聲學(xué)地層剖面深水探測(cè)研究與開(kāi)發(fā)

丁維鳳，李家彪，蘇希華，張濟(jì)博,蔣維杰，韓富江

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.上海地海儀器有限公司，上海 201612)

聲學(xué)地層剖面深水探測(cè)研究與開(kāi)發(fā)

丁維鳳1，2，李家彪2，蘇希華3，張濟(jì)博2,蔣維杰2，韓富江2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.上海地海儀器有限公司，上海 201612)

深水淺部地層精細(xì)探測(cè)是深海地質(zhì)勘探與資源開(kāi)發(fā)的重要調(diào)查內(nèi)容。與淺水海域聲學(xué)地層剖面探測(cè)相比，深水地層剖面探測(cè)會(huì)遇到嚴(yán)重的能量衰減、大數(shù)據(jù)量長(zhǎng)時(shí)間反射序列采樣、縱向地層分辨率降低以及橫向空間覆蓋率偏稀等問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，國(guó)外儀器商采用了不同的方法。采取重采樣減少數(shù)據(jù)量會(huì)嚴(yán)重影響縱向分辨率；采取MultiPing技術(shù)可以很好解決橫向空間覆蓋率問(wèn)題，但多Ping接收采用海底追蹤變深度范圍采集會(huì)造成反射同相軸跳躍突變，或采用短時(shí)間間隔采集會(huì)造成回波數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算海底深度。為了解決這些技術(shù)問(wèn)題，作者研究開(kāi)發(fā)了相關(guān)的技術(shù)處理方法，解決MultiPing技術(shù)反射同相軸拼接改正處理和海底深度記錄延遲處理，這些問(wèn)題的解決為深水淺部地層精細(xì)探測(cè)提供了技術(shù)保障。

聲學(xué)地層剖面；深水探測(cè)；MultiPing技術(shù)

1 引言

建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，維護(hù)海洋權(quán)益，必須發(fā)展深海技術(shù)；進(jìn)軍深海領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)深海資源，必須勘探深海海底。深海地質(zhì)勘探與資源開(kāi)發(fā)不僅要了解海底深部地質(zhì)構(gòu)造，更需摸清深海海底淺部地層結(jié)構(gòu)形態(tài)、沉積類型與災(zāi)害地質(zhì)等，高分辨率聲學(xué)地層剖面探測(cè)是實(shí)現(xiàn)深水海底淺部地層精細(xì)勘探的可靠技術(shù)。采用Chirp技術(shù)的聲學(xué)地層剖面儀自20世紀(jì)80年代引入海洋地質(zhì)調(diào)查以來(lái)[1]，淺水海域(水深在300 m以內(nèi))中的聲學(xué)地層剖面探測(cè)在海洋地質(zhì)調(diào)查中廣泛應(yīng)用，獲得了大量高質(zhì)量的淺部地層剖面數(shù)據(jù)。但在水深超過(guò)2 000 m的深水海域，受儀器設(shè)備和技術(shù)方法的限制，聲學(xué)地層剖面探測(cè)應(yīng)用受局限，高質(zhì)量的深水淺部地層剖面數(shù)據(jù)難以獲得。

目前國(guó)際上能夠探測(cè)超過(guò)6 000 m水深的聲學(xué)地層剖面軟硬件設(shè)備比較有限，主要軟硬件設(shè)備見(jiàn)表1所列。國(guó)外公司銷售的這些軟硬件設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)點(diǎn)，但也暴露出各自的缺陷，在深水(水深超過(guò)2 000 m)MultiPing(Multiple Pings)功能上，EdgeTech公司的控制參數(shù)過(guò)于復(fù)雜，Benthos公司的ChirpⅢ硬件有該功能但還沒(méi)有支持軟件，SonarWiz軟件只能控制單個(gè)Ping，且深水單Ping采用了重采樣減少數(shù)據(jù)量的方法，SyQuest公司通過(guò)海底追蹤切除部分水體數(shù)據(jù)來(lái)接收MultiPing數(shù)據(jù)，追蹤不準(zhǔn)會(huì)接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)體，參量陣設(shè)備也是通過(guò)避開(kāi)接收水體中信號(hào)，只記錄來(lái)自深水海底的有效反射回波。

