论文专区┃浅海沉积声学原位探测系统研制及深海功能拓展

【编者按：海底沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数是影响水下声场空间结构、水声通讯、水声设备使用性能、海底目标探测的重要因素。介绍了最新研制的浅海海底沉积声学原位测量系统的工作原理、结构组成和性能特点，并对系统在黄海和南海海底沉积物声学特性调查中的应用情况进行了总结。最后，对系统在满足深海应用方面的功能拓展进行了讨论和展望。本文发表在《海洋测绘》2014年第5期上，沉积物声学特性的研究是海洋探测中无法绕开的话题，对海底资源调查和开发、海洋工程勘察以及海底稳定性评价等方面都具有极其重要的价值。其中的原位测量可以避免样品扰动和环境变化等因素，可以提高测量数据的质量和可靠性，现在介绍该方面的最新研究成果，供朋友们阅读了解。阚光明，1981年出生，男，山东成武人，副研究员，博士，国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室，主要从事海底沉积声学研究。】

文/阚光明 邹大鹏 孙蕾 孟祥梅 李官保

一、引言

海底沉积物的声速、声衰减系数等声学特性及其空间分布规律是浅海声场数值预报、匹配场定位以及潜艇航行、导航、坐底隐蔽地点选择等应用中所必需的参数。而且，浅海海底沉积物声学特性也是影响水下声波传播规律、水下声场空间结构和水声设备使用性能的主要因素，无论是水下声场分析和预报，还是水声通讯、水下搜索和定位、潜艇和水雷探测等都无法绕开海底的声学效应。因此，沉积物声学特性研究成为军事海洋学和军事地球物理学的重要研究内容，对于国防建设具有重要的意义。另外，海底沉积物声学特性是利用声学方法对海底沉积物物理力学及工程性质进行遥测、反演和评价的基础。在海底资源调查和开发、海洋工程勘察以及海底稳定性评价等方面具有重要的价值。声学特性参数的精确测量是海底沉积物声学特性研究的重要环节，目前，海底沉积物声学特性参数测量主要包括沉积物样品的实验室测量和海底原位测量两种方法。沉积物样品声学性质的实验室测量方法首先在研究海区使用重力取样器或箱式取样器获得海底沉积物原状样品，然后，将样品搬运到实验室中进行测量。样品由海底取样和搬运至实验室的过程中，将不可避免地带来扰动，而且，沉积物所处的温度、压力等周围现场环境也发生了很大变化，上述因素将导致声速和声衰减系数的实验室测量值偏离原位状态下的真实值。海底沉积声学原位测量是将声学仪器放置海底，直接测量声波在沉积物中的传播特性，这种方法避免了样品扰动和环境变化等因素造成的声速和声衰减系数测量误差，从而提高测量数据的质量和可靠性。

目前，海底沉积声学原位测量已成为海底沉积物声学特性参数测量的发展趋势。国外已经研制出多套海底沉积声学原位测量系统，比较有代表性的有AL系统(Acoustic Lance)、SAPPA系统(Sediment Acoutic＆Physical Properties Apparatus)和ISSAM系统(In Situ Sediment geoAcoustic Measurement System)。国内，虽然海底沉积声学原位测量技术研究起步较晚，但发展比较迅速。近几年，我国研究人员对海底沉积声学原位探测相关技术进行了研发和试验。目前，相关单位最新研制出适用于浅海的自容式海底沉积声学原位探测系统，该系统在中国黄海和南海等多个海区进行了广泛应用，获得了大量的海底沉积物声速和声衰减系数原位测量数据。为了满足海洋调查向深远海进军的要求，目前正对浅海沉积声学原位探测系统进行深海功能的拓展，本文将对浅海系统的研制和应用情况进行总结，并对系统深海功能拓展涉及的关键技术进行介绍。

