參量淺剖現(xiàn)狀及其在海洋工程中的應(yīng)用

韋俊霞 惠娟 陳軼 陳施渝

（1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點實驗室，哈爾濱，150001）

（2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱，150001;3.杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

淺地層剖面探測技術(shù)可用于海洋地質(zhì)研究、海底資源勘查、海底管線路由勘察、港池探測、海床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)查、海洋災(zāi)害地質(zhì)因素調(diào)查、海洋工程選址等活動。該技術(shù)能夠準(zhǔn)確高效地查明覆蓋層的厚度、探測基巖埋深、斷裂構(gòu)造分布、探查海底障礙物的分布、了解海域災(zāi)害地質(zhì)情況（淺層氣、滑坡），從而為海底管道、光纜、碼頭、跨海橋梁、核電站、井場平臺、人工填海等工程建設(shè)提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，在海洋工程及海洋開發(fā)中均扮演著極為重要的角色。參量淺剖以其基陣孔徑小、波束窄、差頻無旁瓣等優(yōu)勢在海洋工程中得到了廣泛應(yīng)用。

1 工作原理

參量淺剖主要是利用高頻高增益小孔徑聲陣發(fā)射高頻高指向性原頻信號，利用聲學(xué)非線性效應(yīng)得到低頻無旁瓣高指向性的寬頻帶差頻聲波與和頻聲波。由于聲吸收系數(shù)與頻率的1.4次方成正比[1]，在聲波的傳播過程中，頻率較高的超聲波和頻信號衰減很快，經(jīng)過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。差頻聲波穿過海底沉積層不同介質(zhì)時，傳播速度和介質(zhì)密度存在差異，因此會產(chǎn)生強弱不同的回波信號。當(dāng)聲波向下傳播時，一部分在分界處發(fā)生反射，另一部分經(jīng)過透射后繼續(xù)向下傳播，在下一分界面處再進行反射和透射，其反射強度與地層的反射系數(shù)R有關(guān)。假設(shè)水體作為第一種介質(zhì)，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為v1；下一層界面的第二種介質(zhì)密度和聲波速度分別是ρ2和v2，則：

聲波反射回來后，由接收機接收并經(jīng)放大、濾波，濾除原頻信號，再進行必要的信號處理之后，被輸出到顯示屏上，給出一串濃淡不一的反映地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的像素點。圖1為參量淺剖工作原理圖，當(dāng)參量淺剖隨測量船航行時，這些表示地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的像點延伸為線，實時繪制出測線下方的地層剖面圖。同時原頻聲波可用于進行海底深度的測量。

圖1 參量淺剖工作原理圖

2 系統(tǒng)組成

參量淺剖一般主要由聲基陣、甲板單元和顯控單元組成（圖2）。

圖2 參量淺剖系統(tǒng)組成圖

聲基陣主要用于發(fā)射原頻信號、接收原頻回波信號和差頻回波信號。甲板單元一方面用于將信號進行功率放大，驅(qū)動聲陣單元發(fā)射原頻聲信號。同時進行接收信號的放大、濾波和信號處理。將接收的差頻回波信號進行處理，轉(zhuǎn)換成反映地層信息的數(shù)據(jù)，將接收的原頻回波信號進行處理，轉(zhuǎn)換成海底深度值，分別輸出給顯示控制單元；顯控單元用于地層剖面的顯示、工作參數(shù)的發(fā)送控制、實時定位信息的接收、顯示與存儲。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外研究狀況

1971 年 Nichols 首次報道了參量陣技術(shù)用于海底沉積層剖面探測，開創(chuàng)了海洋探測領(lǐng)域小孔徑換能器發(fā)射低頻窄波束信號進行海底地層探測的新紀(jì)元，參量陣真正進入了工程應(yīng)用階段。從上世紀(jì) 80 年代開始，德國 Atlas 和 Innomar、挪威Kongsberg、英國Triteck 等公司先后研制了基于參量淺剖探測系統(tǒng)。

德國的Innomar公司于上世紀(jì)末推出了輕便式參量陣海底地層剖面儀，目前已形成了從淺水、深水到全海深的系列化產(chǎn)品。挪威Kongsberg公司于本世紀(jì)初推出了兩款海底地層剖面儀——TOPAS PS18和TOPAS PS40。TOPAS PS18可適用于全海深，已在我國多艘科考船安裝。ATLAS公司推出了參量陣測深、海底地層剖面兩用聲吶ParaSoundP70/P35，可用于全海深。具有多波束模式，但是多波束并不是其成熟功能。目前國外主要參量淺剖產(chǎn)品及其主要參數(shù)見表1。

表1 國外主要參量淺剖產(chǎn)品

3.2 國內(nèi)產(chǎn)品

從20世紀(jì)80年代開始，中國科學(xué)院聲學(xué)所東海站、中國船舶第七一五研究所、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、上海船舶電子設(shè)備研究所等單位都相繼開展了基于參量陣的淺地層剖面儀的研究。目前聲學(xué)所東海站等已具有淺水參量陣國產(chǎn)化產(chǎn)品，中深水參量陣淺地層剖面儀只有聲學(xué)所東海站和第七一五研究所開展了相關(guān)研究，尚無商業(yè)化產(chǎn)品。目前國內(nèi)主要參量淺剖產(chǎn)品見表2。