表1 國(guó)外幾款主要的深水地層剖面探測(cè)設(shè)備

深水海底地層探測(cè)相對(duì)于淺水地層探測(cè)，主要問(wèn)題突出在有效反射數(shù)據(jù)體的接收以及橫向空間分辨率的提高等技術(shù)上。為實(shí)現(xiàn)深水海底淺部地層的高分辨率與橫向高覆蓋率的探測(cè)，我們以國(guó)外銷售的幾款主要商業(yè)軟硬件在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題為參考，探討聲學(xué)地層剖面深水探測(cè)實(shí)際工作中遇到的主要技術(shù)問(wèn)題，研究解決這些問(wèn)題的技術(shù)方法，并在自主研發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)深水MultiPing功能的控制與開(kāi)發(fā)。

2 深水地層探測(cè)主要問(wèn)題

2.1 能量衰減

聲學(xué)換能器發(fā)射的聲波在深海水體中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生球面擴(kuò)散、介質(zhì)吸收、透射損失等，其傳播能量會(huì)嚴(yán)重?fù)p失。淺水海域中使用的由4個(gè)換能器組合而成的舷掛式或拖曳式聲學(xué)剖面儀，如圖1所示，用于深海地層探測(cè)，因發(fā)射的聲波信號(hào)能量有限，大部分能量會(huì)被吸收衰減，造成有效反射信號(hào)能量非常微弱，淹沒(méi)于環(huán)境噪音中而無(wú)法識(shí)別。為彌補(bǔ)深水探測(cè)有效信號(hào)強(qiáng)吸收衰減的缺陷，儀器制造商通過(guò)增加換能器組合數(shù)來(lái)提高發(fā)射聲波的能量，目前國(guó)外儀器商采用16個(gè)或更多換能器組合成一個(gè)大的發(fā)射基陣，并固定安裝于船底，如圖2所示，換能器基陣發(fā)射大能量的聲波脈沖實(shí)現(xiàn)深水地層的精細(xì)探測(cè)已被應(yīng)用。

圖1 美國(guó)Benthos公司ChirpⅢ系統(tǒng)舷掛式安裝的4個(gè)換能器組合Fig.1 The assemble of 4 transducers installed by means of board-hanging in ChirpⅢ system(Benthos Inc，USA)

圖2 美國(guó)EdgeTech公司3300系列安裝于船底的5×5換能器組合陣Fig.2 The assemble of 5×5 array of transducers installed on ship’s bottom in serie no. 3300 system (EdgeTech Inc.，USA)

2.2 橫向空間分辨率

深水地層剖面探測(cè)采用單Ping發(fā)射的時(shí)間間隔太大，以6 000 m水深為例，聲波在海水中來(lái)去雙程傳播要花費(fèi)8 s左右的時(shí)間，若調(diào)查船以穩(wěn)定的4節(jié)速度航行，8 s發(fā)射間隔，海底反射點(diǎn)間的橫向間距有16.5 m，實(shí)際勘探船速往往會(huì)超過(guò)4節(jié)，這給回波數(shù)據(jù)帶來(lái)了過(guò)大的橫向空間間隔，水平覆蓋率太低，造成聲波反射同相軸能量弱，橫向連續(xù)性差，目標(biāo)探測(cè)精度不夠。降低現(xiàn)場(chǎng)勘探船速會(huì)提高水平覆蓋率，但最慢的2節(jié)速度也會(huì)有9 m左右的空間橫向間隔，再提高就很難。

