волна распространяется в среде, поэтому по её годографу можно определить скорость V до глубины положения объекта дифракции и, соответственно, саму глубину h0.

При условии достаточного количества гипербол дифракции на георадарограмме можно адекватно оценить распространение скоростных характеристик в исследуемом разрезе.

На рисунке 1 представлен пример полевых данных, полученных с антенной 300МГц на пресноводной акватории. Красными стрелками показаны гиперболические оси синфазности – отображения на полевых данных локальных объектов – источник информации о скоростях в разрезе.

Рис. 1.Пример отображения локальных объектов на георадарограмме

Основным инструментом скоростного анализа в программе Desk_123 является теоретическая гипербола. На начальном этапе скоростного анализа формируется множество теоретических гипербол, которое основывается на известном диапазоне значений скоростей распространения электромагнитных волн в различных средах. Для георадиолокации актуальными значениями скоростей являются скорости в диапазоне от 3.3 см/нс (скорость в воде) до 30 см/нс (скорость в воздухе). В процессе работы программы диапазон скоростей может корректироваться пользователем в зависимости от конкретных условий. При этом каждой теоретической гиперболе из данного множества соответствует определённое значение скорости, которое называется порождающей скоростью данной теоретической гиперболы.

С помощью теоретических гипербол для каждой точки, исследуемой георадарограммы определяются координаты значений амплитуд на трассах, соответствующих времени прихода соответствующей дифрагированной волны. Найденные значения амплитуд в окне сканирования возводятся в квадрат и суммируются. Полученное значение называется значением энергии дифрагированной волны в данной точке георадарограммы. Это значение используется для определения соответствующего значения скорости распространения электромагнитной волны (порождающей скорости теоретической гиперболы).

Далее, для каждой точки георадарограммы формируется множество значений энергии, каждое из которых соответствует определённой порождающей скорости из данного скоростного диапазона. Предполагается, что максимальное значение энергии в точке георадарограммы будет соответствовать годографу, порождающая скорость которого максимально близка фактической эффективной скорости распространения электромагнитной волны выше соответствующей точки исследуемой среды. Соответствующее значение скорости записывается в матрицу эффективных скоростей.

После определения эффективных скоростей для каждой трассы по формуле Дикса [Шерифф, Гелдарт, 1987] вычисляются пластовые скорости и осуществляется преобразование временного разреза в глубинный скоростной разрез.

Режимы скоростного анализа

Скоростной анализ в описываемой программе имеет два режима: простой и адаптивный.

При работе в простом режиме каждая точка среды представляется дифрактором (точкой, на которой происходит дифракция). К точке дифракции можно "приложить" теоретическую гиперболу и определить скорость и глубину до данной точки. Каждая точка записи А(x, t) на радарограмме рассматривается как вершина гиперболической оси синфазности дифрагированной волны, а модель геологической среды в координатах [X, Z] как матрица точек дифракции (матрицу дифракторов) с различной амплитудой дифрагированной волны и различными параметрами гиперболической оси синфазности в зависимости от средней скорости распространения электромагнитной  волны от поверхности наблюдения до точки дифракции.

Получаемые в простом режиме результаты анализа оказываются разной степени достоверности в зависимости от конкретных файлов данных. Достоверность получаемых результатов скоростного анализа на основе сопоставления множества теоретических гипербол с точками как фактическими дифракторами (вершинами гипербол дифракции) зависит от заданных свойств теоретических гипербол (крутизны и длины их ветвей) и степени их соответствия гиперболам дифракции на георадарограмме.

Рисунки 2 и 3 иллюстрируют ситуации, при которых определение эффективной скорости по значению энергии дифрагированной волны в точке f(x, t) на основе суммы значений квадратов амплитуд по теоретической гиперболе может быть некорректным. На рисунке 2 множество теоретических гипербол с порождающими скоростями 3.0, 5.0, 7.0, 9.0 см/нс проведены из точки, отмеченной красным кружком. Эта точка находится на оси синфазностии является вершиной гиперболы дифракции. Гиперболы с порождающими скоростями 5.0, 7.0, 9.0 см/нс совпадают частично на участке, отмеченном оранжевым цветом, гипербола с порождающей скоростью 3.0 см/нс (отмечена голубым цветом) совпадает полностью.