二、浅海沉积声学原位探测系统的工作原理及整体性能

⒈ 系统工作原理

如图１所示，设备触底后，位于底部的触底开关向控制单元发送开启指令。通过由液压驱动装置、滑轮组、活动压盘等组成的组合贯入装置将固定于活动压盘上的四支声学探杆贯入到海底以下指定深度。其中一个探杆安装发射换能器(R)，另外三个安装接收换能器(T1、T2、T3)。发射换能器发射的声波经在沉积物中传播后分别被三个接收换能器接收，采集电路对接收到的声波信号进行前置放大、初始滤波和A/ D转换等处理，然后存储到系统存储单元。海底工作结束后，将设备提升至甲板，导出数据，根据记录到的三通道声波信号的到时差和幅度差计算海底沉积物声速和声衰减系数。

⒉ 系统结构及性能特点

系统主要技术指标为：①工作水深：500ｍ；②探测深度：1.0ｍ；③发射换能器主频：30KHz；④接收换能器频带：20～50kHz；⑤发射电压：10～1000V；⑥脉冲宽度：5～50μs；⑦声波采样频率：10kHz。系统主要包括换能器单元、中央控制单元、液压驱动贯入单元和发射采集单元四部分。声学换能器是声波发射和接收的核心部件，通过多个陶瓷管的串联或并联，专门设计制作了具有高发射响应、水平全方向性好的发射换能器和接收灵敏度高、一致性好的接收换能器。自动控制单元主要实现系统在海底工作状态和过程的自动监测和控制，包括：触底判断、液压驱动贯入的控制、发射采集单元工作指令的发送和接收等。液压驱动贯入单元将声学换能器匀速贯入到海底以下指定深度的沉积物中，减少了对沉积物的扰动，并保证换能器与沉积物良好耦合以提高原位测量精度。发射采集单元主要由发射模块和采集模块组成，发射模块设计特点为发射波形、发射电压、脉冲宽度等参数可调，采集模块对接收到的声波信号进行前置放大、初始滤波、A/D等处理，并对数据进行自容式存储。

三、浅海沉积声学原位探测系统在海底沉积声学调查中的应用

⒈ 系统在黄海海底沉积声学调查中的应用

在2009年6月和2010年6月执行的南黄海中部海底沉积声学调查航次中，使用最新研制的浅海沉积声学原位探测系统进行了海底沉积声学原位测量，共获得104个站位的海底沉积物声速和声衰减系数的原位测量数据。调查区位于南黄海中部海域，水深为17～83m，近陆水深较浅，向海变深。测区中部和东部底质以粉砂质黏土和黏土质粉砂为主，西南部以粉砂、细砂为主，西北部底质主要为粉砂质砂。原位测量站位涉及六种不同类型沉积物，沉积物原位测量声速和声衰减系数统计表见表１(表中声速和声衰减系数均为该类沉积物所有测量站位的平均值)。从表中可以看出，对于不同的沉积物类型，原位声速和声衰减系数差别较大，粉砂质粘土声速最低，平均值为1459.5m/s，其次为粘土质粉砂，平均值为1484.9m/s。这两类沉积物的声速均低于海水声速，为通常所说的“慢速”海底沉积物。上述两类沉积物的声衰减系数也较低，其平均值分别为4.13dB/m和6.78dB/m。声速最高的沉积物为粉砂质砂，其平均值为1578.2m/s。细砂的声衰减系数最高，为22.37dB/m。

将同一站位的原位测量声速与实验室测量声速进行对比，见图3。从图3可以看出，原位测量声速与实验室测量声速存在一定差异，从原位声速到室内声速，总体上呈现出增大的趋势。存在上述差异的因素是多方面的，比如：取样和搬运过程中样品扰动引起的密度变化、样品失水引起的含水量变化、由海底原位环境到实验室的温度变化等。图4显示，环境温度变化是导致沉积物声速变化的重要原因，而且，随着温度的增加，原位测量声速与实验室测量声速差值呈现出增大的趋势。从而也说明开展海底沉积物原位测量的重要性和必要性。

