海洋技术▏基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉调查中的应用
二十一世纪是海洋的世纪，陆地的资源和空间已经远不能满足人类生存和发展的需要，全球新一轮的“蓝色圈地运动”早已展开，蕴藏着丰富的能源与资源的深远海区域更是各国勘探和开发的重点。对深远海的勘探和开发始于海上调查与观测，需要先进的调查设备与科学的调查技术作为保障。2012年以来，“科学”等一系列综合考察船的正式服役以及中国科学院战略性先导科技专项(A类)“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响(WPOS)”等重大项目的顺利实施，显著地提升了我国调查深远海的能力，促进了我国深海调查装备的研发与应用，实现了我国深远海调查技术和科学研究的跨越式发展。然而，随着调查与研究的深入，传统的船载设备已经远不能满足要求，而基于深潜器的近海底综合探测系统在深远海调查与研究中的优势则日趋凸显。基于船载设备获得的区域背景资料，利用深潜器搭载近海底综合调查系统获得热液区、冷泉区、泥火山、海底滑坡区等重点调查区的高精度声学资料、高分辨率影像资料以及相关物理化学参数，实现对重点调查区地形地貌、浅地层结构、海底特征和物理化学场等有效信息的精细刻画，并用以指导后续的定点调查和取样工作已经成为深远海调查的常态操作，以满足深远海调查与研究的多种需求。得益于WPOS海洋专项的顺利实施，中国科学院海洋研究所在深海海底地形地貌调查方面取得了重大进步，利用基于缆控水下机器人(ROV)平台的近海底综合声学调查系统，获得了台西南冷泉区和马努斯热液区的高分辨率声学资料，并基于此对相应调查区海底地形地貌特征及控制因素等进行了探讨，是我国具备开展深远海近海底调查作业能力的重要体现。基于对南海冷泉区的近海底综合调查，本文介绍了搭载于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其应用，以期为我国深远海近海底调查技术的有效运用和工作流程优化提供一些借鉴。
一、基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统
“发现”号ROV(图1)是为满足“科学”综合考察船深远海科考实际需求而配置的4500米级深海缆控机器人系统。
图1 “发现”号ROV的外观
“发现”号ROV配置有多个推进器，包括4个矢量分布的水平推进器和3个垂向推进器，航行速度可达3.2节，水下移动灵活。为完成深海原位观察与取样，水下观测设备投放与回收等精细作业。“发现”号ROV还配置有7个深水摄像机(包括2个超高清摄像系统)，动力定位系统(DPS)以及Titan4和Atlas两种机械手，其中Titan4七功能机械手采用主、从手操作模式，最大提升力为450kg。此外，“发现”号ROV还配置有CTD、CH4、CO2、pH、浊度、溶解氧、原位激光拉曼探针等多种原位探测传感器，以及大体积生物吸样器、沉积物插管取样器、综合声学探测系统、三维激光扫描和成像系统等设备，可实现长时间取样与实时观测任务，获取沉积物、岩石、生物和水体样品以及水体或沉积物的原位物化特征。总体而言，“发现”号ROV是我国目前深海作业能力最强的科考型ROV之一。
获得高精度和高分辨率的海底地形地貌资料是深远海调查的首要内容，是保证后续各学科调查与研究工作顺利进行的重要基础。在深远海区域，这些高质量数据的有效获取离不开近海底移动平台以及相关声学设备的配置和优化集成。因此，结合“发现”号ROV的具体技术参数，本课题组为其配置了近海底综合声学调查系统，该系统主要包括3000米级R2Sonic2024多波束测深系统，模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统以及水下定位系统。
3000米级R2Sonic2024高分辨率多波束测深系统以第五代声纳架构为基础，体积小巧，结构紧凑，质量轻便，便于安装，可搭载于水下自主航行器(AUV)、ROV等水下移动平台，进行水深测量。其工作频率在200～400kHz范围内在线可调，扫宽角度10°～160°，分为256个探测波束，最大测深可达500m，量程分辨率可达1.25cm。
