成像测井中超声图像退化原因分析与复原方法研究

成像测井中超声图像退化原因分析与复原方法研究

作者：张健

来源：《计算技术与自动化》2013年第04期

【摘要】通过对超声成像测井中因井壁声斑的非理想性所引造成图像退化因素的详细分析；并基于现场实验数据与实际测井资料的比对深入研究换能器的传输特性并寻求最佳点扩展函数；从而设计出退化图像的最佳复原算法，为进一步提高采样图像的清晰度与分辨率提供了有效方案。

【关键词】超声成像退化图像复原研究

【中图分类号】P631.84 【文献标识码】A

1.引言

超声成像测井方法以其特有的全井眼覆盖、图像直观、操作方便、适用范围广等诸多优势，在现场测井中得到了广泛应用；其不仅可在裸眼井中清晰反映出井眼的孔洞、层理、识别裂缝、几何形状等，还可在套管井中检测套管损坏程度、射孔质量及评价固井质量等等。但同时也存在成像分辨率不足、受泥浆与井眼影响大等缺点[1]。

在实施成像测井过程中，由于各种退化因素的影响导致成像的分辨率下降，从而直接影响到工程人员对井壁特征的分析评价。因此，如何提高成像质量就显得十分迫切与重要；对于超声成像测井系统而言，造成图像退化的主要原因是来自于超声波投射至井壁成像的非理想性；若采用信号处理方式来改善超声成像的分辨率与质量，就必须深入研究超声换能器的传输特性，从现场实验数据与测井资料中精确估计出换能器的最佳点扩展函数[2]，并在此基础之上设计退化图像的最优恢复算法，以进一步提高采样图像的清晰度与分辨率。

2.超声图像退化原因分析与复原算法研究

2.1 超声成像测井中图像退化的数学建模与退化原因分析

该图展现了超声成像测井仪（UBI/USI/UCI）采用的几种不同类型换能器的频率大小与其在探测面上所形成声斑面积大小。由图可见：对于使用频率为2M的高频超声聚焦换能器UCI 而言，其声斑直径只有0.4cm；而对于0.265cm / 点的扫描分辨率而言，该换能器的点扩展函数可视为冲激响应，其对图像的退化影响可忽略不计；而对于使用频率为500K的聚焦换能器UBI而言，其声斑直径约为0.5cm，其对图像的退化影响也可不予考虑；但对于使用频率为

500K左右的平面超声换能器USI而言，其声斑直径达到了3cm，其对图像的退化作用则表现的相当明显[6]。

基于上述分析：当声斑直径8倍于旋转扫描分辨率时，采取进一步提高扫描分辨率的方式对于改善图像清晰度的意义不大。

2.2 换能器旋转运动对超声图像的退化影响分析

假设换能器所发出的超声波束为理想冲击响应：如图3（Ⅰ）所示：A点的回波声幅仅为在该段（S1弧线标注）旋转扫描期间井壁各点的回波声幅对时间的积分；B点对应弧段的井壁信息对A点回波声幅无影响[7]；若超声波束为一具有一定直径的声斑：如图3（II）所示；则A点的回波声幅为S2弧线标注弧段井壁各点回波声幅对时间的积分， B点对应弧段的井壁信息则对A点的回波声幅则产生了平滑作用。

在上述井径直径、每圈扫描点数与旋转扫描速度一定的情况下；每点的宽度约为

0.265cm，每点的扫描时间约为0.39ms；对于声斑直径为0.4cm的超声波束而言，旋转扫描所带来的相邻井壁超声回波的平滑干扰是客观存在的；考虑到波束能量主要集中于声斑中心区域可不予考虑。但当声斑直径过大时，相邻区域的井壁信息对图像的平滑作用就比较突出。

基于上述分析，换能器旋转运动对图像退化的影响归结于在水平方向上扩展了点扩展函数：即扩大了水平方向的声斑宽度约一个扫描间隔；因此，对于平面超声换能器而言，由于声斑直径约3cm左右，远大于扫描点宽度0.265cm，故造成图像退化的主要原因是换能器点扩展函数的扩展效应导致井壁上所形成的声斑面积过大[8]；而旋转运动等所造成图像退化的因素影响较之要小。因此，在实际成像复原处理中，应着重解决换能器点扩展函数的退化复原问题。

2.3 超声成像测井中退化图像复原的难点分析

综上所述，针对超声成像测井中的退化图像复原操作：若能较好地估计出换能器的点扩展函数，即使通过经典图像复原算法也能够使得退化图像得到进一步改善；而对于超声换能器而言，可通过在一个具有点、线特征的模型井中进行刻度并通过信号处理方式获取其点扩展函数，基于该函数对获取的成像测井资料进行图像复原处理亦可达到较好的效果。

3.结语

实现超声成像测井的定量化分析，超声换能器传输特性随井下环境变化的校正、设计性能更佳的换能器、改进仪器发射接收方式；点扩展函数对成像分辨率的影响校正等正是亟待深入研究的课题；随着技术的进步超声成像测井资料将会发挥更大的作用。

参考文献

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