论文专区▏一种新型浅地层剖面仪试验平台的设计与应用
卢霞1，管明雷2，吴亚楠1，黄安硕1，温瑞1，包诗玉1，朱淼1
1.淮海工学院测绘与海洋信息学院；2.深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘局重点实验室
【摘要】为深入研究浅地层剖面声学影像形成原理，探索不同类型沉积物声学影像特征，厘清不同沉积物厚度的识别算法，采用模块化的设计理念设计并研发一套新型浅地层剖面仪室内试验平台。该平台主要涉及室内定位技术、浅剖试验平台尺寸合理性分析技术、直线轨道与换能器之间的固定连接技术和海底声学参数反演技术，形成一个综合性强、试验高效的新型平台。通过铺设沉积物和布设障碍物，利用浅地层剖面仪进行室内走航试验，分析沉积物的厚度和障碍物的位置。试验结果表明：该平台可精确识别沉积物的厚度和障碍物的位置。通过此研究，该平台为开展理想环境下沉积物厚度和障碍物识别提供较好的测试环境，为声学海洋设备性能检测提供测试平台，也为高校学生和技术人员提供设备使用培训场所，发挥重要测试示范作用，推动海洋技术装备行业的应用和发展。
【关键词】浅地层剖面仪；沉积物；轨道运行控制系统；室内定位技术；吸声设计
一、引言
浅地层剖面仪是基于声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性及规律连续探测海底沉积物的结构和构造，已成为一种便捷、快速、直观揭示海底浅层沉积结构和构造特征的重要手段[1]。国外对海域浅地层结构的研究程度较高，其理论和方法比较成熟。目前他们主要应用层序地层学的概念及原理对浅地层沉积的空间分布、构成单元等方面的研究[2-4]。2016年，Mohamed Saleh等[4]提出构建一个基于能量的声学模型来划分地层。我国近海海域浅地层结构的研究起步较晚，但随着近年来石油、天然气等矿产资源的开发以及海洋工程的发展建设，浅地层剖面仪在海洋工程[5-7]、海底管线检测[8-9]、地质勘察[10-11]等方面的研究取得一定应用进展。近年来，有些学者还在浅地层剖面数据处理方法方面取得一定进展[12-14]。而有关浅地层剖面仪的试验平台设计、研发和应用方面的研究报道较少。浅地层剖面仪室内试验平台设计是一种专门针对浅地层剖面仪走航测量而设计，目的是为了模拟浅海海底地层环境，减少海洋外在因素对浅地层剖面仪测量的干扰，通过模拟海底浅地层结构，探索不同类型沉积物声学影像特征，厘清不同沉积物厚度的识别算法。
二、新型浅剖试验平台的模块设计
⒈新型浅剖试验平台设计
浅地层剖面仪室内试验平台设计与研制的基本思路是利用声波在水中和水底沉积物中的传播和反射特征对沉积物分层结构进行连续探测，从而获得直观的浅地层剖面声学影像探测技术。通过在海底铺设不同类型不同厚度的沉积物，设置合适的工作频率，应用浅地层剖面仪探测海底地层分层结构和各层底质的特征。
新型浅剖试验平台的设计模块主要室内试验平台、轨道运行控制系统、室内定位系统、沉积物模板装置系统和视频监控系统五部分。浅剖室内试验平台设计主要受限于实验室内部空间范围，同时还需综合考虑SES2000轻便型浅地层剖面仪换能器的性能指标，尤其是试验平台深度会限制测试设备的脉冲长度，对试验平台最低水深进行测算，计算过程如下：
D＞V×λ ⑴
式中，V为声速，λ为脉冲长度，D为水深；通过计算V×λ＝1500m/S×(0.07～1) ms＝(1.05～1.5)m，表明：依据换能器的脉冲长度和声速，推算浅地层剖面仪试验平台最小深度D为1.05～1.5m。
依据浅地层剖面仪换能器的波束角C、水深D和所能探测最深一层的最小宽度B之间的换算公式为：
B＝2×(D＋5)tanC/2 ⑵
式中，B为最深一层的最小宽度，D为水深(2m)，C为浅剖波束角(4°)。通过计算B为0.4886m。
基于以上计算和室内空间范围，设计浅剖室内试验平台尺寸为长L4300mm，宽W2400mm，高H2500mm，厚度为300mm（图1），其中地下深度为100mm。
图1 浅地层剖面仪室内试验平台主视设计示意图
⒉轨道运行控制系统模块设计
