海洋技术▏TTV-301声学深拖系统在海底微地形地貌调查中的应用
侧扫声呐系统是一种高效高分辨率的海底声学探测技术手段，能够为高精度的海底微地形地貌探测提供厘米级的声学图像，从而精细刻画海底形态，并对海底的微地形地貌特征进行定性的描述；浅地层剖面系统可穿透海底表面，对海底表面一定厚度的地层进行探测，可精细勾画海底表面以下的地质构造及海底底质；多波束测深系统能够提供高精度的海底位置信息，构建高精度的海床DEM，为海底目标物及地形地貌提供准确的地理位置信息；若能将上述3种海底声学探测技术手段进行融合叠加应用，可为海底微地形地貌的立体探测与识别提供高分辨率高精度三维可视化的基础数据，为进一步的海底微地形地貌分析与研究提供科学可靠的技术保障。
近年来随着我国清洁能源天然气水合物资源勘查项目的深度开展以及天然气水合物先导试验区的建立，采用常规的手段与作业方式进行海底声学探测已难以满足天然气水合物资源勘查的迫切需求。常规的侧扫声呐系统与浅地层剖面系统多用于江河湖泊，作业水深较浅，一般多为100m左右，直接采用电缆拖曳即可作业，且由于仪器设备不能集成，故需要设计不同的航次来分别完成数据的采集，而天然气水合物试验区多位于水深约1000～2000m的深海海域，两者的作业环境完全不同。
声学深拖系统是一种可在深海海域进行海底微地形地貌探测的海洋装备，其搭载了侧扫声呐系统、浅地层剖面系统和多波束测深系统，配备有压载器、拖体、复合电缆、绞车、甲板单位、惯性导航系统、多普勒计程仪、温度传感器、海水盐度传感器及水下定位信标等辅助设备。作业方式为通过光电复合电缆连接压载器与拖体，采用拖曳方式将拖体放至近海底来进行高精度高分辨率的地形地貌、浅表层地质构造探测。
在国外，Ines Dumke等利用DTS-1声学深拖系统对新西兰希库朗伊地区海底进行声学探测，综合多波束测深、侧扫声呐及浅地层剖面3种声学数据，揭示了冷泉在不同发展阶段的声学特征标识；Derman DondururCar等利用DT2000声学深拖系统对伊兹密尔湾进行海底探测，在声学图像上发现了表层水合物和活麻坑。在国内，徐建等利用声学深拖系统对西太平洋的马尔库斯－威克海岭一带的海山进行调查，为富钴结壳资源的探测提供了科学参考。刘晓东等对不同类型的声学深拖系统进行了较为系统的综合分析对比，认为弱正浮力型深拖系统最为适合于天然气水合物的资源调查。
本文以南海某海域实测声学深拖系统数据为例，采用专业的数据后处理软件，对侧扫声呐数据、多波束测深数据、浅地层剖面数据进行精细处理，形成高分辨率、高精度的海底微地形地貌2D图像，构建三维可视化海底地形地貌3D图像，通过对上述声学图像进行分析，发现海底的微地形地貌清晰可辨，目标物轮廓清晰，各种地形地貌长度及宽度可测量，表明声学深拖系统完全能够满足天然气水合物资源勘查对海底微地形、微地貌、浅层构造高分辨率探测的要求，为下一步的天然气水合物资源开发开采、井场选位定位提供精确的基础数据。
一、声学深拖系统
⒈Teledyne Benthos TTV-301
TTV-301是由美国Teledyne Benthos公司生产的一款适用于深海复杂海底环境的声学深拖系统，其拖体搭载3种声学系统：侧扫声呐系统、多波束测深系统及浅地层剖面系统，配备有定位和辅助设备，同时也可以根据用户的需求搭载其他声学设备。最大工作水深为6000m，集成所有设备后正浮力约为91kg，作业速度为2～4海里/h；作业时姿态稳定性强，最大横摇和纵摇角度为1°，周期为5s，上下升沉约0.15m。一次作业可同时获取侧扫声呐资料、多波束测深资料及浅地层剖面资料，不同声学设备相互之间的信号干扰较少，极大地改变了传统的海底微地形微地貌探测技术手段，图1为Teledyne Benthos TTV-301声学系统作业示意图，图2为海上作业时的拖体实物。
图1 TTV-301声学系统作业示意图
图2 TTV-301声学系统拖体
⒉声学系统
Klein UUV3500系统侧扫声呐系统，该系统是由美国L-3 Klein公司生产的一款侧扫声呐系统。该系统适用于深海作业，采用双频技术，可同时工作，内置的姿态传感器能够精确测量提供拖体姿态/加速度数据来支持图像稳定波束形成。
