海洋论坛▏一种新型海底沉积物声学原位测量系统的研制及应用

【摘要】为了能够精确地测量海底表层沉积物的声学参数，自主研制了一种新型海底沉积物声学原位测量系统，与国内外传统的声学原位测量系统相比，该系统能够实时显示声波波形，调整测量参数，其工作方式除了站位式测量之外，还实现了拖行式连续测量，极大地提高了工作效率．根据前期海试情况，对海底仪器结构进行了重新设计，使之可以同时测量海底沉积物及海底海水的声学参数，同时建立了双向数字信道，解决了测量过程中系统信号的干扰问题．该系统的结构分为两部分：甲板控制单元和水下测量单元，整套系统通过主机控制程序进行控制，采用GPS定位系统测定仪器的大地坐标．为了检验系统的稳定性及准确性，分别进行了实验室水槽实验和海上试验．利用水声测量设备对测量系统进行实验室水槽标定分析，实验结果表明系统测量值相对误差仅为0.04％，测量结果具有较高的精度．海上试验在青岛胶州湾和东海海域进行，获得了试验区域海底沉积物声速和声衰减系数的测量数据，将测量数据与他人的研究结果进行对比分析，结果表明测量数据与前人研究结果一致，较为准确．该原位测量系统在站位式测量和拖行式测量中都能够快速准确地测量出沉积物声速和声衰减系数，可以作为海底底质声学测量的调查设备。

一、引言

海洋地球物理中的海底探测技术（主要是声学探测技术）促进了许多重大科学事件的出现，推动了科学的进步（金翔龙，2007）。海底沉积物的声学特性参数（主要指声速和声衰减系数）对于海洋声场分析、工程地质勘探及海洋地球科学研究都具有重要意义．声信号在海底沉积物中传播的声速和声衰减等参数可用Biot-Stoll物理模型（Biot，1956a，1956b；Stoll，1985）或者Hamilton等给出的经验关系来粗略估算．但是，为了精确地得到海底沉积物的声速和声衰减系数，研究者经过大量的试验，发展了多种测量技术，大致可以分为两类：沉积物取样实验室测量和海底原位测量．其中，取样测量的方法相对简单，操作容易，但是取样测量改变了沉积物的原始沉积环境（压力、温度、盐度等），难以获得准确的沉积物声学参数．海底沉积物声学原位测量技术能够获得海底实际状态下的声学参数，避免了取样和搬运对沉积物造成的扰动，成为获得海底沉积物声学参数最直接有效的手段。

国外相关研究机构相继开发出了海底沉积物声学与土工特性原位测量系统、沉积物声学探针设备、声学长矛、现场沉积物声学测量系统以及原位声速和衰减测量探针，并利用这些系统在不同海区开展了海底沉积物声学特性的原位测量，获得了大量的原始数据。国内对于原位测量系统的研究起步较晚，目前研制成功的主要有中国科学院海洋研究所开发的海底底质声学参数测量系统，国家海洋局一所研制的自容式海底沉积声学原位测量系统。

国内外现有的原位测量系统均采用站位式测量，这种测量方式虽然能够获取原位测量数据，但是效率较低．本文在原有的海底底质声学参数测量系统的基础上，结合实验室水槽实验和海上试验分析，对系统结构进行了重新设计，研制出了一种新型海底沉积物声学原位测量系统．此系统不仅可以实施站位式测量，还首次实现了拖行式连续测量，极大地提高了测量效率．2013年8月，在青岛胶州湾海域利用一艘木质渔船进行了海上站位式试验．2013年10月和11月，在东海海域利用中国科学院海洋研究所的“科学三号”科考船进行了海上站位式和拖行式试验，获取了声速和声衰减系数的原位测量数据。本文将详细介绍该系统的结构及其工作原理，分析青岛胶州湾和东海海域的试验情况。

二、系统结构及其工作原理

⒈ 系统结构

新型海底沉积物声学原位测量系统由两部分组成：甲板控制单元和水下测量单元（图1）．甲板控制单元的主要功能是提供电源、处理记录声学参数，水下测量单元的主要功能是发射、接收、输送信号。

