基于剖面聲吶的海底微地貌觀測研究*

田壯才 彭子奇 賈永剛 張明偉

1 中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 江蘇徐州 2211162 中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室， 山東青島 2661003 廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心， 廣東廣州 5102204 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東青島 266061

1 概述

海底地貌是指海水覆蓋下的固體地球表面形態(tài)，是各種形態(tài)特征、成因類型、分布格局及其發(fā)育過程的綜合，常見的有海底沙波地貌、海底滑坡地貌和海底液化地貌等。由于海水的覆蓋，海底地貌難以直接觀察(趙曉明等，2018)。海底地貌與工程地質災害、資源勘探、陸架沉積物輸送等密切相關，海底沙波的內部結構記錄了不同的沉積階段，代表著特殊的水動力—沉積物進程(李勇航等，2021a)。此外，海底沙波與古氣候、古環(huán)境、古岸線的重建與反演密切相關，對海底地貌的研究不僅能預防工程地質災害，還有助于古環(huán)境和沉積過程的重建(李勇航等，2021b)。

在近岸海域，海洋中廣泛分布著各種海洋工程設施，它們的安全性往往與海底地貌的演變息息相關。當有較強的外力作用時海底會發(fā)生地質災害，進而引起海底地貌較大變化，會對海底管線、海底電纜、港口航道、海上平臺、海上風電基礎設施等海洋工程設施造成危害，極易導致海底管線等懸空或掩埋，甚至導致海底管線的斷裂，進而造成巨大的生命財產損失與潛在的海洋環(huán)境災難(Némethetal.， 2006；李澤文等，2010；Blondeaux and Vittori，2016；孫永福等，2018)。實時獲取海底地貌數(shù)據(jù)可以為海洋工程設施的建設提供基礎數(shù)據(jù)，為地質災害提供預警，對港口、航道以及海岸帶的防護具有重要意義(彭子奇等，2020)。

海底地貌觀測研究的進展與觀測方法的發(fā)展密切相關，已有的海底地貌觀測方法主要包括繩索測量技術、潛水測量技術、測深儀測量技術、水下攝影測量技術、側掃聲吶技術、淺地層剖面技術、單波束與多波束測量技術、高分辨率地震探測技術、海底原位觀測技術和衛(wèi)星遙感觀測技術等(Langhorne，1982)。中國最早關于海底地貌方面的研究始于馬廷英(1941)。20世紀50年代以后，隨著回聲測深儀在中國得到廣泛應用，中國先后開展了大量海底地貌調查研究，并取得了一定成果。1958年，秦蘊珊基于大量測深儀數(shù)據(jù)較系統(tǒng)地研究了中國近海大陸架地貌； 陳吉余基于測深儀數(shù)據(jù)較早地系統(tǒng)論述了長江三角洲地貌發(fā)育的規(guī)律(鄭勇玲等，2012)。