“发现”号ROV搭载的模块化侧扫声纳-浅地层剖面系统(EdgeTech2205SonarSystem)是由EdgeTech公司研发的适用于水下移动平台的综合型声纳系统，用以获得调查区的海底底质特征及浅地层剖面信息。本套系统将120/410kHz的侧扫声纳系统以及2～16kHz的浅地层剖面系统集成固定于一个6000米级的耐压舱内。侧扫声纳序列包括各工作频率对应的发射和接收单元。浅地层剖面系统则由DW-216换能器和2个独立的接收序列构成。“发现”号ROV的水下定位导航系统主要由iXBluePHINS6000惯性导航系统，多普勒计程仪(DVL)，高度计，船载Sonardyne公司生产的水下超短基线(USBL)定位系统，以及哈尔滨工程大学研发的水下长基线(LBL)定位系统组成，用以提供设备的三维姿态和位置信息并对其进行导航。
PHINS6000作为主导航系统，是一款可实时输出位置、航向、横纵摇、深度、速度和升沉的水下惯性导航系统，其基于高精度惯性导航测量系统，并配合运行先进卡尔曼滤波器算法的数字信号处理器。然而，由于“发现”号ROV的深海作业条件以及PHINS存在的固有漂移误差，单一的惯性导航设备不能满足“发现”号ROV深海长时间作业的定位与导航精度需求。因此，还配置了USBL以及LBL，DVL，高度计等声学辅助设备，并根据“发现”号ROV的不同作业要求，选择相应辅助声学设备，为主导航系统提供实时测量信息，以弥补其系统误差随时间积累的缺陷，进而获得高精度的定位和导航信息。在进行海底观测、取样等一般海底作业时，采用PHINS6000+DVL＋高度计＋USBL的组合系统即可满足ROV的水下定位导航需要；而在进行海底观测网布放，近海底综合声学调查以及三维激光扫描、高分辨率影像资料以及相关物理化学参数采集等需要高精度导航定位要求作业时，则采用PHINS6000+DVL+高度计＋USBL＋LBL的导航定位组合以满足其精度需求。其中后述组合模式可以获得有效精度可达亚米级别的定位导航信息，然而该组合需在近海底作业前选取合适区域进行长基线信标矩阵布设并对各信标进行定位验证，操作复杂性远高于前者。
二、近海底综合声学调查系统在中国南海冷泉区的应用
海底冷泉主要是指富甲烷、硫化氢等还原性组分的流体持续或间歇性溢出或喷出海底所形成的特殊流体系统。冷泉系统和热液系统的发现，颠覆性地改变了人们对深海极端环境条件下生命活动的认知。经过四十多年的调查与研究，人们在世界众多海域中都发现了海底冷泉系统的存在，并且对其形成和演化过程具有了相当深刻的认识。海底冷泉是海底流体体系的重要组成，是地球岩石圈、水圈，甚至大气圈之间能量和物质交换的重要通道。同时，海底冷泉系常发育有特殊的化能自养生物群落，是海底极端环境条件下生命形式的重要代表。因此，自20世纪80年代首次发现以来，海底冷泉系统就一直是海洋地质和生物学研究的热点。
中国学者对冷泉的研究和认识始于对南海天然气水合物的调查与研究工作。从2004年发现“九龙甲烷礁”冷泉系统开始，南海冷泉系统逐渐升级为重点研究的独立对象，而不是仅作为天然气水合物研究的附属证据。迄今为止，中国海洋学者在南海北部已经发现了40多个冷泉系统，其中位于台湾西南海域福尔摩沙海脊南侧脊顶区的冷泉系统(图2a)和位于珠江口盆地西海域的“海马”冷泉系统依然处于非常活跃阶段，是南海冷泉研究的热点区域。福尔摩沙海脊冷泉区发现于2007年，然而截至2016年上半年，对该冷泉区的近海底综合声学调查工作仍未系统性开展。同时，受冷泉区规模和水深限制，船载设备所获得的声学资料并不能有效展现该冷泉系统的海底地形地貌特征。冷泉区精细海底地形地貌等基础资料的缺乏，严重阻碍了人们对福尔摩沙海脊冷泉系统的深入调查与研究工作。因此，为了获得该冷泉区的精细地形地貌与浅地层结构信息，本研究组利用基于“发现”号ROV的综合声学调查系统对该冷泉区进行了近海底精细化调查(图2b)，最终获得了该冷泉区高分辨率多波束水深数据、侧扫声纳图像以及浅地层剖面资料，用以研究分析该冷泉系统的地形地貌特征、底质条件、冷泉区规模及其浅地层结构特征等内容，并为后续调查提供基础的背景资料。
图2 “发现”号ROV的近海底综合声学调查系统水下工作示意图
⒈冷泉区近海底精细化水深调查