 图１　新型海底沉积物原位测量系统框架图

甲板控制单元位于测量船后甲板操作区，由计算机、GPS定位系统、供电系统和数据传输接口组成，其中，GPS定位系统、供电系统和数据传输接口内置于系统控制主机中．水下测量单元包括数据传输接口、声波发射激励电路、声波波形数据采集电路及声系。其中，声波发射激励电路、声波波形数据采集电路及数据传输电路位于一个不锈钢电路密封管中，声系由声波发射换能器和接收换能器组成。甲板控制单元与水下测量单元由一根铠装电缆连接，铠装电缆具有较强的抗拉、抗压、抗腐蚀强度，能够保证仪器在海水拖行中的正常通讯。整套系统通过主机控制程序进行控制，采用GPS定位系统测定仪器的大地坐标。数据传输接口主要有两种作用：一是将甲板控制单元对水下测量仪器的控制命令调制后通过电缆传送给水下测量单元；二是将水下测量单元上传数据进行解调，通过USB接口传递给计算机处理、记录。甲板控制单元与水下测量单元建立了双向数字信道，使得声波信号可以在海底完成采集，然后以数字信号形式传输到甲板控制单元中的计算机中，避免了模拟信号的长电缆传输，提高了声学参数的测量精度．甲板控制单元可以发送各种控制命令，实时调整海底数据采集电路的信号增益、数据采集延迟时间、数据采集量等，并在计算机屏幕上实时显示声波波形（图2）。计算机能够记录声波全波列原始测量数据，保存完整，为以后信号处理提供资料。

图２　新型海底沉积物原位测量系统组成图

根据前期海上试验结果以及拖行式测量的需要，重新设计了水下测量单元的仪器结构（图3）。海底测量仪器采用“个”字结构，由在同一平面的三根不锈钢管组成支撑框架，在框架的四个端点分别配有加重铅球和加重圆饼。其中三根钢管的交叉顶点为铠装电缆的受力点，铠装电缆负责甲板控制单元与水下测量单元的通讯连接，并对海底仪器进行收放和拖动。为了适应海底复杂多变的地形，仪器结构采用一发双收共6个声学探头的设计，上下两侧对称，每一侧都包含一个发射探头和两个接收探头，这样的结构保证系统在任何状态下都能够使探头插入海底沉积物中，即使仪器在海底发生翻转的时候也不影响测量，而且上下两侧对称的设计使系统能够同时测量海底海水和海底沉积物的声学参数．电路密封管固定在中间的不锈钢管上。

图３　海底沉积物原位测量系统水下测量单元仪器结构

⒉ 工作原理

测量开始时，利用起重机和电缆绞车将水下测量仪器下放到海底，测量仪器通过自重将声学探头插入海底沉积物中，然后通过甲板控制单元中的计算机对水下测量单元发送指令，声波发射激励电路接收到指令后，控制声波发射换能器Ｔ发射声波信号，信号经过海底沉积物的传播和衰减后被同一侧的另外两个声波接收换能器（R1和R2）接收。在测量过程中，声波数据采集电路是测量系统的核心，数据采集控制的逻辑功能是：在单片机发出发射激励命令后，按照设定的延迟时间和采集数据量，依次启动两个通道的模数转换，并控制模数转换顺序写入存储器，数据采集结束时向单片机申请中断。甲板控制单元和水下测量单元的通讯通过四芯铠装电缆实现，下行命令信道与上行数据信道分别占用两个缆芯，信道传输采用曼彻斯特调制方式，为减少信道互相扰动，上行信道与下行信道采用两种不同的速率。数据传输接口将采集电路得到的测量数据调制后上传到计算机，同时，通过控制软件，声波波形在计算机屏幕上实时显示，保证测量过程中的实时观察控制。测量系统主要技术指标如表1所示，系统海上测量试验示意图如图4所示．

表１　测量系统技术指标

技术参数	范围
工作水深	500m
沉积物探测深度	30cm
脉冲发射电压	800v
发射换能器频宽	10～40KHZ
接收换能器频宽	1～50KHZ
采样间隔	0.2,0.4,0.8,1.6,3.2μs，可选
采样长度	512～10240点，可选

图４　系统海上试验及工作原理示意图

如图4B所示，同一侧的三个声学探头成斜三角排列，发射换能器Ｔ和接收换能器R₁、R₂的距离分别为L₁、L₂。测量开始时，发射换能器Ｔ发射一个声波信号，经过一定时间传播后，信号分别到达接收换能器R₁和R₂，根据声速和声衰减原理，可以得到沉积物声速计算公式：

C＝(L₂－L₁)∕(t₂－t₁)      ⑴

其中，C是声速，t₁、t₂分别是声波信号到达接收换能器R₁、R₂的时间（初至波时间）。假设声波信号通过海底沉积物到达接收换能器R₁时的信号能量为E₁，同一个信号经过海底沉积物到达接收换能器R₂时的信号能量为E₂。

声衰减系数计算公式为：

σ＝10×（log(E₁/E₂)/△L)

