海洋技术▏Chirp型浅地层剖面仪和参量阵浅地层剖面仪的对比分析
海洋浅地层剖面测量技术是一种基于声学探测原理，走航式连续探测海底浅部地层构造的地球物理勘探方法。浅地层剖面仪换能器按照一定时间间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声能反射返回换能器；另外一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传播的声能逐渐损失，直至声波能量耗尽为止，换能器接收一系列反射回波，以垂直纵向剖面图形方式来反映海底浅地层构造。
上世纪40年代出现了最早的浅地层剖面仪（Sub-Bottom Profile），随后60～70年代出现了第一代商用模拟浅地层剖面仪，80年代后期出现了第一代数字浅地层剖面仪。随着计算机处理技术的发展，海洋浅地层剖面仪由最初的脉冲调制信号（CW）技术发展出了Chirp调频信号技术，在20世纪末出现了最新的参量阵技术。目前，Chirp技术和参量阵技术是海底浅地层结构调查中广泛应用的两类浅地层剖面技术，两类浅地层剖面仪由于其工作原理不同，形成了不同的技术特点。本文将详细介绍两类浅地层剖面技术的工作原理，并通过具体设备的技术参数及海上实测剖面对比分析两类浅地层剖面仪的技术特点。
一、分辨率及穿透能力
浅地层剖面仪的分辨率通常是指其垂直分辨率，其与反射信号脉冲宽度有关，通常可以表示为：
垂直分辨率＝1/2×CT ⑴
式中：C为声速；T为脉冲宽度。
如公式⑴所示，浅地层剖面仪的最小垂直分辨率为1/2×CT，即小于1/2×CT的相邻目标就无法分辨。由于信号脉冲的前沿触及上一界面后的反射回波与脉冲后延触及下一界面后的反射回波的最小间隔为1/2×CT，如果上一界面和下一界面的间距小于1/2×CT，从理论上来说，浅地层剖面仪就无法分辨率两个界面。实际作业过程中，浅地层剖面仪的地层垂直分辨率与众多因素有关，如：地层介质对声波的反射、透射和散射能力有关，与地层厚度，声波波束角有关，与记录和显示设备的分辨率有关。因此在实际探测过程中，应根据具体情况，综合实际因素分析垂直分辨率。
由公式⑴可知，分辨率与发射脉宽有关，即信号脉宽越窄，才能得到越高的分辨率。但是发射功率和脉宽也有相关性，需要较大的发射功率才能发射较宽脉冲信号，发射功率越低，发射信号脉宽越窄。而发射功率又和穿透能力有关，发射功率越大，浅地层剖面仪穿透能力就越强；反之发射功率越小，穿透能力也就越弱。由以上分析可知，浅地层剖面仪的分辨率和穿透能力是相互矛盾的。
二、Chirp型浅地层剖面仪工作原理
Chirp型浅地层剖面仪采用Chirp脉冲信号技术。Chirp脉冲信号是指线性调频脉冲，其具有较宽的频带宽度和较窄的脉冲宽度。Chirp脉冲信号的理论表达式如公式⑵所示。
S(t)＝Asin2π(f1＋(f2－f1)/2T)t，0Þ＜T ⑵
式中：A为振幅；f1为开始频率；f2为结束频率；T为延迟时间；t为记录时间。
由于Chirp脉冲信号的频带宽，且脉宽较窄，即在保证穿透能力的同时也能提高分辨率。为了解决Chirp脉冲信号中太多频率成分在同一界面处的反射波对分辨率的影响，在实际应用中，Chirp波还需要配合相关的包络函数一起使用，例如常用的SINC函数等，这样就可以达到提高某些主要频率成分，压制次要频率成分的目的。此外，由于采集的信号与发出的Chirp脉冲信号具有很好的相似性，而线性噪音通常不具备相似性。所以对所获得的采集信号进行卷积处理后，可以降低噪音，提高信噪比。
三、参量阵浅地层剖面仪工作原理
参量阵浅地层剖面仪在高电压驱动下同时向海底发射两个频率接近的高频声学脉冲信号（F1，F2，F1＞F2）作为主频，当两个声学脉冲信号在水体中传播时候，会发生差频率效应，产生一系列的二次频率，如F1，F2，（F1＋F2），（F1－F2），2F1，2F2等等。其中F1高频用于探测水深，（F1＋F2）可以用来记录水体中的信息，而由于F1，F2非常接近。因此（F1－F2）频率较低，一般在几千赫兹，主要用于穿透海底沉积物，探测海底沉积物构造，而且可以保持高频脉冲信号的波束角不变（高频波束角一般在几度，而传统浅剖发射波束角一般在几十度），相比Chirp型浅地层剖面仪具有很高的分辨率，尤其是针对于深水作业，其横向分辨率要高于Chirp浅地层剖面仪。
四、典型设备的技术参数及剖面对比
2015年3月，笔者采用BATHY2010 Chirp浅地层剖面仪（Chirp型浅地层剖面仪）和SES-2000Medium浅地层剖面仪（参量阵浅地层剖面仪）在南海北部开展浅地层剖面海上对比试验。如表1所示为浅地层剖面技术参数对比表。
表1 浅地层剖面技术参数对比表
浅地层剖面仪 型号 | SES-2000Medium 浅地层剖面仪 | BATHY2010 浅地层剖面仪 |
浅地层剖面仪类型 | 参量阵浅地层剖面仪 | Chirp型浅地层剖面仪 |