在浅剖室内试验平台模块设计的基础上，为使换能器能模拟海上现场走航测量，还需设计换能器的轨道运行控制系统模块。该模块主要实现直线轨道与室内试验平台的长度平行，斜率误差控制在1%之内；换能器能稳固地连接在直线轨道上，在行进过程中不能出现晃动以影响测量精度；换能器的运行速度可控；换能器的箭头与航行方向一致，当换能器航行方向改变时，换能器也同步改变。为实现以上四种功能，采用直线滑台、步进电机、减速机、驱动器、控制器、直线滑台的搭载固定架、换能器与直线滑台间的连接架，首先将直线滑台的搭载固定架固定在室内试验平台的中间，然后将直线滑台固定在架子中间，同时连接好步进电机、减速机、驱动器、控制器，布置好摆放位置，易于操作，之后通过连接架将换能器固定在直线滑台上。图2展示了轨道运行控制系统的连接架设计。
图2 轨道运行控制系统模块支架设计示意图
⒊浅剖试验平台沉积物装置设计
谢帕德三角形沉积物分类法可设置砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土、黏土、砂质黏土、黏土质砂、砂-粉砂-黏土10种类型[15]。沉积物摆放时，一般情况下按照砂粒直径从大到小依次铺放。浅剖室内试验平台内可铺设多厚的沉积物，铺设什么类型的沉积物，综合考虑沉积物的粒径大小、浅剖层分辨率（最小5cm）、浅剖沉积物穿透（最大40m）等指标，设计浅剖试验平台沉积物装置为单层（最小为5cm，最大为1.15m）或按照粒径从粗到细依次铺设（每层最小厚度为5cm）。
⒋浅剖试验平台室内定位系统设计
室内定位系统为GNSS信号转发系统，包括设备：GNSS接收机、GNSS信号转发装置和CORS差分改正信号。
GNSS信号转发装置安装：把室外楼顶的接收天线穿到夹具套筒里，顺时针方向旋紧；把已经和套筒连接起来的GPS接收天线用紧箍固定到室外空旷地带的避雷钢筋上或水泥墙上；再把避雷器和接收天线的N母头连接起来，并用铜线把避雷器底线和室外避雷钢筋链接起来；把室外电缆和避雷器连接起来，并拉到室内有电源的地方给GNSS信号转发装置供电；再将室外电缆通过转接线和GNSS信号转发装置连接起来，通过室内发射电缆把GNSS信号转发装置和GPS发射天线连接起来；最后，把GPS发射天线固定到测试区域中心位置的天花板上，把没有用到的GNSS信号转发装置输出端口用终端负载堵上。
GNSS接收机室内定位安装：先将GNSS接收机置于滑块上，使得GNSS接收机与浅地层剖面仪换能器在同一垂线上，量出GNSS天线到浅地层剖面仪换能器的垂直距离L；打开GNSS接收机，在天线高设置处，设置天线高为L，使得测量位置信息为换能器位置；将开通GPRS流量业务的SIM卡放置在GNSS接收机中，为GNSS接收机提供网络服务；在手簿的网络配置端输入所选CORS信号的IP地址、端口号、用户名和密码；配置完成后，等到手簿显示“固定”,就可以实现浅地层剖面仪实时动态精密定位；平面定位精度平面为1cm以内，垂直精度为2cm以内。
⒌浅剖试验平台吸声设计
浅地层剖面仪室内试验平台内尺寸长3.75m、宽2m、深2.5m（水位2.3m），平台底面铺设0.45m沉积物，另外五个面均铺设吸声材料，水池设备浅地层剖面仪的工作频率在4kHz～15kHz。试验平台的工作频率是由吸声材料放置密度决定，通过预测和实验研究，决定吸波材料的布局间距为50mm，水池上的各个表面的吸波材料等间距放置，每平方米铺设400根。首先选用声特性阻抗与水接近的聚氯乙烯板作为构件板，为了保证吸波的圆锥橡胶等间距放置，所以在构件板上布设好等间距的孔，随后将圆锥体插入孔中。试验平台内壁面安装吸声构件时，设计一种挂吸声构件的构架。该构架用优质不锈钢板折弯后焊接在池壁上并与池壁成一定的倾角。吸声构件的背面含有不锈钢挂钩，可以将吸声构件悬挂在构架上，并且可以自由移动。
三、新型浅剖试验平台的应用