Рис.2. Полное и частичное соответствие теоретической гиперболы гиперболе дифракции на синтетической георадарограмме

Рис.3. Частичное совпадение теоретической гиперболы с гиперболой дифракции

На рисунке 3 изображено частичное совпадение теоретической гиперболы с гиперболой дифракции, представленной на реальной георадарограмме соответствующей осью синфазности. Область совпадения отмечена зелёным цветом. В этой области может быть корректно определено значение скорости. Ось синфазности гиперболы дифракции обрывается на пересечении с горизонтальной осью. Ниже областей, отмеченных жёлтыми кружками, корректное определение скорости по теоретической гиперболе невозможно.

Для повышения достоверности результатов скоростного анализа в описываемой программе был разработан и реализован адаптивный режим. При работе в адаптивном режиме НЕ КАЖДАЯ точка среды считается дифрактором и НЕ КАЖДАЯ точка георадарограммы может рассматриваться как вершина гиперболы дифракции.

К любой точке среды может быть "приложена" теоретическая гипербола. Однако определение значения энергии, которое предполагает суммирование квадратов амплитуд для данной точки среды по координатам, задаваемым теоретическими гиперболами, на каждом шаге суммирования сопровождается процедурой верификации гиперболы дифракции.

Критерием верификации дифрактора в адаптивном режиме является критерий симметричности ветвей гиперболы. Этот критерий предполагает соразмерность значений квадратов амплитуд на одном уровне ветви гиперболы дифракции. К суммированию значений квадратов амплитуд георадарограммы принимаются значения, удовлетворяющие соотношению:

где ,- значения квадратов амплитуд на левой и правой ветвях гиперболы дифракции на одинаковом расстоянии от вершины гиперболы, а значение не должно превосходить значения расхождения, вычисляемого на каждом шаге процедуры поиска дифрактора с использованием двух определяемых в программе специальных сомножителей:

фактора поиска гиперболы; фактора верификации.

Результаты автоматического скоростного анализа в адаптивном режиме оказываются неполными, поскольку для множества точек исследуемой георадарограммы оказывается невозможным определение значений эффективных скоростей. Данные точки не будут соответствовать критерию верификации дифрактора.

В адаптивном режиме также могут быть получены неоднозначные результаты: на одних и тех же точках георадарограммы для различных теоретических гипербол могут быть определены одинаковые значения энергии (в том числе и максимальные). В результате для одних и тех же точек георадарограммы может быть определено несколько различных значений эффективных скоростей.

На рисунке 4 представлена схема, которая иллюстрирует один из возможных случаев проявления неоднозначности результатов скоростного анализа.

Рис.4. Схема, иллюстрирующая неоднозначность результатов скоростного анализа в адаптивном режиме работы программы. Числа на гиперболах – значения скоростей, см/нс

На рисунке 4 представлена матрица значений амплитуд георадарограммы. Столбцы в матрице условно обозначены пунктирами. В соответствии со значениями амплитуд, матрица разделена на несколько зон, закрашенных разными цветами. Каждому цвету соответствует определённый диапазон значений.

По данной матрице проводится скоростной анализ в адаптивном режиме. При этом программой создаются и заполняются несколько матриц, в которые записываются исходные значения и результаты анализа:

матрица значений амплитуд R (создаётся на основе анализируемой георадарограммы); матрица неоднородностей A; матрица показателей качества дифракторов D.

Значения амплитуд в оранжевой зоне позволяют "приложить" к точке R(time, trace) 4 теоретических гиперболы с различными порождающими скоростями. Длина ветвей верифицированных гипербол, успешно приложенных в точке R(time, trace) может измеряться количеством столбцов от вершины гиперболы.