三、实验室水槽实验

进行海上试验前，在实验室中对该系统进行了水槽实验，用以验证系统的稳定性和准确性。实验步骤如下：首先将水槽注入自来水，利用水声测量仪器获取水槽中的水声速为1500m/s；然后将具有固定距离的声波换能器放置在水中，开始测量并记录水槽中的声波信号。为了提高测量精度，采用了多次测量取平均值的方法，水槽实验结果见表2．声波换能器测量的水槽水声速平均值为1499m/s，与水槽实际水声速（1500m/s）十分接近，测量值相对误差仅为0.04％，说明该系统具有较高的准确度．

表２　水槽实验结果

编号	声速（m/s）	声衰减（dB/m)
01	1498.88	36.13
02	1501.13	36.25
03	1500.00	36.92
04	1497.75	36.71
平均值	1499.44	36.50
标准差	1.45	0.37

四、海上试验

为了检验系统的工作性能，于2013年8月，在青岛胶州湾海域利用一艘木质渔船进行了海上站位式试验，2013年10月和11月，在东海海域利用中国科学院海洋研究所的“科学三号”科考船进行了海上站位式和拖行式试验，获取了声速和声衰减系数的测量数据。

⒈ 测量系统标定

发射换能器Ｔ与接收换能器R₁、R₂的距离差ΔL对于声速和声衰减的计算有较大的影响．由于声波换能器是位于声波发射和接收探头中的（图3），如果用直尺等测量工具对L₁、L₂进行测量会产生较大的误差，难以获得准确的距离差ΔL。而且由于海底复杂的地形，声波探头难免会和海底的一些物质接触（坚硬的石块等物质），发生碰撞，使得声波探头之间的距离相对于原设计有所偏差。因此，在海底沉积物测量试验开始时需要在海水中对测量系统进行标定，获得距离差ΔL，确保海底沉积物声速和声衰减的准确计算．测量系统标定的原理如下：将测量仪器放在声速已知的液体中，如水中，进行声传播试验，测量声波信号初至波到达时间，然后根据速度与距离公式可以计算获得距离差。

为了准确测量海水的声速，研制了一套由WSD-3数字声波仪和水声测量仪器组成的测量设备（图5）。水声测量仪器是根据声波反射原理设计的，如图5所示，水声测量仪器中间黑色的圆柱体是声波换能器，它能够在水中发射和接收声波信号，发射信号遇到底部的圆形钢板会发生反射，反射信号沿原路径返回并被接收。声波换能器与测量仪器底部圆形钢板之间的距离可利用螺纹进行上下调节，螺距精确已知。声波换能器接收到的信号可以在WSD-3数字声波仪上显示并储存。声波传播距离差和传播时间可以精确测量，最后根据声波传播的时间差和距离差，计算可得海水声速。利用海水声速测量设备对某一站位海水声速进行测量，然后利用海底沉积物声学原位测量系统对同一站位同一深度的海水进行测量，读取声波信号到达接收换能器R₁和R₂的时间差Δt，将海水声速值代入公式⑴中，计算得到ΔL的值，在测量过程中采用多次测量取平均值的方法提高测量精度。

图５　海水声速测量装置，A是WSD-3数字声波仪，B是水声测量仪器

⒉ 青岛胶州湾海域试验

2013年8月利用一艘木质渔船在青岛胶州湾海域进行了海上试验（图6），此次试验测量方式为站位式测量，主要目的是检验系统的工作性能。表3是青岛胶州湾海域的海上试验部分声速和声衰减测量结果。

图６　青岛胶州湾海上试验工作图（A）和东海海上试验工作图（B）

表3　胶州湾海域试验结果

站位	声速（m/s）	声衰减（dB/m)
AM23A	1506.73	22.32
AN14A	1555.70	6.50
AN16A	1550.53	44.71
AO21A	1579.39	20.68
AP20A	1500.68	25.38
AQ20A	1515.29	1.72

海上试验测量开始时，首先按照测量系统标定方法来确定发射换能器Ｔ与接收换能器R₁、R₂的距离差ΔL。利用实验船只的起重机将海水声速测量装置平稳放入海水中，待仪器稳定后，接通电源开始测量，在测量过程中上下调节螺纹，利用不同的声波传播距离多次测量海水声速，最后取平均值，将海水声速值代入公式⑴中，计算得到ΔL。海水声速测量结束后，利用电缆绞车将原位测量系统的水下测量仪器缓慢下放，直至换能器探头插入到沉积物中，待水下测量仪器稳定后，利用甲板控制单元的计算机控制界面进行相关的操作．根据计算机实时显示的声波信号情况，对相关试验参数进行设置。本次试验的采样周期为200ns，采样长度为2000点。所有的测量站位均采用多次测量取平均值的方法来提高测量精度。测量完毕后，停止声波发射接收，将水下测量仪器缓慢提升至甲板，结束一个站位的测量。整个试验过程操作简单方便，并较为快捷。