海底地貌原位觀測技術一般是使用坐底聲吶觀測系統(tǒng)，通過調整觀測參數(shù)來獲取測區(qū)一定范圍內海底地貌形態(tài)特征數(shù)據(jù)，能夠長時間、持續(xù)并實時地獲取一定時間間隔的觀測數(shù)據(jù)。海底地貌原位觀測技術開始于20世紀80年代，廣泛應用于90年代，通過將聲吶觀測系統(tǒng)搭載在觀測平臺上進行測量工作(Rubinetal.， 1983;Favali and Beranzoli，2006)。關于海底地貌原位觀測技術的研究始于1983年，Rubin等(1983)為了觀測海底微地貌使用小巧型側掃聲吶和旋轉系統(tǒng)發(fā)明了早期的圖像聲吶觀測系統(tǒng)。隨后多位學者使用類似的圖像聲吶系統(tǒng)進行了測量工作， 早期聲吶系統(tǒng)為固定頻率，無法根據(jù)實際需求進行調整，觀測范圍小，噪點多，精度低。同時，由于采用人工測量的方法提取聲吶數(shù)據(jù)圖像中海床形態(tài)參數(shù)，往往會導致數(shù)據(jù)準確度偏低。20世紀90年代末期，隨著聲學儀器和電子科學技術的進一步發(fā)展，聲吶觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了一次飛躍。新一代的聲吶觀測系統(tǒng)是當前海底地貌原位觀測的主要設備，相對而言其功能更加強大，一般可以用于固定剖面或三維地貌成像測量，觀測系統(tǒng)精度較高。而頻譜分析技術的應用使得聲吶數(shù)據(jù)的處理更加規(guī)范化，數(shù)據(jù)準確性更高。陳景東等(2014)使用聲吶觀測系統(tǒng)和水動力觀測系統(tǒng)在江蘇如東潮間帶對海底微地貌進行了觀測研究，研究發(fā)現(xiàn)潮周期內海床形態(tài)特征變化顯著，海床形態(tài)與近底流速存在一定相關關系；馬小川(2013)和柏秀芳(2008)使用聲吶觀測系統(tǒng)對南海的沙波地貌形態(tài)進行了觀測研究。綜上所述，海底地貌聲吶原位觀測技術精度較高，適用性較廣，既可以應用于潮間帶等淺水區(qū)域又可以應用于南海等深遠海，同時正朝著更高精度、更規(guī)范化的方向發(fā)展。但當前聲吶觀測系統(tǒng)精度不一，僅可以用于固定剖面或三維地貌成像測量，且沒有水聲通訊模塊。因而，研發(fā)一套海底地貌特征原位長期觀測系統(tǒng)能擴展中國的海底地貌原位觀測手段，具有重要意義。

本研究基于多頻率數(shù)字剖面圖像聲吶(簡稱剖面聲吶)傳感器，增加供電系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，以完善海底地貌原位長期觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)可以用于獲取觀測區(qū)域內海底地貌數(shù)據(jù)。完善觀測系統(tǒng)后，通過室內實驗來驗證觀測系統(tǒng)的可行性和數(shù)據(jù)準確性。并在此基礎上將該觀測系統(tǒng)應用到實際原位觀測工作中，以揭示海洋動力作用下海底地貌的演變過程，為確定災害事件的發(fā)生機制提供數(shù)據(jù)支撐，為海洋工程設施的建設提供數(shù)據(jù)參考。

2 海底地貌原位長期觀測系統(tǒng)設計

2.1 觀測系統(tǒng)組成

海底地貌特征原位長期觀測系統(tǒng)由可以采集數(shù)據(jù)的剖面聲吶傳感器、自容式存儲數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)和供電系統(tǒng)3部分組成，為了保證觀測系統(tǒng)能夠實時傳輸數(shù)據(jù)，在采集系統(tǒng)中增加水聲通訊機模塊。同時，增加了上位機直連模塊，可以高效地從采集系統(tǒng)中提取出觀測數(shù)據(jù)并解譯數(shù)據(jù)。

1)剖面聲吶傳感器。海底地貌特征觀測系統(tǒng)的傳感器單元是整個觀測系統(tǒng)的核心部分，采用了加拿大IMAGENEX公司生產的881A型數(shù)字多頻率剖面圖像聲吶(簡稱剖面聲吶)。該型號剖面聲吶傳感器在國外應用較多，性能較為穩(wěn)定，既能夠獲得全方位的高分辨率三維海底地貌圖像，又能夠獲取固定測線上的二維剖面圖像。剖面聲吶傳感器是一款可編程、多頻率的數(shù)字圖像聲吶，使用的是以太網接口，工作最大水深3000m，盲區(qū)為150mm，能夠在1～100m范圍內達到每秒100次的發(fā)射次數(shù)，分辨率高達2mm。