Значения в зонах справа и слева от центральной оранжевой области не соответствуют критерию верификации дифрактора.

При определении эффективной скорости в точке R(time, trace) в адаптивном режиме для гипербол с порождающими скоростями 3.0, 5.0, 7.0, 9.0 процесс завершится в пределах оранжевой зоны. Для данных гипербол будут определены одинаковые значения энергии и разные значения эффективных скоростей. В результате в точке георадарограммы R(time, trace) будет определено неоднозначное значение эффективной скорости (вектор скоростей [3.0, 5.0, 7.0, 9.0]). При этом в матрице неоднозначностей в точке с координатами A(time, trace) будет записано значение 4 (по количеству возможных скоростей, определяемых в точке R(time, trace) по различным теоретическим гиперболам).

В матрице показателей качества дифракторов D в точке D(time, trace) будет записано количество столбцов, на которых выполняется критерий верификации дифракторов для теоретических гипербол с вершиной в точке R(time, trace). Для четырёх возможных гипербол - это вектор одинаковых значений [9, 9, 9, 9], характеризующих длину ветвей соответствующих гипербол. Неоднозначность результатов скоростного анализа может быть вызвана целым рядом обстоятельств, в том числе дискретностью представления исходной информации. Значения шагов по расстоянию, времени и диапазону порождающих скоростей существенно влияют на форму теоретических гипербол, которые при определённых значениях этих параметров приводят к одинаковым значениям определяемых с их помощью энергий и неоднозначному определению эффективных скоростей.

При разработке программы не предпринималось специальных попыток компенсации неполноты и неоднозначности результатов скоростного анализа в адаптивном режиме.

В качестве опционального средства для компенсации неполноты пользователю предоставляются стандартные библиотечные методы интерполяции, которые применяются к результатам скоростного анализа.

Проблемы с неоднозначностью результатов решаются за счёт реализованных в программе процедур интерактивной верификации и выбора адекватных с точки зрения пользователя результатов. Таким образом, при автоматизированном скоростном анализе в описываемой программе становится возможным построение итерационного цикла обработки полевых данных.

Пример определения скоростей на синтетических данных

На рисунке 5 приведена синтетическая георадарограмма, полученная в результате решения следующей прямой задачи в двумерной области: радар передвигается по поверхности полупространства, содержащего локальные объекты, являющиеся источниками дифракции. Эффективная скорость в полупространстве до объектов дифракции соответствует заданным значениям: 10, 15, 20, и 25см/нс. Все значения амплитуд, кроме сигнала прямого прохождения и гиперболических осей синфазности, равны 0. Также на рисунке показаны реализованные в программе инструменты анализа: красная и синяя гиперболы. Синяя гипербола позволяет в интерактивном режиме измерять значение скорости в точке. Красная гипербола перемещается за курсором и принимает форму на основе рассчитанных в результате скоростного анализа значений в точке, обеспечивая тем самым контроль результатов со стороны пользователя.

Рис.5.Синтетическая георадарограмма. Эффективные скорости по гиперболам дифракции слева направо верхний ряд: 15, 20, 25см/нс, нижний ряд обе гиперболы - 10 см/нс, 11 см/нс.

На рисунке 6 показан результат скоростного анализа в адаптивном режиме без дополнительной коррекции. "Синий" фон соответствует "нулевым" значениями - точкам, в которых скорость определить невозможно. Скорость в вершинах гипербол определена верно, однако на скоростном разрезе в точках на ветвях гипербол значения скорости определены ошибочно, более того - максимальная скорость определена на месте сигнала прямого прохождения. Очевидна необходимость внесения в алгоритм расчёта ограничивающих правок, которая и была реализована в программе. Результат скоростного анализа после фильтрации по атрибуту "качество дифракторов" с пороговым значением 29 показан на рисунке 7. Большинство "артефактов" расчёта исчезли со скоростного разреза, а корректно рассчитанные значения скорости, соответствующие точкам вершин гипербол, остались.