德国Innomar公司SES 2000轻便型浅地层剖面仪SBP，主频约100kHz，低频为4，5，6，8，10，12，15kHz，SBP脉冲宽度为00.07～1ms；波束角约4°，层分辨率最小为5cm，沉积物穿透深度最大为40m。基于以上仪器参数的设置范围和要求，在水池底部铺设7cm厚的细砂，然后缓慢向池中注水，水深为2.3m，将浅地层剖面仪换能器置于水池中央的轨道上，换能器上的箭头方向指向航行方向，且确保换能器置于水中，换能器的底部至水面的距离为29cm；将换能器电缆与主机连接，确定浅地层剖面仪设备系统，启动视频监控系统，设置好轨道控制系统，之后打开控制单元，打开数据采集软件SESWIN，设置系统工作模式为单频模式，设置低频频率为15kHz，换能器的吃水深度为29cm，声速为1442m/s和内部触发模式。浅地层剖面的测量数据见图3。
图3 基于浅地层剖面仪的单层沉积物测量结果示意图
为了探测小型管状障碍物存在的声波特征和在声波影像上的纹理特征，在平台底放置了一个小型不锈钢桶(最大直径为50cm)，记录数据的起始深度（0m），其他数据采集参数设置同上，再次进行浅地层剖面仪测定，结果见图4。
图4 基于浅地层剖面仪的障碍物测量结果示意图
从图3和图4中可以看出：应用浅地层剖面仪进行室内模拟走航测量过程中，换能器接收到的信号中主要包括一次波、多次波和鬼波；沉积物的界面和管状障碍物在图中具有显著特征，识别度高。利用浅地层剖面数据后处理ISE软件，对浅剖测定数据进行降噪等处理，去除多次波和鬼波。沉积物识别结果见图5。
图5 沉积物识别结果图示意图
对于细砂层顶一次反射，信号从震源产生，经过细沙层顶部产生一次反射，到达检波器，信号传播距离为4.02m：
d＝x/2＋0.29 ⑶
式中，x为传播距离，d为仪器校正后信号位置。经过计算，可得细沙层顶一次反射同相轴位置位于2.3m处。对于细砂层底一次反射信号，信号从震源产生，经过细沙层底部产生一次反射，到达检波器，信号传播距离为4.16m，经过公式⑶校正，可以得到同相轴位置位于2.37m处。细砂层厚度为细砂层底一次反射和细砂层顶一次反射时间之差，即2.37－2.30＝0.07m。与实际埋深相符，可见，理论计算及实际砂层厚度验证了测量值的准确性，通过本文设计可以实现沉积物及其厚度有效识别。
图6所示为带有小型不锈钢桶浅地层剖面仪测量数据处理结果。已知信号在金属桶中传播速度大于背景速度，因此其传播时间小于周边细砂层，如果与背景介质以相同的速度校正成深度，则其校正深度要小于周边细砂层，因此剖面上，会看到小的突起，即深度小于2.3m，此处推测为金属桶位置，与实际金属桶埋置信息相符。
图6 障碍物识别结果图示意图
四、结论
基于模块化设计理念设计与研发了一套新型浅剖室内试验平台，并进行单层沉积物和障碍物的测试分析与应用研究，得到如下结论：
⑴基于浅地层剖面仪，设计和研发了一套浅剖室内试验平台，分析了室内试验平台大小的合理性，设计了平台和轨道运行控制系统之间的固定连接器、换能器与轨道之间的连接器以及沉积物铺设；各个模块独立又相互连接，形成一套合理可行的测试体系。
⑵通过铺设单层沉积物和放置底部管状障碍物于平台底部，模拟走航测定，去除多次波和鬼波，估算单层沉积物厚度和障碍物的位置，沉积物厚度和障碍物位置估算精度较高；但障碍物的二维或三维形状未能识别。
⑶未来应深入探讨该平台对不同类型不同厚度的沉积物分层识别方法和精度方面的研究以及深入开展海底管道二维和三维可视化研究。
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【作者简介】第一作者卢霞，1976出生，女，江苏泰兴人，副教授，博士，主要从事海岸带环境监测教学与科研工作；本文为基金项目，国家自然科学基金（41506106）、连云港市科技重大计划项目（CN1510）、海岸带地理环境监测国家测绘地理信息重点实验室开发基金（GE-2017-003）、基于遥感和GIS的江苏紫菜养殖识别研究（JSCHKY201709)、江苏省海洋科学与技术优势学科项目、江苏省海洋技术品牌专业建设项目（PPZY2015B116)；文章来自《海洋测绘》（2018年第5期），版权归《海洋测绘》所有，转载请备注论文作者，说明文章来源，并请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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