參量淺剖現狀及其在海洋工程中的應用

韋俊霞 惠娟 陳軼 陳施渝

（1.哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，哈爾濱，150001）

（2.哈爾濱工程大學水聲工程學院，哈爾濱，150001;3.杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

淺地層剖面探測技術可用于海洋地質研究、海底資源勘查、海底管線路由勘察、港池探測、海床結構穩定性調查、海洋災害地質因素調查、海洋工程選址等活動。該技術能夠準確高效地查明覆蓋層的厚度、探測基巖埋深、斷裂構造分布、探查海底障礙物的分布、了解海域災害地質情況（淺層氣、滑坡），從而為海底管道、光纜、碼頭、跨海橋梁、核電站、井場平臺、人工填海等工程建設提供基礎地質資料，在海洋工程及海洋開發中均扮演著極為重要的角色。參量淺剖以其基陣孔徑小、波束窄、差頻無旁瓣等優勢在海洋工程中得到了廣泛應用。

1 工作原理

參量淺剖主要是利用高頻高增益小孔徑聲陣發射高頻高指向性原頻信號，利用聲學非線性效應得到低頻無旁瓣高指向性的寬頻帶差頻聲波與和頻聲波。由于聲吸收系數與頻率的1.4次方成正比[1]，在聲波的傳播過程中，頻率較高的超聲波和頻信號衰減很快，經過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。差頻聲波穿過海底沉積層不同介質時，傳播速度和介質密度存在差異，因此會產生強弱不同的回波信號。當聲波向下傳播時，一部分在分界處發生反射，另一部分經過透射后繼續向下傳播，在下一分界面處再進行反射和透射，其反射強度與地層的反射系數R有關。假設水體作為第一種介質，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為v1；下一層界面的第二種介質密度和聲波速度分別是ρ2和v2，則：

聲波反射回來后，由接收機接收并經放大、濾波，濾除原頻信號，再進行必要的信號處理之后，被輸出到顯示屏上，給出一串濃淡不一的反映地層結構和構造的像素點。圖1為參量淺剖工作原理圖，當參量淺剖隨測量船航行時，這些表示地層結構和構造的像點延伸為線，實時繪制出測線下方的地層剖面圖。同時原頻聲波可用于進行海底深度的測量。

圖1 參量淺剖工作原理圖

2 系統組成

參量淺剖一般主要由聲基陣、甲板單元和顯控單元組成（圖2）。

圖2 參量淺剖系統組成圖

聲基陣主要用于發射原頻信號、接收原頻回波信號和差頻回波信號。甲板單元一方面用于將信號進行功率放大，驅動聲陣單元發射原頻聲信號。同時進行接收信號的放大、濾波和信號處理。將接收的差頻回波信號進行處理，轉換成反映地層信息的數據，將接收的原頻回波信號進行處理，轉換成海底深度值，分別輸出給顯示控制單元；顯控單元用于地層剖面的顯示、工作參數的發送控制、實時定位信息的接收、顯示與存儲。

3 發展現狀

3.1 國外研究狀況

1971 年 Nichols 首次報道了參量陣技術用于海底沉積層剖面探測，開創了海洋探測領域小孔徑換能器發射低頻窄波束信號進行海底地層探測的新紀元，參量陣真正進入了工程應用階段。從上世紀 80 年代開始，德國 Atlas 和 Innomar、挪威Kongsberg、英國Triteck 等公司先后研制了基于參量淺剖探測系統。

德國的Innomar公司于上世紀末推出了輕便式參量陣海底地層剖面儀，目前已形成了從淺水、深水到全海深的系列化產品。挪威Kongsberg公司于本世紀初推出了兩款海底地層剖面儀——TOPAS PS18和TOPAS PS40。TOPAS PS18可適用于全海深，已在我國多艘科考船安裝。ATLAS公司推出了參量陣測深、海底地層剖面兩用聲吶ParaSoundP70/P35，可用于全海深。具有多波束模式，但是多波束并不是其成熟功能。目前國外主要參量淺剖產品及其主要參數見表1。