Рис. 6. Результат скоростного анализа синтетических данных, показанных на Рис. 5, без дополнительной коррекции. Цветом показано значение эффективной скорости, см/нс

Рис.7. Результат скоростного анализа синтетических данных, показанных на рис. 5, с дополнительной коррекцией. Проведена фильтрация по атрибуту "качество дифракторов". Цветом показано значение эффективной скорости, см/нс

Пример определения скоростей на реальных данных

Далее приведён результат теста на реальных данных. Тест проводился на георадарограмме, полученной в результате исследования среды, содержащей в себе объекты дифракции, скорость в которой известна с максимальной точностью. В данном случае таким объектом стал разрез озера Верхнее (Кандалакшский район) с донными осадками. Скорость в воде составляет 3.3 см/нс; скорость в придонных осадках ненамного превышает скорость в воде - до 3.6 - 4 см/нс.

Одна из полученных георадарограмм без обработки приведена на рисунке 1. Георадарограмма получена методом непрерывного профилирования. Использовался георадар Зонд-12Е с антенной 300МГц.

Предварительно было проведено определение скоростей по гиперболам дифракции "вручную" в программе RadexPro. С учётом ошибок скорость распространения на георадарограмме меняется от 3 до 3.7 см/нс.

Результат скоростного анализа в "адаптивном" режиме в диапазоне скоростей 3.0-30.0 приведён на рисунке 8. Результат фильтрации по максимальному значению эффективных скоростей представлен на рисунке 9.

Видно, что в большинстве точек значение скорости определены корректно, кроме областей, соответствующих горизонтальным осям синфазности; здесь определённая скорость - максимальна. Это объясняется тем, что самой высокой скорости из всех возможных соответствуют "пологий" наклон веток гиперболы, наиболее близкий к горизонтали.

В большинстве точек скорость определена верно, что позволяет быстро и адекватно оценить скорость во всём разрезе, не прибегая к утомительному "ручному" анализу. Данный пример показывает важность контроля полученных результатов оператором.

Рис.8. Результат скоростного анализа реальных данных, показанных на Рис.1, в "адаптивном" режиме в диапазоне скоростей 3.0-30.0 Цветом показано значение эффективной скорости, см/нс

Заключение

Однозначное решение задачи определения скоростных характеристик георадарограммы с помощью описанной технологии на всём множестве точек (time, trace) георадарограммы с применением теоретических гипербол невозможно. Результаты оказываются неполными и неоднозначными.

Причина неполноты заключается в том, что не все точки георадарограммы располагаются на осях синфазности, соответствующих реальным гиперболам дифракции.

Причина неоднозначности – в дискретном представлении информации на георадарограмме, при котором возможно совпадение гиперболы дифракции с несколькими теоретическими гиперболами.

Однако полученные для данной георадарограммы результаты скоростного анализа могут быть дополнительно отфильтрованы на основании соответствующих значений критериев неоднозначности и качества дифракторов, которые формируются в ходе выполнения скоростного анализа. Таким образом, для каждого набора параметров скоростного анализа может быть выделено подмножество точек (time, trace), для которых удаётся однозначно определить значения скоростей.

Тестовые испытания на синтетических и реальных данных хорошего качества показали, что с помощью описанной технологии можно адекватно оценить эффективную скорость распространения в разрезе. При этом тест показал, что во избежание ошибок в работе программы данным необходима предварительная обработка (удаление горизонтальных и субгоризонтальных осей синфазности) либо дополнительная обработка результатов реализованными в программе средствами управления скоростным анализом с предварительной настройкой алгоритма, последующей фильтрацией и верификацией результатов.

Представленный алгоритм был реализован в программе Desk_123, которая разработана на кафедре сейсмометрии Геологического ф-та МГУ. Программа реализована как Windows приложение в среде MATLAB на языке программирования m.

Реализованная в программе технология автоматического определения параметров дифрагированных волн может применяться для экспресс-анализа распределения скоростей на временных разрезах, в том числе в полевых условиях.