2016年7月，本课题组利用“发现”号ROV搭载的R2Sonic2024多波束测深系统获得了福尔摩沙海脊南侧脊顶区的高精度水深数据。在数据采集过程中，“发现”号ROV搭载R2Sonic2024多波束测深系统以距底约40m的高度进行约0.8节速度的定高航行，对作业区进行走航式测量。根据已有资料，在调查区内共布设测线10条，测线间距为100m，长度约为2km，覆盖面积约为2km2。在近海底作业过程中，多波束系统的开角设置为120°，保证两条测线间约20%的数据覆盖。“发现”号ROV及其搭载多波束测深系统的水下定位导航采用PHINS6000＋DVL＋高度计＋USBL的导航定位组合，有效精度可达米级。精确的系统测前校准是获得高质量数据的前提，因此在采集数据之前，我们利用基于校准测线的方法对多波束测深系统的姿态偏差(横摇(Roll)，纵摇(Pitch)和艏摇(Yaw))进行试验与校准。由于工区面积较小以及工时限制，在调查区内共布设了三条校准线。其中两条测线位置相同，方向相反，即在同一测线上以相同速度进行往复测量，用以试验横摇参数。往复测量结束后，进入另一条校准线以相同速度进行测量。原方向相反的两条测线与本测线组成两组，即同向与反向校准测线，分别实现纵倾与艏摇偏差参数的试验。
测线完成后，将数据导入处理软件，利用多波束系统自带校准模块程序对数据进行处理，得到系统各传感器安装参数误差修正值。进而将此修正值应用于多波束采集系统中，在数据采集时实现误差实时校正，最终获得高精度测量数据。所采集的原始数据利用QPS imera水深处理软件进行处理，剔除异常位置、水深等无效数据，获得调查区的高精度有效水深数据。然后对水深数据进行插值处理，最终获得调查区1m的网格化水深数据。进而利用Surfer绘图软件将数据成图，实现水深数据的三维可视化，获得了福尔摩沙海脊南侧脊顶区的精细化海底地形地貌图(图3)。
图3 南海福尔摩沙海脊南侧脊顶区精细海底地形图
基于利用ROV近海底水深数据所成精细海底地形图(图3)可以看出，在调查区内可识别出两个地形异常区，分别为脊顶区(区域2)和脊顶北西侧坡(区域1)。其中，位于NW侧坡处的地形异常区面积约为55000m2，整体地形由SE向NW方向倾斜，坡度约为1︰4。区内发育有多个丘状正地形，直径一般介于几米到十几米之间，高度一般小于4m，并且多数正地形周围由凹陷负地形环绕(图4a，b)。这些凹陷地形宽度一般小于10m，深度一般小于4m，所以这种正负地形组合在横切面上常呈现为宽缓的“W”形(图4b)。根据外形特征(图4a)，这些凹陷地形可以分为环状、槽状和箕状。其中前者是指近于封闭的环形凹陷，中间为丘状正地形；槽状则主要是多个凹陷联合在一起，形成顺坡走向细长槽状地形，并且沿下坡方向，槽宽有一定的增加；后者则是表现为开口沿坡向下的箕状凹陷，丘状正地形位于其顶部下方。
图4 福尔摩沙海脊南侧脊顶地形异常区(a,c)与典型地形剖面图(b,d)
对于有冷泉系统发育的福尔摩沙海脊南侧脊顶地形异常区(图4c，d)，区内最高处水深约为1125m，在水深1140m以上区域等深线近于圆形闭合，直径约为100m，表现为发育在海脊上高度约为25m丘状正地形。在水深大于1140m的区域，则呈现为舌状向北延伸至1165m等深线处。该地形异常区总体面积约为10000m2(图4c)。区内离散分布有多个规模较小、高度可达4m的丘状或脊状正地形。在1140m圈定的地形异常区内，其中心丘状地形(图4d下)直径约为22m，高度约为4m。其北侧异常区内亦发育由多个丘状正地形，其中最显著丘状地形直径约为12m，高度约为3.5m(图4d上)。比较而言，在1140m等深线圈定区域内，丘状正地形个数较少，规模较大，而其北侧舌状延伸部分丘状正地形个数较多，规模较小。
⒉冷泉区近海底侧扫声纳和浅地层剖面调查
同一航次，基于上述高精度近海底水深数据与前期影像资料，本课题组利用“发现”号ROV搭载的模块一体化侧扫声纳-浅地层剖面系统(EdgeTech 2205SonarSystem)获得了福尔摩沙海脊南侧脊顶区的高分辨率侧扫声纳图像和浅地层剖面资料。在数据采集过程中，“发现”号ROV以0.8节的速度进行距底高度约为30m的定高飞行，测线间距为120m，扫幅宽度为200m，以保证侧扫图像的全覆盖。ROV的水下定位采用PHINS6000＋DVL＋高度计＋USBL＋LBL的定位导航组合系统，有效精度可达亚米级别，并与搭载的模块一体化侧扫声纳-浅地层剖面系统实现位置信息共享。
