海洋技术▏光纤水听器阵列应用于海洋地震勘探的试验
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声学传感器，它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息， 具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧和构成大规模阵列等特点。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特征、目标声学特征的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋地质调查的先进探测手段。光纤水听器研究始于冷战时期反潜战的需要。早在20世纪90年代初，美国光纤水听器研究就已经达到使用阶段。2000年，美国研制成功96基元全光光纤水听器系统，应用于海洋、陆地石油、天然气勘探。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在若干技术指标上已达到目前国际水平，但主要处于理论和实验室的层次，实用化、工程化的水听器还处于探索阶段，主要还是用于军事目的。2002年8月首次在渤海进行了23基元光纤水听器阵列的海上试验，通过光纤水听器与标准水听器的对比测试，验证了光纤水听器与传统水听器采集信号有相同的意义，为光纤水听器走向应用奠定了坚实基础。
2017年1月，北京神州普惠科技股份有限公司、广州海洋地质调查局在南海北部海域进行了光纤水听器阵列探测系统应用于海洋地震勘探的试验，取得了海洋地震勘探数据。通过与现有压电水听器地震勘探系统数据进行对比分析，验证了光纤水听器阵列能够满足海洋地震勘探的性能要求。本文介绍了北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统，着重介绍了光纤水听器阵列海上试验分析结果。
一、光纤水听器阵列探测系统
光纤水听器可以采用时分复用、波分复用与空分复用等多重复用方式相结合，易于构建大规模光纤水听器阵列。与传统的压电水听器阵列相对，水听器数目越多，光纤水听器阵列的性价比优势越明显。北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统采用干涉型光纤水听器，其基本原理：由激光器发出的激光经光纤耦合分为两路，一路构成光纤干涉仪的信号臂，接收声波的调制；另一路则构成参考臂，不接受声波的调制，或者接收声波调制与信息臂的调制相反，接收声波调制的光信号经后端反射膜反射后返回光纤耦合器。发生干涉。干涉的光信号被光电探测器转换为电信号，经信号处理就可以获取声波的信息。
北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统由光纤水听器阵列、光源光调制放大系统、光电信号处理系统、水声信号处理系统、综合信息存储显控系统等部分组成，如图1 所示。
图1 光纤水听器阵列探测系统组成
其中光纤水听器阵列为湿端设备，光源光调制放大系统、光电信号处理系统、水声信号处理系统、综合信息存储显控系统为干端设备。
⒈光源光调制放大系统
光源光调制放大系统由高相干激光器、多波长WDM合波器、连续光功率放大器、脉冲光功率放大器和高精度、低噪声电源模块组成。
⒉光纤水听器阵列
光纤水听器阵列采用模块化设计，单个模块含32～64 基元，各模块在光学上和结构上完全一样，每个模块在阵列中都可任意替换。根据使用需求，光纤水听器阵列采用PU管护套封装或高强度的铠装封装。光纤水听器阵列基本参数如表1，其光纤水听器灵敏度频响曲线如图2。
表1 光纤水听器阵列的基本参数
指标 | 参数 |
阵元间距 | 按需定制，典型值0.75m、1m、1.5m、3.125m、6.25m、12.5m |
阵列直径 | 30～36mm |
灵敏度 | 140～145dB |
工作频率 | 10Hz～12kHz |
灵敏度一致性 | ±1dB(全频段) |
相位一致性 | 小于2° |
图2 光纤水听器灵敏度频响曲线
⒊光电信号处理系统
光电信号处理系统接收光缆传输回来的光纤水听器阵列探测信号，通过光电转换采样、时分复用解调转成数字信号，通过高速数据接口输出给水声信号处理机和终端设备。主要功能：①光电信号处理系统底层模块可支持128传感基元的光电信号处理，8个底层模块通过1个主控模块控制组成光电信号处理底层系统，具有1024传感基元的大规模光电信号处理与传输能力；②系统时序采用分层时序管理系统，具有内外同步触发功能；③高速数据接口输出；便于外部系统连接与大系统联网运行；④运行软件可实现系统状态的智能监测，为水声测试专门设立的应用软件包可为系统运行提供全面支持；⑤支持大容量存储磁盘阵列，具有海量数据存储能力。
⒋水声信号处理系统
水声信号处理系统提供水声目标探测与目标分类识别功能，通过DSP与GPU等高速并行处理实现大容量数据的实时在线处理。
⒌综合信息存储显控系统
综合信息存储显控系统是光纤水听器测试设备的工作终端，通过它实现对设备的控制、探测结果的显示、探测数据的存储等。它的具体功能有实时显示系统的工作状态、时域图、频谱图和信号特征参数等，大容量测试分析结果的高速存储。
二、实验概况
2017年1月北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024 基元光纤水听器阵列探测系统顺利安装于广州海洋地质调查局的“探宝”号科考船，通过各项检测，在南海北部海域进行了海试，测线长25km。试验使用560in3(1in3=16.4cm3)高分辨率Bolt气枪震源，工作气压为2000Psi(1Psi=6894.757Pa)，震源阵列长度为15m，震源沉放深度3m，其组合和子波特性图如图3，炮点间距25m，震源主频8～160Hz(﹣6dB)。
图3 Bolt气枪震源结构与子波特性图