表1 國外主要參量淺剖產品

3.2 國內產品

從20世紀80年代開始，中國科學院聲學所東海站、中國船舶第七一五研究所、哈爾濱工程大學、浙江大學、上海船舶電子設備研究所等單位都相繼開展了基于參量陣的淺地層剖面儀的研究。目前聲學所東海站等已具有淺水參量陣國產化產品，中深水參量陣淺地層剖面儀只有聲學所東海站和第七一五研究所開展了相關研究，尚無商業化產品。目前國內主要參量淺剖產品見表2。

表2 國內主要參量淺剖產品

第七一五研究所研發的 DDQ-100主要由聲陣單元、綜合處理機和顯控單元組成，最大測量水深可達200 m，對泥沙層穿透深度可達40 m，典型測試圖見圖3。

圖3 DDQ-100典型測試圖

4 主要應用

4.1 海底資源勘探

占地球面積 49%的國際海底區域蘊藏著極為豐富的戰略金屬、能源和生物資源，已探明的海洋礦產資源蘊藏量是陸地的幾十倍。淺地層剖面技術是目前最主要的海洋高分辨率淺地層結構地球物理調查方法，已廣泛應用于天然氣水合物調查、深海結殼探測等領域。對天然氣水合物的探測主要探測海底淺層氣和海底“冷泉”、羽狀流，可以通過淺部海底含氣帶特征, 推測深部天然氣水合物分布、分解、泄露等情況，海底“冷泉”和羽狀流的發育區也常發現天然氣水合物[2-4]。圖4～5為典型參量淺剖淺層氣及羽狀流探測。

圖4 海底天然氣滲漏典型反射剖面特征

圖5 羽狀流特征剖面

隨著深海礦產資源探測的興起，金屬結殼、沉積物分布、厚度的測量成為參量淺剖新的應用方向。日本已研制了兩款基于UUV平臺的參量結殼厚度探測系統[5]，進行錳結殼厚度測量。

圖6 結殼探測

4.2 海洋地質研究及地質災害因素調查

淺層剖面技術越來越多地被應用于大范圍的海洋地質調查工作中，用于揭示海底以下30 m 內的沉積物厚度、分布及地層結構等，結合地質取樣、單道地震、側掃聲吶等其它資料可為全新世地質環境演變、區域地質災害分布、海平面升降、水動力等方面的研究提供科學依據。典型地質研究剖面圖如圖7所示。

圖7 船載參量陣淺剖地質測量界面

4.3 海洋工程勘察

在海洋工程項目的論證和前期設計階段，成本低、效率高、覆蓋面積大的地球物理勘察通常是必選的勘察方法之一。據統計，2003～2007年，環太平洋及南大西洋區域的可收集的 153項海洋工程（以石油管線、跨國光纜、鉆井平臺為主），采用淺地層探測及地震勘探技術（基于聲學震源）的有139項。而國內海洋工程，如跨海大橋、海上風電、石油鉆井等，也越來越多的采用地球物理技術為工程建設服務。典型管道測量剖面如圖8所示。

圖8 管道測量界面

4.4 海底地質屬性分類

人們對海底沉積物的探測更感興趣的是地質屬性的探測，結構探測的目的也是要通過鉆孔取樣等方法來確定層間屬性，最后完成沉積屬性的探測，這也是海洋工程地質的實際需求。

在沉積結構探測中一般只利用聲波的時間特征，聲波的幅度、頻率等其它特征考慮較少。而這些特征與沉積物之間存在著相互作用，使得我們對沉積物屬性的多參數識別成為可能。經過多年的研究及實踐，研究人員已提出了多種海底沉積物聲學識別和分類方法，但都不成熟，自主識別準確度欠佳。

5 發展趨勢

（1）隨著海洋開發活動的需求日益增多和淺地層剖面探測相關技術的發展，需要更精細海底地質結構的探測和海底底質的識別，參量淺剖也將向全覆蓋、深穿透、高分辨率、多波束，深海智能海底層析、自主海底底質分類等方向發展。

（2）復雜水下地形和沉積物的探測，需要能夠發射窄波束的全覆蓋多波束淺地層探測系統，提高地層剖面儀的穿透深度與分辨率，獲取信息量大，可以得到較大面積海底表層沉積物的信息，實現海底剖面系統與地形測量的高層次融合。

（3）計算機和參量陣技術的發展激發了海底特性多類型共點數據融合的需求，因此海底特性探測設備的一體化設計也將是未來發展的趨勢。