侧扫声纳原始数据利用SonarWiz5软件进行处理和成图。通过对比发现，低频率(120kHz)数据质量和覆盖宽度远高于高频(410kHz)数据，因此本文展示了120kHz数据成果并进行相关分析。在该频率下，与测线平行方向的分辨率可达7.5cm，而在与测线垂直方向的分辨率约为20cm。在侧扫声纳拼接图像(图5)中，亮度越高表明相应区域反向散射信号越强。
图5 南海福尔摩沙海脊冷泉区侧扫声纳拼接图像及其反向散射信号异常区
侧扫声纳数据反向散射强度是研究区底质及海底地形的综合反应。总体而言，硬底结构和凸起正地形区域对应较强的反向散射信号区域，正常软质沉积与平坦地形区则对应相对较弱的回波强度。根据图像可以看出(图5a)，在调查区域内，可以识别出两个反向散射信号异常区，位置对应海底地形图中所展示的区域1和区域2两个地形异常区。在脊顶北侧反向散射信号异常区内(区域1，图5b)，其信号异常主要表现为正常信号区域中随机分布有高亮的近圆形或脊状的高强度反向散射信号特征，并且其前后都有阴影结构出现，表明区内硬底正地形的发育。而且，对于远离信号来源一侧的阴影结构，其长度一般介于2.5～8m之间，结合在侧扫声纳数据采集过程中，ROV距海底约30m进行定高飞行，可以计算出反向散射信号高异常区对应的正地形高度约在1～4m之间，与水深数据呈现地形特征一致。
福尔摩沙海脊南侧脊顶顶部的反向散射信号异常区面积约为14000m平方(区域2，图5c)，根据信号强弱，该区可以进一步分为南北两部分。其中南侧部分整体信号较强，与周围正常海底的反向散射信号特点对比明显，特别是位于采集系统正下方的区域，由于反向散射信号太强，除表明该区为硬质底质外，其他有效信息基本被屏蔽。在距离采集系统较远的两侧，大致位于较强反向散射信号边缘区，可以观测到阴影结构发育的斑点状或脊状较强信号反射特征，而且在边缘部分可观测到条带状信号较弱区域。而该区北侧的舌状信号异常区，由于信号发生畸变，难以读取准确有效信息，不过在其东西两侧可观察到强反射区以及东侧强反射区内零星分布的规模较小并且周围有阴影结构发育的海底正地形。在异常区西侧边缘，识别出了不规则弯曲状的亮斑特征。经过对原始数据的分析，在原始侧扫声纳剖面上识别出气泡柱结构(图5d)，是该冷泉系统依然处于活跃阶段的直接证据。
通过对比可知(图6)，根据水深数据所划分的地形异常区与根据侧扫声纳反向散射信号强度所划分的信号异常区具有良好的空间对应关系，亦可观察到地形异常区内的微地貌特征(A～F)与侧扫声纳信号异常特征(A′～F′)一一对应，因此可以推测是相同的海底特征导致了地形和底质特征的异常。目前，经过已有影像资料的实况确认已知脊顶冷泉区的声学信号异常主要由冷泉活动所形成的自生碳酸盐岩硬底导致。不过相对而言，根据反向散射信号强度所圈定脊顶顶部异常区要稍大于其根据水深数据所圈定的地形异常区。海底平坦沉积层下伏有自生碳酸盐岩硬底与声学设备安装位置不同而造成的定位误差可能是这一现象的主要因素。我们还推测脊顶北侧坡处的地形和反向散射信号异常区(区域1)很可能是尚未发现的冷泉区。总体而言，根据地形和底质异常特征，我们对福尔摩沙海脊冷泉区的分布和规模有了初步了解，而且还识别出潜在的冷泉新区。由此可以看出，利用ROV搭载的近海底综合声学调查系统，进行重点调查区的近海底精细化调查，对于冷泉区的识别与量化其范围具有重要意义。
图6 重点区域地形与其侧扫声纳图像对比图
在采集侧扫声纳数据的同时，我们也采集了研究区的浅地层剖面信息(图7)，采集频率设置为12kHz，以期采集冷泉区高分辨率浅表地层的内部信息，识别流体通道、浅层气等特征。然而，冷泉区由于自生碳酸盐岩发育而形成的硬底结构对于高频信号具有强反射作用，有效地屏蔽了冷泉区下伏浅地层的内部结构信息。
图7 冷泉区典型浅地层剖面图像(位置如图6所示)
而在正常海底区域，该频率信号一般穿透深度小于15m，可零星观察到地层信息，由于有效信息较少，能够读取的地质信息非常有限。此外，本次原始数据仅记录了ROV搭载高度计输出的其距海底高度信息，因此采集的浅地层数据所展示的海底信息仅是ROV在航行过程中距底高度轨迹，而不是真实海底地形的反应，也表明海底反射强度主要受控于海底底质特征。根据现有数据，我们可以看出冷泉区海底反射信号强度明显高于周围正常海底，与侧扫声纳图像上的强反射特征分布具有良好的对应，明确表明了冷泉区的硬底特征。