2.3 縱向地層分辨率

線性調(diào)頻(FM)寬頻帶Chirp子波技術(shù)理論上可以分辨出非常薄的地層反射信號(hào)，能夠分辨出20 cm以內(nèi)的薄互層反射，但在深水勘探中，反射信號(hào)在深水水體中傳播需要較長(zhǎng)時(shí)間，接收到的反射信號(hào)序列非常長(zhǎng)。以2 000 m水深的4 s記錄長(zhǎng)度為例，按32 us采樣，其反射記錄樣點(diǎn)序列達(dá)125 000個(gè)，用標(biāo)準(zhǔn)的SEG-Y格式無(wú)法存儲(chǔ)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)SEG-Y格式只能存儲(chǔ)32 767個(gè)(215-1)樣點(diǎn)序列[9]。為了解決存儲(chǔ)問(wèn)題，美國(guó)Chesapeake公司的SonarWiz軟件以124 ms的采樣率重新采樣回波數(shù)據(jù)，減少回波振幅樣點(diǎn)數(shù)(重采樣后減為32 258)，確保能夠?qū)懭隨EG-Y格式文件中。但重采樣會(huì)減低聲學(xué)反射數(shù)據(jù)的縱向分辨率，水深越深，重采樣率數(shù)值越大，微細(xì)地層反射同相軸的分辨力也變得更差。如圖3所示，3 460 m以下水深的反射剖面上，重采樣后剖面反射同相軸明顯變模糊，同相軸間的分界不明顯，反射層理不清晰，反射形態(tài)模糊。

圖3 SonarWiz軟件采集的深水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)重采樣后的SEG-Y文件剖面顯示Fig.3 Profile of SEG-Y file after re-sampled data for the deep ocean collected by SonarWiz software

2.4 反射同相軸突跳

為滿足標(biāo)準(zhǔn)SEG-Y格式的存儲(chǔ)要求，采取重采樣減少深水反射數(shù)據(jù)體的方法對(duì)縱向分辨率影響比較大，為避免該缺陷，SyQuest公司的Bathy2010系統(tǒng)和Kongsberg公司的TOPAS等參量陣系統(tǒng)都采用追蹤海底深度，采集海底附近部分范圍內(nèi)的短時(shí)間樣點(diǎn)序列，且采集范圍會(huì)隨水深變化自動(dòng)選擇，如圖4a與4b所示。避開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間反射序列，只記錄部分短時(shí)間有效反射信號(hào)，必須先追蹤海底反射，現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)若能連續(xù)正確追蹤海底反射，該方法可以有效避開(kāi)深水超長(zhǎng)樣點(diǎn)序列的采集，只記錄部分有效反射信號(hào)，解決了深水?dāng)?shù)據(jù)量大的問(wèn)題。但海底追蹤很容易受干擾信號(hào)的影響，追蹤不準(zhǔn)，會(huì)采集錯(cuò)誤的反射數(shù)據(jù)體，如圖5，圖中在深度范圍改變時(shí)的兩處空白數(shù)據(jù)體位置，因水深變化海底追蹤不準(zhǔn)，造成系統(tǒng)選擇的采集深度范圍出錯(cuò)，并記錄無(wú)效的數(shù)據(jù)，該問(wèn)題后續(xù)處理無(wú)法糾正。另外，在海底地形連續(xù)變化時(shí)，海底追蹤變深度范圍采集會(huì)使連續(xù)反射同相軸跳躍突變，造成反射同相軸突然中段，反射形態(tài)不對(duì)，嚴(yán)重影響資料的后續(xù)處理與解釋，如圖4b和圖5，針對(duì)此類數(shù)據(jù)還需作專門的同相軸拼接處理，正確拼接后才能使用。

圖4 海底追蹤變深度范圍采集窗口選擇示意和采集后的數(shù)據(jù)剖面Fig.4 The selection of acquisition window for variable depth range during sea bed tracking and profile for data after variable depth range acquisition