Reson SeaBat 7125是由Teledyne Reson公司生产的一款高性能的多波束系统。其测深范围为0.5～500m，横摇稳定性高，在最大可用条带覆盖下可实现横摇稳定。采用钛合金导流罩，最大工作水深为6000m，发射频率为200KHz或者400KHz。
Teledyne Benthos ChirpⅢ是由美国Teledyne Benthos公司生产的一款模块化的浅地层剖面系统，可安装于船体或者搭载于拖鱼中。该系统采用双通道，双频率作业模式，结合Chirp技术和常规连续波（CW）技术，可获取海底高分辩率的浅地层剖面。
二、试验
⒈数据来源
2017年广州海洋地质调查局使用Teledyne Benthos TTV-301声学深拖系统在南海某海域进行作业，作业区域水深约2000m左右，海底地形复杂多变。多波束采用100％海底全覆盖模式作业；侧扫声呐数据记录采用Klein 3500软件，数据格式为XTF，单边量程为300m，双频作业100/400KHz；浅地层剖面频率2～7KHz，穿透深度10～100m之间；压载器距海底高度约100m，拖体距海底高度约80m，光电复合电缆投放长度约4km，船速保持为2.5节～3节之间。定位系统采用综合导航系统，包括：Hypack导航系统、Versipos LD4S接收机、Ranger2Pro超短基线水下声学定位系统。图3为测线布设示意图。
图3 测线布设示意图
⒉多波束水深数据
图4为多波束水深图，从图中可以看出海底地貌主要以海丘、海槽、海底水道、海底峡谷、深海平原等地貌为主；海底地形由西北向东南倾斜，在陆架区斜坡带水深线走向大体与海岸线平行，水深1300～2230m，地形变化相对平缓，坡度约0.7°。
图4 多波束水深图（m）
由于海底底流的冲刷作用，发育陆坡海脊与陆坡海谷地形；整个区域呈弧状分布，大致与等深线平行，调查区域内长约55km；最高的海脊位于调查区东北部，海脊底部至顶部约为150m，顶部平缓，地形及剖面如图5～图6所示；区域内海谷的深度差从40～60m不等，地形及剖面如图7～图8所示。
图5 多波束水深图（Line-1）
图6 Line-1对应水深剖面图
图7 多波束水深图（Line-2）
图8 Line-2对应水深剖面图
调查区东南部分布西沙海槽的中央水道，工区内长度约为9km，宽度约为8.6km，地形如图9～图10所示，谷内深度从几十米到几百米，沿海谷方向逐步变深。
图9 多波束水深图（Line-3）
图10 Line-3对应水深剖面图
⒊侧扫声呐数据
通过对原始的侧扫声呐数据进行导航编辑、海底线精确跟踪、斜距改正、速度校正、TVG校正、NADIR校正之后，生成单条带的侧扫声呐图像，再经过图像拼接处理之后，生成整个工区的大面积无缝的侧扫声呐图像，如图11所示，采用两种色标来标记：一种为灰色，一种铜色。
图11 侧扫声呐图像（左：灰色；右：铜色）
从图11可以看出，经过必要的处理之后，整个工区的侧扫声呐图像色调基本保持高度一致，拼接痕迹基本得到消除，北部地形地貌较为突出，南部海底底质较为单一；同时能清晰的看到两条带状的痕迹，这与多波束水深图中的水道相互吻合，分析认为是水道边缘强反射所致。图12展示了侧扫声呐图像上的海底地形地貌，其中a为砂质海底，b为小山脊，黑色阴影为声波无法到达所致，c为圆形凸起，d为海底异常亮班，e和f为连续多个小凹坑。
图12 侧扫声呐海底微地形地貌图像
⒋浅地层剖面数据
浅地层剖面经过初步处理之后，可以清晰地看出海出海底表床的起伏形态，如图13所示。同时可以看出，存在一定程度的噪音干扰，一种是“多路径效应”，呈现出一条与海底表床起伏形态完全一样的信号；另外一种是“镜像”，呈现出一条与海底表床起伏形态完全相反的信号。除上述类型噪音外，还呈现出规律性的“斜杠”噪音。
图13 浅地层剖面图像
尽管存在一定程度的噪音，但浅地层剖面仍清晰地反映了海底的起伏状态和海底浅表层内部构造，如图13所示。图13展示了5条浅地层剖面，从图中可以看出海底的起伏状态清晰可辨，地形的走势明显，其中Line-1测线展示了凸起的小山包，且每一个小山包下均呈现出异常亮斑，整条测线海底声强反射信号差别较大，表明海底浅表层底质类型较为复杂，结合已有海底地质取样资料，综合判断研究区域海底多为基岩、砂石等。