2)采集系統(tǒng)。本研究設計的采集系統(tǒng)是由外部金屬密封艙體和內部控制系統(tǒng)組成。按照現(xiàn)有設計理論及經驗，球型殼體承壓能力最好，其次是圓柱型容器，方形容器最差。從制造角度來看，球型容器制造工藝特殊，加工難度較大，制造成本高。而圓柱型容器加工制造很方便，精度用常規(guī)手段即可控制，被廣泛用來制作水下密封艙。因而本研究的控制系統(tǒng)設計為長方體型，采用圓柱體型密封艙。艙體頂部配備有4個接插口，用于數(shù)據(jù)傳輸、供電和水聲通訊等；艙體側面配備有2個凹槽，用于固定采集裝置，通過特制的卡扣可以將采集儀固定在觀測平臺上。

3)供電系統(tǒng)。本研究采用的供電系統(tǒng)為鋰電池組電池艙，由密封艙和內部鋰電池組組成。聲吶傳感器正常工作時，電流為24V和0.5A，而觀測系統(tǒng)設計最長觀測時間3個月，每天采集2次，每次采集時間20min至2h，同時采集系統(tǒng)也需要電流供應，基于以上這些因素，內部鋰電池組由鋰電池串聯(lián)組裝而成，設計容量為100Ah，輸出電壓27V，內部安裝有穩(wěn)壓模塊，能保證電池艙持續(xù)輸出24V的直流電流。

2.2 觀測系統(tǒng)工作原理與工作模式

海底地貌特征原位長期觀測系統(tǒng)屬于聲學儀器范疇，采用回聲測距原理。聲吶傳感器探頭發(fā)射出聲波信號，當聲波信號到達海底后會發(fā)生反射，回波被換能器接收，通過發(fā)射和接收聲波的時間差以及實際聲速可以計算得到海底任意一點與聲吶探頭的相對距離(圖 1)。接著，以聲吶探頭為原點，以向下方向為z軸正方向，以初始測線方向為y軸，垂向為x軸建立三維空間坐標系，通過對回波信號方向和計算得到的相對距離的進一步加工處理和計算，可以得到海底各點相對于聲吶探頭的位置，即海底各點在建立的三維坐標系中的三維坐標。最后，通過三維數(shù)據(jù)處理軟件進一步處理可以得到海底地貌圖像。同時，選取固定的x值或y值，也可以利用二維軟件繪制得到y(tǒng)z或xz剖面數(shù)據(jù)圖像，進一步可以分析出隨時間的剖面形態(tài)變化。

圖 1 聲吶觀測系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.1 Schematic workflow of sonar observation system

優(yōu)化集成后的觀測系統(tǒng)具有旋轉測量(又稱全方位角測量)和不旋轉測量(又稱直線測量)2種可設置的工作模式。旋轉測量時，聲吶每次工作最少需要旋轉1周(360°)，角度間隔0.3°～3°。而不旋轉測量是根據(jù)實際情況和觀測需求選定一個角度，始終只測量該角度下的剖面數(shù)據(jù)。

3 觀測系統(tǒng)可行性實驗研究

3.1 標志物檢驗實驗設計

為了驗證該觀測系統(tǒng)能夠反演出地形地貌特征，作者設計了標志物檢驗實驗。實驗在山東省海洋地質工程重點實驗室的儀器檢測池中進行，該儀器檢測池長度為3m，寬度為1.6m，高度為1.2m，自帶有梯形搭載平臺和固定儀器的金屬卡扣，通常用于檢測儀器狀態(tài)的實驗測試。實驗采用了2種標志物，分別為正方體和圓柱體標志物(圖 2)。正方體標志物為無色透明，由亞克力板制作而成，3條邊邊長均為13cm。圓柱體標志物為黑色，由塑料制成，直徑為26cm，高度為51cm。

a—正方體標志物，材質為亞克力板；b—圓柱體標志物，材質為塑料圖 2 室內水池實驗人工標志物實物照片F(xiàn)ig.2 Photos of artificial markers in indoor pool experiment