圖5 Bathy2010系統(tǒng)變深度范圍采集短時(shí)間序列的數(shù)據(jù)剖面Fig.5 Data profile of short time series acquisition with variable depth range by Bathy2010 system

3 深水地層探測(cè)MultiPing功能

3.1 MultiPing功能原理

深水聲學(xué)地層剖面探測(cè)不僅會(huì)遇到能量嚴(yán)重衰減的問(wèn)題，還會(huì)遇到大數(shù)據(jù)量和橫向空間分辨率差的問(wèn)題。能量衰減可以通過(guò)增加聲學(xué)換能器組合數(shù)來(lái)解決，但橫向覆蓋率和大數(shù)據(jù)量問(wèn)題采用傳統(tǒng)的采集方法無(wú)法解決。在不影響工作效率的情況下，為解決數(shù)據(jù)量與橫向空間覆蓋率問(wèn)題，國(guó)外儀器商開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)了專門針對(duì)深水海域地層剖面高分辨率聲學(xué)探測(cè)的MultiPing技術(shù)采集方法。

圖6 深水地層MultiPing功能探測(cè)示意圖Fig.6 Sketch map for MultiPing surveying in deep ocean

MultiPing技術(shù)，就是在深水探測(cè)過(guò)程中，聲學(xué)換能器陣短時(shí)間內(nèi)(如1 s)連續(xù)向水體發(fā)射多個(gè)聲學(xué)脈沖，保證深水水體橫向短距離內(nèi)有連續(xù)的多個(gè)聲學(xué)脈沖信號(hào)在傳播，如圖6所示。換能器陣發(fā)射的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控回波信息并采集，采集間隔等同于發(fā)射間隔(如1 s)，勘探船若以4節(jié)船速航行，當(dāng)每秒都能采集到有效反射信號(hào)時(shí)，反射剖面上就能獲得橫向空間只有2 m左右間隔的反射波，若采集間隔小于1 s(發(fā)射間隔同樣小于1 s)，獲得的反射信號(hào)橫向空間分辨率將更高，這充分保證了橫向空間上的高覆蓋，使縱橫兩方向都實(shí)現(xiàn)高分辨率探測(cè)的目的。

3.2 MultiPing數(shù)據(jù)改正

MultiPing功能實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，如何正確識(shí)別有效反射信息特別是回波信號(hào)的時(shí)間或深度信息是MultiPing深水探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。前面已提到SyQuest公司采用追蹤海底反射，采集海底面附近有限深度范圍內(nèi)的反射回波方法，該方法能有效避免大數(shù)據(jù)量采集，同時(shí)通過(guò)MultiPing技術(shù)解決了橫向空間分辨率的問(wèn)題，但該方法在海底深度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射同相軸突跳現(xiàn)象，如圖5所示，為了解決該問(wèn)題，后續(xù)需做專門的信號(hào)拼接改正處理，否則反射剖面無(wú)法解釋。改正方法需要利用多道地震勘探中野外一次靜校正方法原理，處理時(shí)先搜尋寫(xiě)入SEG-Y數(shù)據(jù)體中各反射回波開(kāi)始記錄的起始時(shí)間(記錄延遲時(shí)間)，找出最小起始記錄時(shí)間tmin，然后將其余回波的開(kāi)始記錄時(shí)間與其相減，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為離散采樣點(diǎn)數(shù)，最后將整個(gè)道(Ping)數(shù)據(jù)按改正量作向后整體“搬家”，簡(jiǎn)單計(jì)算公式如下：

(1)

通過(guò)搜尋最小起始記錄時(shí)間，公式(1)中的時(shí)差改正量均為正，改正時(shí)記錄整體向深度變深方向“搬家”，防止海底及以下地層反射同相軸被搬到采集深度范圍以外而無(wú)法顯示。采用上面思路，對(duì)圖5由SyQuest公司Bathy2010系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集存儲(chǔ)的SEG-Y數(shù)據(jù)進(jìn)行改正處理，改正結(jié)果如圖7所示，改正后海底及以下地層的反射同相軸連續(xù)性變好，反射形態(tài)完整，剖面上的兩處空白是因現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)實(shí)時(shí)海底追蹤不準(zhǔn)造成采集數(shù)據(jù)體不對(duì)，稍大空白還造成處理時(shí)海底追蹤不準(zhǔn)，接收數(shù)據(jù)體正常后追蹤能正確歸位。