⒊ 东海海域试验

2013年10月和11月，在东海海域利用中国科学院海洋研究所的“科学三号”科考船进行了更深一步的海上试验（图6），本次试验采用站位式测量和拖行式测量两种测量方式，同时检验拖行式测量的稳定性。表4是东海海域的海上试验部分声速和声衰减测量结果。

表4　东海海域试验结果

站位	声速（m/s）	声衰减（dB/m)
DH1-1	1575.50	44.09
DH1-2	1573.27	42.45
DH1-3	1577.13	41.67
DH1-4	1576.04	44.32
DH2-1	1573.27	53.47
DH2-2	1569.91	53.19
DH2-3	1573.46	53.94
DH2-4	1569.35	54.54

在进行站位式海上试验时，到达测量站位，待船舶停止后，首先利用科考船后甲板的A型架将海水声速测量装置下放到海水中，仪器稳定后开始海水声速标定工作，步骤与青岛胶州湾站位式测量试验相同。海水声速标定试验测量完毕后，将水下测量仪器下放到海底沉积物中，进行沉积物声速测量。东海站位式测量主要测量了两个站位DH1和DH2，其中，DH1的水深是66.67m，DH2的水深是16.19m，测量结果见表4。

图７　东海拖行测量过程中获取的一组声波波形

在进行拖行式测量试验时，首先将科考船停泊在测量站位，利用科考船后甲板上的Ａ型架和电缆绞车将水下测量仪器平稳放置海底，继续放电缆至水深的3倍长，然后在甲板控制单元的计算机软件中对测量参数进行设置，设置完毕后开始拖行测量，保持船速3～4节（图4）。声波波形表明该原位测量系统在拖行中仍然能够保持较好的稳定性（图7）。

⒋ 结果分析

海底沉积物是一种多孔隙介质，主要由固体颗粒和孔隙水组成．沉积物的声学性质受诸多因素的影响，如沉积物物理性质、沉积环境、测量手段等．卢博等（2005）对东海海域海底沉积物的声学性质进行了调查，结果显示东海海域沉积物纵波声速在1460～1653m/s之间，平均值为1550m/s，这与原位测量系统在东海测量得到的声速是一致的。阚光明等（2010）在黄海利用原位测量技术获得的砂质沉积物的声衰减系数在1.5～22.4dB/m之间，这与胶州湾海域测量得到的声衰减数据是相符的。胶州湾海域的表层沉积物主要是粘土质粉砂和粉砂质粘土，局部还有砾石、粗砂等，由于不同沉积物类型的声衰减系数不同，且沉积物越粗糙，声衰减系数越大，因此表3中不同站位的声衰减数据会有所差异。一般，当声波发射频率在10⁴～10⁵Hz之间时，海底沉积物的声衰减数值在10¹～10²dB/m之间（Kibblewhite,1989）。新型海底沉积物声学原位测量系统采用的主频率为30KHz，青岛胶州湾海域和东海海域的声衰减测量结果在10¹～10²dB/m之间，与Kibblewhite发现的规律相符，表明新型海底沉积物声学原位测量系统得到的测量数据是可靠的。

五、结论

海底沉积物声学原位测量技术是近十多年来伴随着人们对海底沉积物声学性质的调查和研究的需要快速发展起来的一项高新技术。与海底沉积物取样实验室测量相比，它避免了实验室（甲板）声学试验在取样和样品搬运过程中对沉积物产生的扰动，并且保持了原有的压力、温度等环境，因此，海底沉积物声学原位探测技术是海底沉积物声学的发展趋势。与国内外现有的原位测量系统相比，新型海底沉积物声学原位测量系统最大的创新点是解决了拖行过程中信号干扰问题，首次实现了拖行连续测量，大大提高了工作效率。该系统海底测量仪器的对称式设计，使该测量系统可以同时测量海底海水和海底沉积物的声学参数。在青岛胶州湾海域和东海海域的海上试验证明了该测量系统的稳定性和准确性。本次试验受条件限制，测量站位较少，海上试验以浅海试验为主，没有开展对深海的探测。以后的工作，将加大在深海区域的试验研究，验证测量系统在深海区域的工作性能。

■致谢：感谢中国科学院海洋研究所“科学三号”科考船的全体船员在本次试验中提供的帮助与支持，感谢中国石油大学李会银教授对系统调试做出的贡献。

■本文来自《地球物理学报》（2015年第6期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者和《地球物理学报》所有。第一作者侯正瑜，男，1988年生，湖北省武汉市人，博士研究生，中国科学院海洋研究所，从事海洋地球物理与海洋地质声学研究。

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