作业水深 | 2000m | 10～12000m |
最大发射速率 | 最高可达30Hz | 最高可达4Hz，根据量程自动调整发射速率 |
换能器发射声能级 | 246dB rel 1μPa﹫1m | 156dB rel 1μPa﹫1m |
发射功率 | 50kW | 10kW |
波束角 | 1.0°×1.0° | -3dB:31°,-6 dB:45° |
最大地层穿透能力 | 70m，取决于海底沉积物类型和作业水深 | 200m，取决于海底沉积物类型和作业水深 |
沉积物地层分辨率 | 最高可达5cm | 最高可达6cm |
主频 | 100kHz | 3.5kHz（用于沉积物穿透）和12kHz（用于测深） |
二次差频 | 3.5,5,6,8,10,12 15kHz可调 | — |
脉冲长度 | 66us to 1200us | CW模式：200us、500hs、1ms、2ms、5ms、10ms、25ms；FM模式：5ms、10ms、25ms、50ms |
换能器尺寸 | 0.6m×0.6m | 直径约1.2m圆形换能器阵 |
通过表1所示浅剖技术参数，参量阵浅地层剖面仪在脉冲发射速率和波束角两项参数要远远优于Chirp型浅地层剖面仪，即在水平分辨率方面，参量阵浅地层剖面仪要优于Chirp型浅地层剖面仪，由于参量阵浅地层剖面仪作业主频要高于Chirp型浅地层剖面仪主频。因此，参量阵浅地层剖面仪的垂直分辨率也要高于Chirp浅地层剖面仪。参量阵浅地层剖面仪的发射功率和换能器声源级要大于Chirp型浅地层剖面仪，同时参量阵浅地层剖面仪换能器的尺寸要小于Chirp型浅地层剖面仪。由于参量阵浅地层剖面仪发射主频远高于Chirp型浅剖，其穿透能力要低于Chirp型浅地层剖面仪。
SES-2000Medium浅地层剖面仪和BATHY2010浅地层剖面仪在水深100m左右采集的剖面资料如图1和图2所示。由图１和图２可以明显看出在地层分辨率方面，参量阵浅剖要明显高于Chirp浅剖。
图1 SES-2000Medium浅地层剖面仪
采集剖面（1号线某段测线）
图2 BATHY2010浅地层剖面仪采集剖面
（1号线某段测线）
SES-2000Medium浅地层剖面仪和BATHY2010浅地层剖面仪在水深300m左右采集的剖面资料如图3和图4所示。通过图３和图４对比可以看出，SES-2000Medium浅地层剖面仪和BATHY2010浅地层剖面仪的地层分辨率相差不大，而且BATHY2010浅地层剖面仪的地层穿透能力要强于SES-2000Medium浅地层剖面仪。
图3 SES-2000Medium浅地层剖面仪采集剖面
（2号线某段测线）
图4 BATHY2010浅地层剖面仪采集剖面
（2号线某段测线）
SES-2000Medium浅地层剖面仪和BATHY2010浅地层剖面仪在水深400m左右采集的剖面资料如图5和图6所示。通过图5和图6对比可以看出，由于SES-2000Medium浅地层剖面仪发射频率较高（100kHz左右），其脉冲信号能量在水体中损失很大，在400m水深的穿透能力较差，造成其资料剖面信噪比较低，因而其地层分辨率也要差于BATHY2010浅地层剖面仪。
图5 SES-2000Medium浅地层剖面仪采集剖面
（3号线某段测线）
图6 BATHY2010浅地层剖面仪采集剖面
（3号线某段测线）
五、结束语
通过理论分析和典型设备的对比，可以对Chirp型浅地层剖面仪和参量阵浅地层剖面仪两类设备的技术特点进行总结，具体如表2所示。尽管参量阵浅地层剖面仪具有分辨率高的特点，但是其在地层穿透能力上的缺陷，并且在较差海况的低信噪比，会严重影响勘探效果。因而在野外实际应用中，应该综合考虑作业技术要求和野外施工环境等因素，选择合适的勘探设备，以达到最佳的资料采集效果。
表2 两类浅地层剖面仪特点分析
浅地层剖面仪类型 | 参量阵浅地层剖面仪 | Chirp型浅地层剖面仪 |
优点 | 脉冲发射速率快，波束开角小，作业主频较高，因而其水平分辨率和垂直分辨率较高；换能器尺寸较小。 | 技术成熟，可靠性高；价格低廉；由于其作业主频较低，其穿透能力较强。 |
缺点 | 设备控制系统较为复杂；价格较高；其海底沉积物穿透能力较差。 | 分辨率要低于参量阵浅剖；换能器尺寸较大。 |
【作者简介】本文作者/万芃 牟泽霖，国土资源部广州海洋地质调查局海底矿产资源重点实验室；第一作者万芃，1983年出生，男，2004年毕业于哈尔滨工程大学电子信息工程（水声）学院，工程师，从事海洋地质勘查技术方法研究；本文为基金项目，天然气水合物冷泉声学采集技术（课题号：2013AA0925010102）；
来自《地质装备》（2015年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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