表2 國內(nèi)主要參量淺剖產(chǎn)品

第七一五研究所研發(fā)的 DDQ-100主要由聲陣單元、綜合處理機和顯控單元組成，最大測量水深可達200 m，對泥沙層穿透深度可達40 m，典型測試圖見圖3。

圖3 DDQ-100典型測試圖

4 主要應(yīng)用

4.1 海底資源勘探

占地球面積 49%的國際海底區(qū)域蘊藏著極為豐富的戰(zhàn)略金屬、能源和生物資源，已探明的海洋礦產(chǎn)資源蘊藏量是陸地的幾十倍。淺地層剖面技術(shù)是目前最主要的海洋高分辨率淺地層結(jié)構(gòu)地球物理調(diào)查方法，已廣泛應(yīng)用于天然氣水合物調(diào)查、深海結(jié)殼探測等領(lǐng)域。對天然氣水合物的探測主要探測海底淺層氣和海底“冷泉”、羽狀流，可以通過淺部海底含氣帶特征, 推測深部天然氣水合物分布、分解、泄露等情況，海底“冷泉”和羽狀流的發(fā)育區(qū)也常發(fā)現(xiàn)天然氣水合物[2-4]。圖4～5為典型參量淺剖淺層氣及羽狀流探測。

圖4 海底天然氣滲漏典型反射剖面特征

圖5 羽狀流特征剖面

隨著深海礦產(chǎn)資源探測的興起，金屬結(jié)殼、沉積物分布、厚度的測量成為參量淺剖新的應(yīng)用方向。日本已研制了兩款基于UUV平臺的參量結(jié)殼厚度探測系統(tǒng)[5]，進行錳結(jié)殼厚度測量。

圖6 結(jié)殼探測

4.2 海洋地質(zhì)研究及地質(zhì)災(zāi)害因素調(diào)查

淺層剖面技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于大范圍的海洋地質(zhì)調(diào)查工作中，用于揭示海底以下30 m 內(nèi)的沉積物厚度、分布及地層結(jié)構(gòu)等，結(jié)合地質(zhì)取樣、單道地震、側(cè)掃聲吶等其它資料可為全新世地質(zhì)環(huán)境演變、區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害分布、海平面升降、水動力等方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。典型地質(zhì)研究剖面圖如圖7所示。

圖7 船載參量陣淺剖地質(zhì)測量界面

4.3 海洋工程勘察

在海洋工程項目的論證和前期設(shè)計階段，成本低、效率高、覆蓋面積大的地球物理勘察通常是必選的勘察方法之一。據(jù)統(tǒng)計，2003～2007年，環(huán)太平洋及南大西洋區(qū)域的可收集的 153項海洋工程（以石油管線、跨國光纜、鉆井平臺為主），采用淺地層探測及地震勘探技術(shù)（基于聲學(xué)震源）的有139項。而國內(nèi)海洋工程，如跨海大橋、海上風(fēng)電、石油鉆井等，也越來越多的采用地球物理技術(shù)為工程建設(shè)服務(wù)。典型管道測量剖面如圖8所示。

圖8 管道測量界面

4.4 海底地質(zhì)屬性分類

人們對海底沉積物的探測更感興趣的是地質(zhì)屬性的探測，結(jié)構(gòu)探測的目的也是要通過鉆孔取樣等方法來確定層間屬性，最后完成沉積屬性的探測，這也是海洋工程地質(zhì)的實際需求。

在沉積結(jié)構(gòu)探測中一般只利用聲波的時間特征，聲波的幅度、頻率等其它特征考慮較少。而這些特征與沉積物之間存在著相互作用，使得我們對沉積物屬性的多參數(shù)識別成為可能。經(jīng)過多年的研究及實踐，研究人員已提出了多種海底沉積物聲學(xué)識別和分類方法，但都不成熟，自主識別準(zhǔn)確度欠佳。

5 發(fā)展趨勢

（1）隨著海洋開發(fā)活動的需求日益增多和淺地層剖面探測相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要更精細(xì)海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測和海底底質(zhì)的識別，參量淺剖也將向全覆蓋、深穿透、高分辨率、多波束，深海智能海底層析、自主海底底質(zhì)分類等方向發(fā)展。

（2）復(fù)雜水下地形和沉積物的探測，需要能夠發(fā)射窄波束的全覆蓋多波束淺地層探測系統(tǒng)，提高地層剖面儀的穿透深度與分辨率，獲取信息量大，可以得到較大面積海底表層沉積物的信息，實現(xiàn)海底剖面系統(tǒng)與地形測量的高層次融合。

（3）計算機和參量陣技術(shù)的發(fā)展激發(fā)了海底特性多類型共點數(shù)據(jù)融合的需求，因此海底特性探測設(shè)備的一體化設(shè)計也將是未來發(fā)展的趨勢。