本次试验计划在同一条测线上用法国Sercel公司的SEAL428地震采集系统(360道Sentinel型6.25m道间距的固体电缆，电缆沉放深度5m)与光纤水听器阵列探测系统分别进行地震作业，对采集到的地震数据进行对比。由于实验工区有障碍物，两次采集的测线没有完全重合，两条测线平行，间距25km，光纤水听器阵列探测的测线(红色测线)与SEAL地震采集系统探测的测线(黄色测线)对比如图4。
蓝线为SEAL系统采集的测线，红线为光纤水听器采集的测线
图4 测线位置
本次实验采用单边放炮单边接收非零炮检距观测系统，如图5所示，光纤水听器阵列电缆上不能装配定深定向控制器，电缆深度通过调节前导缆长度、变化船速来控制，以电缆平衡良好、噪音较小为原则。实验采用的参数如表2。光纤水听器阵列长度为1800m，记录道数1024道。采样间隔0.25ms，使用连续记录模式。
图5 海试采用的观测系统示意
表2 海试参数
参数 | 光纤系统 | SEAL 428系统 |
电缆长度/m | 1800 | 2250 |
记录道数 | 1024 | 360 |
电缆深度/m | 10～15 | 5 |
道间距/m | 0.3～2.4 | 6.25 |
采样间隔/ms | 0.25 | 0.5 |
低截滤波/Hz | 6 | 6 |
最小炮检距/m | 100 | 125 |
采样长度/s | 连续记录 | 7 |
三、实验结果分析
实验获得了光纤水听器阵列探测系统接收到的地震数据，采集数据信号稳定，单道剖面清晰，能够较清楚地识别海底以下3s的地层，分辨率较高。本次试验工区海况较差，测线受到涌浪、乱流等影响较大，由于没有安装水鸟，电缆姿态以及羽角等情况不明；同时电缆头部受到船体的影响较大，初叠剖面的信噪比较低，剖面上存在线性干扰、大值、多次波干扰，反射同相轴成像比较模糊；但经过地震现场处理后的剖面信噪比和分辨率都显著提高，多次波和强线性干扰被压制，原来隐约存在的模糊同相轴都能清晰地展示出来，断点断面清晰。经过处理后的偏移叠加剖面如图6所示。
图6 处理后的偏移叠加剖面
通过分析原始数据，能检验采集到的资料能否真实有效地反映地质构造以及采集资料的特点。对本次实验的地震原始资料进行频带扫描，可以得出资料频率介于10～200Hz之间，有效频带较宽。由于水听器的工作频带为10Hz～12kHz，所以10Hz以下无有效信号。由原始单炮各频带的带通扫描确认资料中同相轴清晰可辨，对各速度界面的反映是清晰的，能够清晰辨识不同的反射界面。在低频处遭遇强噪音，致同相轴模糊，低截滤波后同相轴又能清晰辨识，该特征与涌浪噪音影响相近。
本次海试处理剖面相比SEAL428地震采集系统采集剖面，在中深层连续性方面有些不足，但基本层次还是很清晰。由于本次光纤水听器阵列在阵列的前部和尾部水听器采用非等间距排列，所以本次处理采用按等间距的方式抽取个别地震道来处理，因此在分辨率上还可以进一步提高。在频谱方面，SEAL428采集系统的低频能量丰富，频带较窄，主频在10～78Hz，而本次光纤水听器阵列探测系统低频能量欠缺，但频带范围较宽，主频在10～122Hz，两种设备频谱对比如图7。虽然本次实验SEAL428地震采集系统和光纤水听器阵列分别的采集的测线不一致，但两条测线间距并不远，地层变化不是太明显。两次采集的资料采用相同的数据处理参数进行处理后生成偏移叠加剖面，从剖面对比来看，还是能很明显看出光纤水听器阵列采集到的剖面在浅地层上的分辨率要高于SEAL428地震采集系统(图8)，特别是光纤水听器阵列采集的资料对浅部地层变化反映非常清晰。
图7 接收信号的频谱
a.光纤水听器阵列偏移叠加剖面；b.压电水听器偏移叠加剖面
图8 偏移叠加剖面对比
四、结论
光纤水听器阵列用于海洋地震勘探，实现了目标仪器与导航定位系统的接口匹配，解决了系统的采集作业时序问题，保证了所采集的资料不存在时间和空间的跳变，从而实现光纤水听器阵列与海洋地质调查信号处理系统的大系统集成，同时完成与海洋地质调查信号处理系统的数据接口匹配。
光纤水听器阵列的海试处理剖面与现有常规地震SEAL428系统(传统压电水听器阵列)相比，能清楚地接收到海底地层反射波，资料中同相轴清晰可辨，说明资料对各速度界面的反映是清晰的，能够清晰辨识不同的反射界面，具有灵敏度高、分辨率高、采集数据连续等优点。
同时该阵列也存在10Hz以下无信号的现象。经北京神州普惠科技股份有限公司解释，该阵列并不是专为海洋地震勘探设计，在其他应用中不需要太多低频信息，在设计时数据采集设置了10Hz的低截滤波，所以该阵列标称的工作频带是10～12kHz；而该阵列使用的光纤水听器本身的频率响应是1Hz～12kHz，实验室测试显示该阵列低频有效频率为4Hz。所以以后该阵列应用于海洋地震勘探，需要修改数据采集的低频滤波，来满足海洋地震勘探对低频信息的需求。
综合结果表明，北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统与传统海洋地震勘探相比，在浅层分辨率上优势明显。虽然它不是为海洋地震勘探专门设计的，但经过简单的改进完全可以适用于海洋地震勘探。目前国际上光纤水听器阵列应用于海洋地质勘探方面还处于探索阶段，北京神州普惠科技股份有限公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统在海洋地震勘探中的试验为自主研发的光纤水听器地质勘探设备走向应用奠定了坚实的基础。
【作者简介】文/郝小柱 张汉泉 韦成龙 王聪 张海兵，分别来自广州海洋地质调查局、国土资源部海底矿产资源重点实验室和北京神州普惠科技股份有限公司。第一作者郝小柱，1982年出生，男，湖北省宜城市人，高级工程师，硕士，从事海洋地球物理勘探方法研究与数据采集。文章来自《热带海洋学报》（2018年第3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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