實驗時，僅使用聲吶傳感器和采集儀，采集儀與電腦直連由電腦控制采集過程，可以實時調整聲吶探頭采集模式、采集時間間隔和采集范圍等參數(shù)。同時通過實驗室供電代替供電系統(tǒng)直接進行供電，供電線與高精度可調直流穩(wěn)壓電源連接，通過調整輸出參數(shù)可以將常規(guī)的交流電流轉化為觀測系統(tǒng)可用的24V、0.5A的恒定直流電流。

首先將剖面聲吶傳感器安裝固定并放置于檢測池中央(圖 3)，并對供電線和數(shù)據(jù)連接線等進行連接，確保數(shù)據(jù)傳輸通路正常，剖面聲吶傳感器距底0.57m。為了確保聲吶探頭發(fā)射的聲波到達標志物表面后能夠產生有效回聲信號，將2標志物分別放置于聲吶探頭兩端，正方體標志物無蓋側朝下，圓柱形標志物水平放置，無蓋側遠離聲吶探頭，2標志物與聲吶探頭水平距離均為0.45m。隨后向檢測池中緩慢注入自來水，直至水深0.8m。

圖 3 室內水池實驗儀器布置(2標志物分別放置于聲吶探頭兩端，正方體標志物無蓋側朝下，圓柱形標志物水平放置)Fig.3 Instrument layout in indoor pool experiment(Two markers were placed at both ends of the sonar probe. Cube markers were uncapped side down，and cylindrical markers were placed horizontally)

實驗開始前需對聲吶傳感器和采集系統(tǒng)進行檢查，打開控制軟件win881A對聲吶進行初步調試，以檢查聲吶探頭是否正常工作。測量近距離小型標志物時，掃描半徑一般選擇1～4m(步長1m)，掃描半徑越小數(shù)據(jù)精度越高。設置接收聲波強度時需要進行多次調試以選擇合適數(shù)值，接收聲波強度一般與聲吶距底距離和水體環(huán)境等相關。檢查完畢后，對聲吶進行了參數(shù)設置并開始實驗。

3.2 標志物檢驗實驗結果與分析

3.2.1 不旋轉測量結果

圖 4 室內水池實驗圓柱體標志物二維剖面圖像Fig.4 Two-dimensional profile image of cylindrical marker in indoor pool experiment

從圖4可以看出3組聲吶數(shù)據(jù)曲線基本一致，說明聲吶數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。同時，3組數(shù)據(jù)曲線的最大高程與實際標志物高度線相交，說明聲吶測得的圓柱體標志物的最大高度數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)一致，且對應的x=-0.45m與實驗前測得距離0.45m一致。剖面聲吶在測量圓柱體標志物時(圖 5)，標志物僅有1段弧面(正對面)正對著聲吶，這一部分能夠接收并反射聲吶發(fā)射的聲波信號，因而會有相應的剖面數(shù)據(jù)即1段弧線數(shù)據(jù)，而其他部分由于正對面的阻擋不能產生有效回聲信號。標志物的聲吶剖面圖像是由1段弧線和2條傾斜線段組成，拐點在高程為26cm和12cm附近，圖像組成及拐點位置與預期結果一致，說明聲吶數(shù)據(jù)較準確。

圖 5 聲吶測量圓柱體標志物工作原理示意圖Fig.5 Measurement schematic diagram of cylinder markers by sonar