圖7 對(duì)圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)移改正后顯示的正確剖面Fig.7 Revised profile from Fig.5 by delay time correction

3.3 MultiPing記錄延遲計(jì)算

MultiPing技術(shù)向深水水體連續(xù)發(fā)射了許多大能量聲波脈沖，對(duì)應(yīng)就會(huì)有連續(xù)從海底地層反射回來(lái)的回波，以美國(guó)Benthos公司生產(chǎn)的ChirpⅢ系統(tǒng)為例，其聲學(xué)換能器陣按發(fā)射間隔連續(xù)采集回波數(shù)據(jù)，采集的回波長(zhǎng)度等于發(fā)射間隔，如1 s的間隔發(fā)射，其采集回波長(zhǎng)度也為1 s。但該系統(tǒng)無(wú)法確認(rèn)接收的反射回波是何時(shí)發(fā)射出去的，也就無(wú)法確認(rèn)回波在水體和地層中傳播了多長(zhǎng)時(shí)間，因此所接收的反射回波實(shí)際長(zhǎng)度不能確認(rèn)，系統(tǒng)只能將采集到的1 s長(zhǎng)回波起始記錄時(shí)間設(shè)置為0，對(duì)應(yīng)的起始深度也為0，這就造成反射剖面上顯示的海底反射同相軸深度與實(shí)際海底明顯不一致，如圖8所示。為了解決該問(wèn)題，ChirpⅢ采集系統(tǒng)需要人工輸入深度參考值，該參考值可以為實(shí)際水深，也可以為回波上追蹤到的海底深度與實(shí)際深度之差值，定為初始深度。

輸入實(shí)際水深計(jì)算接收回波的起始深度方法，主要利用反射波雙程傳播時(shí)間與實(shí)際接收回波長(zhǎng)度的倍數(shù)關(guān)系來(lái)?yè)Q算，計(jì)算公式如下:

(2)

式中，H為從反射剖面上計(jì)算獲得的海底深度，該深度由反射回波實(shí)時(shí)海底追蹤深度h追蹤與計(jì)算獲得的起始采集深度h起始相加得到，N表示人工輸入的實(shí)際水深h實(shí)際是剖面儀采集到的回波長(zhǎng)度L記錄的多少整數(shù)倍，即實(shí)際深水水體中有多少個(gè)與剖面儀記錄回波長(zhǎng)度相等的信號(hào)，再將其與記錄長(zhǎng)度L記錄相乘就得到起始記錄深度h起始，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成記錄延遲時(shí)間t延遲，并將該值隨回波信號(hào)實(shí)時(shí)寫(xiě)入SEG-Y數(shù)據(jù)體中，后續(xù)回放和處理解釋時(shí)就可以利用該延遲時(shí)間正確顯示海底深度。

輸入初始水深需要人工換算起始采集深度，方法是將測(cè)深儀上顯示的海底深度與接收回波上追蹤的海底深度兩者相減，將差值作為起始采集深度輸入到采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)利用該值就可以計(jì)算出延遲記錄時(shí)間，并寫(xiě)入SEG-Y數(shù)據(jù)體中。

按照上面思路，輸入測(cè)深儀上顯示的海底深度值或人工直接計(jì)算的起始記錄深度值到自主研發(fā)的ChirpⅢ采集系統(tǒng)中，輸入后系統(tǒng)顯示的正確深度范圍如圖9所示，圖中的剖面數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了涌浪改正處理及海底追蹤分段TVG處理。