Быстродействие программы определяется множеством обстоятельств. В частности, значением шага диапазона скоростей dv, который фактически определяет общее количество теоретических гипербол, "прилагаемых" к точке дифракции для определения скорости. В среднем расчёт скоростного разреза по радарограмме в несколько тысяч трасс длиной около 500 отсчётов занимает от нескольких минут до нескольких десятков минут машинного времени стандартного ПК(Intel(R) Core(TM) i7-4700MQCPU @ 2.40GHz).

После небольшой доработки программа может применяться для анализа любых временных разрезов с дифрагированными волнами, полученных в результате эхолотирования, сейсморазведки и пр.

На основе сохранённых результатов скоростного анализа (матрицы значений эффективных скоростей и матрицы качества дифракторов) с помощью разработанного на кафедре сейсмометрии Геологического ф-та МГУ специального программного обеспечения может быть построена синтетическая георадарограмма, при сравнении которой с исходной георадарограммой возможно проведение дополнительной верификации результатов скоростного анализа.

Список литературы

, Судакова : от физических основ до перспективных направлений. — Геос, Москва, 2017,240с. , Капустин георадарных данных в автоматическом режиме, Геофизика. — 2010. — №4. — С.76–80. Старовойтов георадиолокационных данных. М, МГУ, 2008,191с. ейсморазведка - М.: Мир, 1987,448с. Annan A. P., Ground penetrating radar workshop notes, Ontario, Sensors & Software Inc 2005,192p. Ground penetrating radar theory and applications / Edited by Harry M. Jol, Elsevier, 2009, 523p. RadExPro 2013.1. Руководство пользователя. ООО "Деко-Геофизика", 2014, 472с.

References

Vladov M. L., Sudakova M. S. Georadiolokatsia: ot fiziceskih osnov do perspectivnyh napravlenij. — Geos, Moskva, 2017, 240с. Denisov R. R., Kapustin V. V. Obrabotke georadarnyh dannyh v avtomaticheskom rejime, Geofizika. — 2010. — №4. — С.76–80. Starovoitov A. V. Interpretacia georadiolokatsionnyh dannyh. М, MGU, 2008,191с. Sheriff R., Geldart L. Seismorazvedka - М.: Mir, 1987,448с. Annan A. P., Ground penetrating radar workshop notes, Ontario, Sensors & Software Inc 2005,192p. Ground penetrating radar theory and applications / Edited by Harry M. Jol, Elsevier, 2009, 523p. RadExPro 2013.1. Rkovodstvo polzovatelia. ООО "Deko-Geofizika", 2014, 472с.

Краткое содержание статьи

Широко применяемая в настоящее время в различных системах обработки методика определения скоростей электромагнитных волн на данных георадиолокации с помощью дифрагированных волн предполагает со стороны интерпретатора стандартную последовательность действий, которая предполагает наложение теоретической гиперболы на ось синфазности, подбор параметров теоретической гиперболы до её максимально возможного совмещения с реальной гиперболой, представленной этой осью, определение скорости распространения волн в толще от поверхности до объекта дифракции, глубины его залегания и места проекции на профиль путём сравнения теоретической и реальной гипербол. С помощью такого алгоритма скорость электромагнитных волн определяется "вручную" и, вследствие субъективности оценки соответствия формы теоретической гиперболы и наблюдаемой оси синфазности, с возможными ошибками. Кроме того, при наличии множества гипербол на георадиолокационных данных, процесс определения скорости по ним требует значительного времени.

Статья посвящена описанию алгоритма определения скоростей электромагнитных волн на данных георадиолокации в автоматическом режиме, разработанного и реализованного в ходе работ по созданию программы скоростного анализа Desk_123. Описываемый алгоритм основывается на автоматическом распознавании гипербол дифракции, которые проявляются на георадарограмме в виде характерных осей синфазности. Автоматизация процесса распознавания гипербол представляет собой достаточно сложную задачу и фактически определяет структуру основных алгоритмов, архитектуру и логику работы программы.