⒌声学数据融合
多波束数据、侧扫声呐数据、浅地层剖面数据从不同的角度反映了海底的微地形地貌及海底浅层地质构造，利用地理坐标对3种声学数据进行精确的配准与融合，实现海底表层的综合立体探测，进行对比分析、相互验证，可精细还原真实的海底微地形地貌及地质构造。
图14为同区域的3种声学2D图像，上面的为多波束水深图，中间的为侧扫声呐图，下面的为浅地层剖面图。图15为多波束和侧扫声呐叠加3D图像。从图14中可以看出，侧扫声呐图像呈现出3个非常明显的凸起，大小各异，与多波束水深图中的起伏地形非常吻合，同时浅地层剖面图像也印证了侧扫声呐图像中的凸起地形。3种声学数据高度吻合，相互印证，进一步提高了微地形地貌判读的准确性与可靠性。通过融合处理，实现同一地貌地形的水深、纹理特征、海底底质类型信息的无缝对接，初步形成海底浅表层的立体探测。
图14 同区域的3种声学2d图像
图15 多波束和侧扫声呐叠加3d图像
三、结果与分析
深拖系统拉近了声学设备与海底的距离，从而可以获取更加精细的声学数据。多波束水深数据成图之后，可从水深图中查看海底的微地形地貌，同时可以对各种微地貌进行精确的测量，例如山谷、山脊、坍塌等地貌地形的长宽高几何信息；侧扫声呐图像则清晰呈现了海底表面的纹理特征图像，探测出海底的异常亮斑、小山脊、圆形凸起地形、凹陷地形等；浅地层剖面呈现出海底表面的起伏状态，内部声强的差异表明了内部构造底质类型的复杂性，不同层介之间的也呈现出较为强烈的声学差异。
从声学图像中可以看出，各种海底微地形地貌清晰可辨，从不同的角度对同一微地形地貌进行精细的量测，初步实现对微地形地貌的立体综合探测；同时对同一微地形地貌在不同声学影像上的反映标识有了一定程度的认识，这对下一步声学影像的深度融合和信息挖掘奠定了必要的研究基础，同时也为天然气水合物异常目标物的精准探测提供一种全新的科学可靠的技术依据。
四、结束语
本文详细介绍TTV-301声学深拖系统在海底微地形地貌调查中的应用，并以南海某海域实测数据为例，系统介绍深拖系统海上作业的模式及方式方法、并对获取的声学数据进行精细处理，得到高质量、高分辨率的侧扫声呐图像、高精度的水深图、高分辨率的浅地层剖面构造。通过对以上声学数据进行初步的融合叠加处理，对比分析同一微地形地貌在不同声学影像上的特征标识，从不同角度对微地形地貌进行立体探测与识别，取得理想的效果。同时也存在一些问题：如不同声学影像的分辨率不一致性，融合处理过程中如何取舍；不同声学影像定位精度的差异性等，这些将是下一步研究的重点方向。
深拖系统大大缩短了声学仪器设备与海底的距离，提高了声学数据的质量和精度，为海底微地形地貌的探测与识别提供了一种新型的可靠的技术手段，具有其他技术手段所不具备的技术优势。随着天然气水合物资源的深入开发以及先导试验区的建立，利用深拖系统可实现对冷泉及其周围环境的精确立体探测，为天然气水合物靶场的标定提供科学可靠的可视化数据。
【作者简介】文/郭军 冯强强 温明明 牟泽霖 曹明 万芃 王爱学 马金凤，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、浙江省交通规划设计研究院、武汉大学测绘学院和武汉大学海洋研究院。第一作者郭军，1984出生，男，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，工程师。本文为基金项目，国家专项项目（DD20189310）、国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金（KLMMR-2015-A-13）、国家专项工作项目（DD20160227）、国家重点专项项目（2016YFC0303900；DD20189642）。文章来自《测绘工程》（2018年第10期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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