圖 6為正方體標志物的二維剖面數(shù)據(jù)圖像，圖中橫縱坐標含義同圖 4。圖中標志物高度直線(粉紅色直線)為正方體標志物最高高度(正方體邊長)為13cm，正方體標志物反射數(shù)據(jù)在x=0.4～0.75m段，左右兩側均為檢測池池壁。從圖中可以看出3組聲吶數(shù)據(jù)曲線變化趨勢趨于一致，說明聲吶數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。同時，3組數(shù)據(jù)曲線的最大高程與實際標志物高度曲線相交，聲吶測得的正方體標志物的最大高度數(shù)據(jù)為0.132m，與實際數(shù)據(jù)0.130m相近，對應的x=0.455m與實驗前測得距離0.45m相近，說明聲吶數(shù)據(jù)較為準確。圖中正方體標志物的聲吶數(shù)據(jù)由1條近垂直線段、1條傾斜線段和1條水平波浪線組成，傾斜線段是由于標志物正對面的阻擋產生的，近垂直線段高度即為正方體標志物的邊長，水平波浪線長度為正方體標志物的長度(標志物邊長)，圖中數(shù)據(jù)測得的水平波浪線長度為16cm，與實際邊長13cm相差較大，這主要是由于聲吶0°剖面的測線與正方體標志物不垂直，導致測得的平面長度不等同于邊長。

圖 6 室內水池實驗正方體標志物二維剖面圖像Fig.6 Two-dimensional profile image of cube marker in indoor pool experiment

3.2.2 三維旋轉測量結果

通過旋轉測量獲得大量的標志物三維立體數(shù)據(jù)，本研究基于這些測量數(shù)據(jù)繪制了標志物的三維圖像(圖 7，圖 8)，以確定聲吶數(shù)據(jù)的準確性。圖中右側為高程色標，0m為水底面高度；圖中x軸、y軸分別對應聲吶自定義三維坐標系中的x軸和y軸，x=0，y=0處為聲吶探頭處于平面中的位置。從 圖 7 中可以看出存在有2個明顯的物體，這說明聲吶掃描到了標志物。結合 圖 8 可以發(fā)現(xiàn)，左側為1個近似正方體的物體，形態(tài)上與正方體標志物近似一致，通過對數(shù)據(jù)的進一步計算得到了該物體的長寬高均接近13cm，與實際的正方體標志物的數(shù)據(jù)一致，這說明聲吶在掃描正方體標志物時數(shù)據(jù)正確性較好。右側物體對應的是圓柱形標志物，其上部是1個曲面，對應著標志物的正對面(詳細解釋見圖 5)，變化趨勢與實際情況基本一致，其最高高度為26cm，長度為51cm，與實際高度一致。

圖 7 室內水池實驗標志物旋轉測量數(shù)據(jù)平面三維圖Fig.7 Plane 3-dimensional image of markers based on rotation measurement data

圖 8 室內水池實驗標志物旋轉測量數(shù)據(jù)立體三維圖Fig.8 Three-dimensional image of markers based on rotation measurement data

通過標志物實驗測試可以看出，二維剖面測量時聲吶測得的數(shù)據(jù)點的位置和高程信息較為準確，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好；三維立體測量時聲吶的數(shù)據(jù)(如高程、長度等)較為正確，對于1個平面位置對應1個高程值的標志物(如正方體等)，聲吶數(shù)據(jù)能較好地反演出其形態(tài)特征，但對于1個平面位置對應多個高程值的標志物(如放倒的圓柱體等)，聲吶只能反演出其正對面的形態(tài)特征?？傮w而言，剖面聲吶數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準確性均較好，能夠很好地反演出觀測目標體的形態(tài)特征。

4 舟山海域朱家尖海底地貌現(xiàn)場觀測

4.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡區(qū)，其位于朱家尖島西南側海域，緊靠朱家尖島圍海工程西南側(圖 9)，地理坐標： 29°54′1″N，122°20′36″E。根據(jù)水深調查數(shù)據(jù)，朱家尖滑坡所在區(qū)域水深在0～120m之間，水深由東北至西南向逐漸變深(張朝陽，2013)。

圖 9 長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡區(qū)地理位置Fig.9 Location of Zhujiajian landslide in Zhoushan islands sea area in the south side of Yangtze River mouth