В статье описываются причины возникающих при попытке автоматизации осложнений (особенности распространения дифрагированных волн в среде, особенности представления данных на георадарограмме), подходы к решению этой задачи (применение критерия качества дифрактора при поиске гипербол дифракциии), ограничения, связанные с реализованным подходом к автоматизации скоростного анализа (неоднозначность и неполнота решений). Авторы приходят к выводу, что полное и однозначное решение задачи автоматического определения скоростных характеристик георадарограммы на всём множестве точек георадрограммы с применением теоретических гипербол невозможно. Результат скоростного анализа оказывается неполным и неоднозначным. Причина неполноты заключается в том, что не все точки георадарограммы располагаются на осях синфазности, соответствующих реальным гиперболам дифракции. Причина неоднозначности – в дискретном представлении информации на георадарограмме, при котором возможно совпадение гиперболы дифракции с несколькими теоретическими гиперболами.

Получаемые результаты скоростного анализа могут быть дополнительно отфильтрованы на основании соответствующих значений критериев неоднозначности и качества дифракторов, которые формируются программой в ходе выполнения скоростного анализа. Для каждого набора параметров скоростного анализа в программе Desk_123 на георадарограмме может быть выделено подмножество точек с координатами (t, х), для которых удаётся однозначно определить значения скоростей, о чём и свидетельствуют тестовые испытания на синтетических и реальных данных.

Таким образом, с помощью программы Desk_123 можно адекватно оценить эффективную скорость распространения в разрезе. После небольшой доработки программа может применяться для анализа любых временных разрезов с дифрагированными волнами, полученных в результате эхолотирования, сейсморазведки и пр.

Summary

At present time "manual" processing technique of determining velocity of diffracted electromagnetic waves is widely used in various processing ch technique assumes standard sequence, which involves the comparing the theoretical and real hyperbolas, selection of theoretical hyperbola parameters to its maximum possible alignment with real hyperbola, determining the wave velocity in the medium from the surface to the object of diffraction, its depth and location as the projection on the profile. Using such an algorithm, velocity of electromagnetic waves is determined "manually" and, due to subjectivity of the estimation of the correspondence between the form of the theoretical and the observed hyperbolas, with possible errors.

Besides, in the presence of multiple hyperbolas on ground penetrating radar (GPR) data, the process of velocity determining requires considerable time. The article is devoted to the description of the algorithm for determining the velocities of electromagnetic waves from the GPR data in automatic mode, developed as a software "Desk_123". The algorithm is based on the automatic recognition of diffraction hyperbolas, which appear on the GPR data as coherent events of hyperbola shape.

Automating of hyperbolas recognizing process is a complex task and in fact determines the structure of the main algorithms, the architecture and the logic of the software. The article deals with the complications arising in the process of automation (diffracted waves propagation features, features of data representation), approaches of this problem solving (application of the diffractor quality criterion) in the automatic search for diffraction hyperbolas, and automation of velocity analysis (ambiguity and incompleteness of solutions).

Authors came to the conclusion that a complete and unambiguous solution of the problem of automatic determination of the velocity on a GPR data on the entire set of points with the use of theoretical hyperbolas is impossible. The velocity analysis result is incomplete and ambiguous. The incompleteness reason lies in the fact that not all points of the GPR data are located on events corresponding to diffraction hyperbolas. The ambiguity reason lies in the discrete nature of data and real diffraction hyperbola can coincide with several theoretical hyperboles

Obtained velocities can be filtered further according to special criterion implemented in Desk_123 software. They are: ambiguity criteria and the quality of the diffractors that are generated by the software during the performance of the velocity analysis. For each set of velocity analysis parameters in Desk_123, a subset of points with coordinates (t, x) can be selected on the GPR data for which it is possible to uniquely determine velocities, which is confirmed by tests on synthetic and real data.

Thus, using the program Desk_123, it can be adequately estimate the effective velocity of electromagnetic waves in a geologic section. After a little refinement, the program can be used to analyze any data with diffracted waves obtained as a result of echo sounding, seismic survey, etc.