三、冷泉区近海底综合声学调查的必要性分析
自2007年发现福尔摩沙海脊冷泉区以来，在该区已经开展了多次海上调查，获得了大量基于船载设备的声学数据，取得了一系列研究成果。如基于船载多波系统采集的水深数据，王冰等分析了福尔摩沙海脊的整体地形地貌特征；基于高分辨率地震资料，Hsuetal分析了冷泉区的地质背景，表明了天然气水合物在冷泉系统中的重要作用，并结合热流资料提出了该冷泉系统的流体活动模式。总体而言，通过对船载数据的综合分析与研究，海洋学者们掌握了福尔摩沙海脊冷泉系统的系统组成、流体来源与运移模式等有效信息，对该冷泉系统具有了宏观整体的认识。然而，受数据分辨率和质量所限，基于这些数据，尚不能对该冷泉系统百米级规模冷泉区的海底地形地貌和浅地层结构进行精细刻画，严重阻碍了对该冷泉系统的进一步研究。
基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统的应用，则可以有效地突破这一数据壁垒。利用近海底综合声学探测系统，我们获得了高精度高分辨率的水深数据、侧扫声纳图像和浅地层剖面信息，并基于这些数据首次实现了对该冷泉区海底地形地貌特征的精细刻画，有效地加深了对该冷泉系统的认识，同时也为后续原位调查和研究工作的有的放矢提供了必不可少的背景信息。因此，近海底综合调查是冷泉研究工作的必要基础调查。需要指出的是，近海底精细化调查工区的选择，需要基于大量船载区域调查资料，例如基于多波束数据的水体调查以识别潜在的气体柱，侧扫声纳图像反向散射信号异常区等特殊声学现象，进而确定近海底调查工区位置。同时，近海底调查高效和安全的进行也需要区域范围的背景资料作为保障。因此，只有将船载大面调查和近海底综合声学探测相互结合，才能有效满足科学调查与研究的需求。
四、结论
本文主要介绍了基于“发现”ROV的近海底综合声学调查系统及其在南海冷泉区调查和研究中的应用。该近海底综合声学调查系统主要由3000米级R2Sonic2024多波束测深系统，模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统以及水下定位系统构成。本套系统在2016年成功应用于对福尔摩沙海脊冷泉区的近海底综合声学调查，获得了福尔摩沙海脊冷泉区高精度水深(1m分辨率)、侧扫声纳(分米级分辨率)和浅地层剖面数据，为实现该冷泉区的精细刻画和深入研究提供了必不可少的基础资料。水深与侧扫声纳资料表明，冷泉区包括1140m等深线圈定范围及向北沿坡向下延伸至1165m等深线的舌状地形异常区，总面积约为14000m2，区内离散分布有规模较小的丘状或脊装正地形，地形复杂，硬底结构发育。同时，还识别出位于北侧坡处的地形和反向散射信号异常区，推测该区是尚未发现的冷泉区。通过对比得知，地形和反向散射信号异常区及其内部微结构在空间上具有良好的对应关系，推测是同一种海底特征导致了这两种声学信号异常现象的出现。本套近海底综合声学调查系统的配备和以及在冷泉区的成功应用，对我国冷泉研究以及深远海近海底精细化调查具有重要实践意义。
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【作者简介】文/王冰 宋永东 杜增丰 李超伦 张建兴 栾振东 张鑫 连超 阎军，分别来自中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室、中国科学院大学、中国科学院海洋研究所深海极端环境与生命过程研究中心和青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室。第一作者王冰，博士；通信作者栾振东，正高级工程师。本文为基金项目，中国科学院先导专项项目子课题（XDAXDA1030301、XDA11040305）；文章来自《海洋与湖沼》（2020年第4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”微信公众号编辑与整理。
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