⒉ 系统在南海海底沉积声学调查中的应用

基于液压驱动贯入的海底沉积声学原位测量系统的关键技术，研发出便携式海底沉积声学原位测量系统。便携式原位测量系统具有操作简单、轻便灵活、易于吊放等优点。在2010年中科院南海所“实验3”号船南海北部开放航次中，使用该系统在南海北部珠江口河口区沿直线布设的5个站位开展了海底沉积声学原位测量，首次获得该海区海底沉积物声速和声衰减系数原位测量数据(表2)。该区域水深由E702站位的181m逐渐减小到E706站位的65m，海底沉积物以砂质沉积为主，含砂量大，取样困难，仅在E703、E704和E706这3个站位获得少量的沉积物样品，而原位测量在上述站位均获得了良好的测量效果。

四、系统的深海功能拓展

浅水海底沉积声学原位探测系统适用的工作水深为500m，不能满足深水工作的需要。换能器工作频带为20～35kHz，相对较窄，限制了沉积物宽频声学性质的测量和研究。系统在下水前预设好工作参数，在海底完全自动工作，只有当设备从海底回收至甲板后，根据控制系统记录的工作状态实时监控文件才能知晓设备在海底的工作状况。这种工作模式降低了对调查船吊装钢缆的要求，适合于浅海作业，而对于深海海底沉积物声学测量，每次收放设备的时间非常长，因此要求设备在海底测量的成功率非常高，需要能够对水下设备进行实时可视化监控，针对上述深海作业需要，对浅水海底沉积声学原位探测系统进行深海功能拓展。

⒈ 深海宽频换能器技术

在换能器陶瓷管内外填充低阻抗油，换能器最外侧采用橡胶软套密封。在深海高压环境下，橡胶软套变形，将静水压力通过低阻抗油传递给陶瓷管，但陶瓷管内外低阻抗油相贯通，达到压力平衡效果，避免陶瓷管单相受压而破裂，以便能够适用于深海测量。通过声学换能器多模态振动的研究和设计，研发多模态换能器，拓宽换能器的工作频带。在中科院南海所“实验3”船2011年南海公共航次期间，对研制的深水换能器进行了试验。图5为在某站位接收到的在沉积物中传播的三通道声波波形，站位水深1261m。接收波形显示，深水换能器工作正常。

⒉ 深海耐高压水密技术

针对不同的水下耐压部件承载和功能要求，采用不同的耐压结构和密封设计。对动力电池舱和液压油箱采用深海压力补偿自平衡式设计，利用深海压力补偿器，对深海压力及上下温差引起的油液体积的变化予以补偿，从而实现舱体内外压力平衡，以减小载体的体积和重量。对于水下电子设备因不能承受深海高压的情况，采用耐高压壳体式承载结构，保证水下电子舱的耐压要求。

⒊ 深海可视化测控技术

深海可视化测控技术的主要功能为：①可视化功能，即压缩水下摄像单元的视频图像，通过光电转换，用光纤上传到甲板控制单元实时显示；②通讯和控制功能，可视化监控单元通过光电转换，利用光纤进行数据传输，实现甲板控制单元和水下控制单元的数据交换和水下单元的控制。

⒋ 远距离能源传输技术

主要功能是为水下控制单元、液压驱动单元等提供电源。主要由甲板升压模块、传输电缆和水下降压模块三部分构成。甲板升压模块负责把船载交流380V电压升压为直流2000V电压，通过光电复合缆传送到远距离的水下控制单元，再由水下降压模块稳压成48V和110V直流电压。

五、结束语

海底沉积声学原位测量避免了样品取样和搬运对沉积物的扰动以及海底原位环境变化等因素对沉积物声学特性测量的影响，使得测量结果更加准确可靠，逐步成为海底沉积物声学特性测量的发展趋势。研制的浅海海底沉积声学原位探测系统能够实现海底沉积物声学特性的自动原位测量。系统在黄海和南海海底沉积声学调查中的应用表明，该系统测量数据准确可靠，性能稳定。通过深海宽频换能器技术、深海密封技术、可视化测控技术、远距离能源传输技术等关键技术研究，能够实现近海原位系统的深海功能拓展，从而满足深海海底沉积声学调查的需要。