圖8 美國(guó)Benthos公司ChirpⅢ系統(tǒng)采集的深水MultiPing原始剖面Fig.8 The original profile drawn by raw data collected by MultiPing survey with ChirpⅢ system (Benthos Inc.，USA)

4 總結(jié)

聲學(xué)地層剖面深水精細(xì)地層探測(cè)不僅要解決縱向地層分辨率的問(wèn)題，還要解決橫向空間覆蓋率的問(wèn)題。深水地層探測(cè)反射時(shí)間序列都很長(zhǎng)，采用單Ping重采樣技術(shù)不僅會(huì)降低剖面縱向分辨率，還無(wú)法滿足橫向空間高覆蓋的要求，此時(shí)需要采用深水MultiPing技術(shù)。為了解決深水長(zhǎng)反射序列信號(hào)，MultiPing技術(shù)都只記錄海底反射信號(hào)附近的短時(shí)間反射序列信號(hào)，因此海底追蹤變深度范圍采集或按發(fā)射間隔短時(shí)間采集是兩種主要采集方法，海底追蹤變深度范圍采集會(huì)帶來(lái)反射同相軸中斷突跳問(wèn)題，需要作專門的同相軸拼接改正處理，按發(fā)射間隔短時(shí)間采集會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤的海底深度問(wèn)題，此時(shí)需要利用參考水深值并實(shí)時(shí)計(jì)算記錄延遲，兩類問(wèn)題都在自主研發(fā)的采集系統(tǒng)中圓滿解決。

圖9 經(jīng)采集延遲深度改正與涌浪改正處理后的圖8剖面顯示Fig.9 Revised profile from Fig.8 by time delay and swell correction

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Technology research and development for acoustic subbottom survey in deep sea

Ding Weifeng1，2，Li Jiabiao2，Su Xihua3，Zhang Jibo2，Jiang Weijie2，Han Fujiang2

(1.OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.TheSecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 3.GeoMarineTechnologyCo.Ltd，Shanghai201612，China)

Detailed survey of acoustic subbottom is important for deep ocean geological exploration and resource exploitation. Compared to survey in shallow ocean water，deep sea survey faced some serious problems such as energy strongly attenuation，long reflection time series and large digital data size，the vertical stratigraphic resolution reduction，and low transverse space coverage. In order to resolving these problems，main instrument manufactures in the world adopted different possible methods. For example，resampling long reflection time series can decrease the data size，but it strongly reduce vertical stratigraphic resolution. Taking MultiPing technology can solve the transverse space coverage well，but its variable depth range acquisition by seafloor reflection tracking will cause serious jumping off in reflection events，or it cannot get the correct seafloor reflection depth by acquisition with MultiPing transmitting interval. This study further independently developed some related technologies，and correctly solved the reflection events’ jumping off，and got the recording time delay in computing the deep seafloor depth. All these technologies obtained in the present study will provide some technical support for future acoustic subbottom detailed survey in deep sea．

acoustic subbottom; survey in deep sea; MultiPing technology

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.007

2014-06-30；

2015-01-19。

2014年度南極周邊海域海洋地球物理考察(CHINARE2014-01-03)；2013年度南極環(huán)境綜合分析與評(píng)價(jià)(CHINARE2013-04-01)；國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(JT1004，JG1201)。

丁維鳳(1978—)，男，江西省德安縣人，教授級(jí)高工，主要從事海洋地球物理勘探與研究工作。E-mail：fwxf1769@126.com

P631.4；P714.8

A

0253-4193(2015)06-0070-08

丁維鳳，李家彪，蘇希華，等. 聲學(xué)地層剖面深水探測(cè)研究與開(kāi)發(fā)[J].海洋學(xué)報(bào)，2015，37(6)：70-77，

Ding Weifeng，Li Jiabiao，Su Xihua，et al.Technology research and development for acoustic subbottom survey in deep sea[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(6)：70-77，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.007