基于前期物探調查結果，發(fā)現(xiàn)朱家尖滑坡區(qū)位于朱家尖島西南側潮流沖刷槽的東北側邊坡上，深槽深度超過100m(圖 10)。該地區(qū)地勢東北高西南低，地形呈下凹狀?；律喜课挥跒┑嘏c斜坡間的坡折帶上，地形變化較大，坡度變化在0°～40°之間，滑坡中部坡度在0°～35°之間，滑坡下部坡度稍緩，坡度在10°～22°之間。

圖 10 長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡多波束數(shù)據(jù)三維地形圖Fig.10 Three-dimensional topographic map of Zhujiajian landslide in Zhoushan islands sea area in the south side of Yangtze River mouth with multi-beam data

4.2 觀測設備與過程

2019年11月17日至2019年12月4日在選定的監(jiān)測點使用搭載有集成研發(fā)的觀測系統(tǒng)的觀測平臺(圖 11)進行了原位長期觀測，獲取了監(jiān)測點的地形地貌數(shù)據(jù)。本次使用的監(jiān)測平臺主體由內外2個框架組成，內部小框架由不銹鋼管焊接而成，在框架兩側設置側面一半的鋼板作為導流板，防止監(jiān)測平臺在水中由于水流的作用發(fā)生旋轉，在框架上部配備有與配重相連接的脫鉤，平臺坐底后框架與配重通過脫鉤分離，內部小框架可置于外部大框架內部，主要用于搭載監(jiān)測儀器及配套的采集倉和電池倉(圖 11)。外部大框架由不銹鋼管和鋼板組成，在下部四周和中部密封焊接鋼板，保證平臺在下放至海底過程中始終密封一部分氣體，為平臺提供浮力，防止平臺整體發(fā)生過大的沉降，底部設置圓盤作為止位盤，并在四角的圓盤下方加裝鋼釬，可以插入泥土中，防止不必要的橫縱向位移。2個框架之間設置扳機釋放結構，在設備回收過程中通過扳機釋放結構實現(xiàn)2個框架之間脫離，對內部小框架和搭載的儀器進行回收，外部大框架棄置海底。

圖 11 長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡原位觀測平臺(圖片為平臺被吊起的狀態(tài))Fig.11 In-situ observation platform in Zhujiajian landslide in Zhoushan islands sea area in the south side of Yangtze River mouth(Picture shows state of platform being hoisted)

本次觀測工作使用聲吶觀測系統(tǒng)分別進行了船載測量和坐底原位觀測。船載測量時，先調整聲吶觀測系統(tǒng)程序，接下來將聲吶觀測系統(tǒng)組裝，聲吶傳感器固定于船舷一側并入水至水深約3m處，然后連接供電系統(tǒng)對觀測點的地貌形態(tài)特征進行多次測量，確保能夠獲取到聲吶觀測數(shù)據(jù)。船載測量完畢后，將觀測儀器依次安裝固定在觀測平臺上，將聲吶觀測系統(tǒng)固定于觀測平臺一側外部，僅測量靠近海岸一側的海底地貌形態(tài)特征變化；安裝完畢后，連接配重與鋼纜，平臺掛止蕩繩，用絞車將設備吊起入水；解除止蕩繩，用絞車將平臺緩慢下放至海底；潛水員下潛，對平臺進行檢查，確保平穩(wěn)布放，連接定位浮球，解除配重與平臺間的扳機連接；潛水員回返，通過絞車將配重回收，完成布放。

4.3 觀測數(shù)據(jù)結果與分析

4.3.1 船載測量結果與分析

通過對觀測數(shù)據(jù)進行去噪—制圖處理，船載測量結果如 圖 12所示。基于測量結果可以得出，測量區(qū)域水深最深處與聲吶傳感器的垂直距離為15.896m，最大水深值約為18.896m，水深最小處與聲吶傳感器的垂直距離為6.081m，最小水深值約為9.081m。海床上發(fā)育有泥紋等微地貌，整體較為平整，地勢東北高西南低，傾斜角約為21°27′，與同期進行的淺地層剖面數(shù)據(jù)結果一致。

