聲學地層剖面深水探測研究與開發

丁維鳳，李家彪，蘇希華，張濟博,蔣維杰，韓富江

(1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.上海地海儀器有限公司，上海 201612)

聲學地層剖面深水探測研究與開發

丁維鳳1，2，李家彪2，蘇希華3，張濟博2,蔣維杰2，韓富江2

(1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.上海地海儀器有限公司，上海 201612)

深水淺部地層精細探測是深海地質勘探與資源開發的重要調查內容。與淺水海域聲學地層剖面探測相比，深水地層剖面探測會遇到嚴重的能量衰減、大數據量長時間反射序列采樣、縱向地層分辨率降低以及橫向空間覆蓋率偏稀等問題，為解決這些問題，國外儀器商采用了不同的方法。采取重采樣減少數據量會嚴重影響縱向分辨率；采取MultiPing技術可以很好解決橫向空間覆蓋率問題，但多Ping接收采用海底追蹤變深度范圍采集會造成反射同相軸跳躍突變，或采用短時間間隔采集會造成回波數據無法準確計算海底深度。為了解決這些技術問題，作者研究開發了相關的技術處理方法，解決MultiPing技術反射同相軸拼接改正處理和海底深度記錄延遲處理，這些問題的解決為深水淺部地層精細探測提供了技術保障。

聲學地層剖面；深水探測；MultiPing技術

1 引言

建設海洋強國，維護海洋權益，必須發展深海技術；進軍深海領域，開發深海資源，必須勘探深海海底。深海地質勘探與資源開發不僅要了解海底深部地質構造，更需摸清深海海底淺部地層結構形態、沉積類型與災害地質等，高分辨率聲學地層剖面探測是實現深水海底淺部地層精細勘探的可靠技術。采用Chirp技術的聲學地層剖面儀自20世紀80年代引入海洋地質調查以來[1]，淺水海域(水深在300 m以內)中的聲學地層剖面探測在海洋地質調查中廣泛應用，獲得了大量高質量的淺部地層剖面數據。但在水深超過2 000 m的深水海域，受儀器設備和技術方法的限制，聲學地層剖面探測應用受局限，高質量的深水淺部地層剖面數據難以獲得。

目前國際上能夠探測超過6 000 m水深的聲學地層剖面軟硬件設備比較有限，主要軟硬件設備見表1所列。國外公司銷售的這些軟硬件設備在實際應用中各有優點，但也暴露出各自的缺陷，在深水(水深超過2 000 m)MultiPing(Multiple Pings)功能上，EdgeTech公司的控制參數過于復雜，Benthos公司的ChirpⅢ硬件有該功能但還沒有支持軟件，SonarWiz軟件只能控制單個Ping，且深水單Ping采用了重采樣減少數據量的方法，SyQuest公司通過海底追蹤切除部分水體數據來接收MultiPing數據，追蹤不準會接收錯誤數據體，參量陣設備也是通過避開接收水體中信號，只記錄來自深水海底的有效反射回波。

表1 國外幾款主要的深水地層剖面探測設備

深水海底地層探測相對于淺水地層探測，主要問題突出在有效反射數據體的接收以及橫向空間分辨率的提高等技術上。為實現深水海底淺部地層的高分辨率與橫向高覆蓋率的探測，我們以國外銷售的幾款主要商業軟硬件在應用中出現的問題為參考，探討聲學地層剖面深水探測實際工作中遇到的主要技術問題，研究解決這些問題的技術方法，并在自主研發的基礎上實現深水MultiPing功能的控制與開發。

2 深水地層探測主要問題

2.1 能量衰減

聲學換能器發射的聲波在深海水體中傳播時，會發生球面擴散、介質吸收、透射損失等，其傳播能量會嚴重損失。淺水海域中使用的由4個換能器組合而成的舷掛式或拖曳式聲學剖面儀，如圖1所示，用于深海地層探測，因發射的聲波信號能量有限，大部分能量會被吸收衰減，造成有效反射信號能量非常微弱，淹沒于環境噪音中而無法識別。為彌補深水探測有效信號強吸收衰減的缺陷，儀器制造商通過增加換能器組合數來提高發射聲波的能量，目前國外儀器商采用16個或更多換能器組合成一個大的發射基陣，并固定安裝于船底，如圖2所示，換能器基陣發射大能量的聲波脈沖實現深水地層的精細探測已被應用。

圖1 美國Benthos公司ChirpⅢ系統舷掛式安裝的4個換能器組合Fig.1 The assemble of 4 transducers installed by means of board-hanging in ChirpⅢ system(Benthos Inc，USA)

圖2 美國EdgeTech公司3300系列安裝于船底的5×5換能器組合陣Fig.2 The assemble of 5×5 array of transducers installed on ship’s bottom in serie no. 3300 system (EdgeTech Inc.，USA)

2.2 橫向空間分辨率

深水地層剖面探測采用單Ping發射的時間間隔太大，以6 000 m水深為例，聲波在海水中來去雙程傳播要花費8 s左右的時間，若調查船以穩定的4節速度航行，8 s發射間隔，海底反射點間的橫向間距有16.5 m，實際勘探船速往往會超過4節，這給回波數據帶來了過大的橫向空間間隔，水平覆蓋率太低，造成聲波反射同相軸能量弱，橫向連續性差，目標探測精度不夠。降低現場勘探船速會提高水平覆蓋率，但最慢的2節速度也會有9 m左右的空間橫向間隔，再提高就很難。