圖 12 長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡觀測區(qū)海底地貌三維立體圖像Fig.12 Three-dimensional image of submarine landform in survey area of Zhujiajian landslide in Zhoushan islands sea area in the south side of Yangtze River mouth

4.3.2 原位觀測結果與分析

通過17天的原位觀測獲取了70余組有效觀測數(shù)據(jù)，選擇部分觀測數(shù)據(jù)進行解譯處理，對數(shù)據(jù)進行多次去噪—平滑處理后，結果如 圖 13 所示?；谟^測結果可以看出，測區(qū)地貌形態(tài)為平滑海床，海底較為平整，整體呈21°16′傾角，在0°至35°之間，與同期觀測的淺剖數(shù)據(jù)結果一致。

圖 13 長江口南側舟山群島海域朱家尖滑坡海底原位觀測數(shù)據(jù)三維圖像Fig.13 Three-dimensional images of seafloor of Zhujiajian landslide in Zhoushan islands sea area in the south side of Yangtze River mouth based on in-situ observation data

通過將船載測量結果與原位觀測結果對比，可以看出2次測量得到的海床形態(tài)特征基本一致。但此次觀測中船載測量數(shù)據(jù)精度要高于坐底原位觀測精度，這主要是由于使用的觀測平臺含有較多的鋼結構，剖面聲吶觀測系統(tǒng)固定于觀測平臺內，工作時發(fā)射的聲波信號被觀測平臺結構遮擋，使得聲波信號不能到達海底面，聲吶接收到了大量無效數(shù)據(jù)。

5 結論

本研究基于國內外海底地貌特征觀測方法和原位觀測技術的研究現(xiàn)狀，設計了剖面聲吶原位觀測系統(tǒng)，并提出了觀測數(shù)據(jù)處理方法。通過標志物檢驗實驗對觀測系統(tǒng)的性能進行了檢驗，并將觀測系統(tǒng)進行了實際應用。主要結論如下：

1)本研究研制的剖面聲吶原位觀測系統(tǒng)，主要由負責采集數(shù)據(jù)的剖面聲吶傳感器、負責能量供應的供電系統(tǒng)以及負責控制數(shù)據(jù)采集過程和存儲數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)3個部分組成。通過將聲吶觀測系統(tǒng)搭載于觀測平臺上，可以獲取海底地貌形態(tài)特征參數(shù)，能夠實現(xiàn)對海底地貌演變規(guī)律的原位長期觀測研究。同時，基于文獻調研和多次對觀測數(shù)據(jù)的處理經驗，提出了剖面聲吶觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，詳細闡述了數(shù)據(jù)處理流程，需要對數(shù)據(jù)進行多次去噪處理，然后依據(jù)研究需求提取剖面數(shù)據(jù)或三維地貌數(shù)據(jù)繪制剖面圖像或三維地貌圖像。

2)在水槽底部放置了2個已知形態(tài)的規(guī)則標志物，使用剖面聲吶觀測系統(tǒng)對標志物進行測量，通過將測量數(shù)據(jù)與實際形態(tài)參數(shù)進行對比，驗證了剖面聲吶觀測系統(tǒng)的可行性和準確性。剖面聲吶觀測系統(tǒng)能較好地反演出特定目標體的形態(tài)特征，測得的數(shù)據(jù)點的位置和高程信息較為準確，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

3)基于前期的物探調查結果，選取了舟山海域海底滑坡區(qū)作為觀測地點進行了原位觀測，通過剖面聲吶觀測系統(tǒng)獲得了研究區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)。觀測結果進一步表明本研究的剖面聲吶觀測系統(tǒng)可以用于地形地貌的觀測研究。