2.3 縱向地層分辨率

線性調頻(FM)寬頻帶Chirp子波技術理論上可以分辨出非常薄的地層反射信號，能夠分辨出20 cm以內的薄互層反射，但在深水勘探中，反射信號在深水水體中傳播需要較長時間，接收到的反射信號序列非常長。以2 000 m水深的4 s記錄長度為例，按32 us采樣，其反射記錄樣點序列達125 000個，用標準的SEG-Y格式無法存儲，國際標準SEG-Y格式只能存儲32 767個(215-1)樣點序列[9]。為了解決存儲問題，美國Chesapeake公司的SonarWiz軟件以124 ms的采樣率重新采樣回波數據，減少回波振幅樣點數(重采樣后減為32 258)，確保能夠寫入SEG-Y格式文件中。但重采樣會減低聲學反射數據的縱向分辨率，水深越深，重采樣率數值越大，微細地層反射同相軸的分辨力也變得更差。如圖3所示，3 460 m以下水深的反射剖面上，重采樣后剖面反射同相軸明顯變模糊，同相軸間的分界不明顯，反射層理不清晰，反射形態模糊。

圖3 SonarWiz軟件采集的深水數據經重采樣后的SEG-Y文件剖面顯示Fig.3 Profile of SEG-Y file after re-sampled data for the deep ocean collected by SonarWiz software

2.4 反射同相軸突跳

為滿足標準SEG-Y格式的存儲要求，采取重采樣減少深水反射數據體的方法對縱向分辨率影響比較大，為避免該缺陷，SyQuest公司的Bathy2010系統和Kongsberg公司的TOPAS等參量陣系統都采用追蹤海底深度，采集海底附近部分范圍內的短時間樣點序列，且采集范圍會隨水深變化自動選擇，如圖4a與4b所示。避開長時間反射序列，只記錄部分短時間有效反射信號，必須先追蹤海底反射，現場采集時若能連續正確追蹤海底反射，該方法可以有效避開深水超長樣點序列的采集，只記錄部分有效反射信號，解決了深水數據量大的問題。但海底追蹤很容易受干擾信號的影響，追蹤不準，會采集錯誤的反射數據體，如圖5，圖中在深度范圍改變時的兩處空白數據體位置，因水深變化海底追蹤不準，造成系統選擇的采集深度范圍出錯，并記錄無效的數據，該問題后續處理無法糾正。另外，在海底地形連續變化時，海底追蹤變深度范圍采集會使連續反射同相軸跳躍突變，造成反射同相軸突然中段，反射形態不對，嚴重影響資料的后續處理與解釋，如圖4b和圖5，針對此類數據還需作專門的同相軸拼接處理，正確拼接后才能使用。

圖4 海底追蹤變深度范圍采集窗口選擇示意和采集后的數據剖面Fig.4 The selection of acquisition window for variable depth range during sea bed tracking and profile for data after variable depth range acquisition

圖5 Bathy2010系統變深度范圍采集短時間序列的數據剖面Fig.5 Data profile of short time series acquisition with variable depth range by Bathy2010 system

3 深水地層探測MultiPing功能

3.1 MultiPing功能原理

深水聲學地層剖面探測不僅會遇到能量嚴重衰減的問題，還會遇到大數據量和橫向空間分辨率差的問題。能量衰減可以通過增加聲學換能器組合數來解決，但橫向覆蓋率和大數據量問題采用傳統的采集方法無法解決。在不影響工作效率的情況下，為解決數據量與橫向空間覆蓋率問題，國外儀器商開展了大量的試驗研究，并開發了專門針對深水海域地層剖面高分辨率聲學探測的MultiPing技術采集方法。

圖6 深水地層MultiPing功能探測示意圖Fig.6 Sketch map for MultiPing surveying in deep ocean

MultiPing技術，就是在深水探測過程中，聲學換能器陣短時間內(如1 s)連續向水體發射多個聲學脈沖，保證深水水體橫向短距離內有連續的多個聲學脈沖信號在傳播，如圖6所示。換能器陣發射的同時實時監控回波信息并采集，采集間隔等同于發射間隔(如1 s)，勘探船若以4節船速航行，當每秒都能采集到有效反射信號時，反射剖面上就能獲得橫向空間只有2 m左右間隔的反射波，若采集間隔小于1 s(發射間隔同樣小于1 s)，獲得的反射信號橫向空間分辨率將更高，這充分保證了橫向空間上的高覆蓋，使縱橫兩方向都實現高分辨率探測的目的。

3.2 MultiPing數據改正

MultiPing功能實際探測過程中，如何正確識別有效反射信息特別是回波信號的時間或深度信息是MultiPing深水探測技術的關鍵。前面已提到SyQuest公司采用追蹤海底反射，采集海底面附近有限深度范圍內的反射回波方法，該方法能有效避免大數據量采集，同時通過MultiPing技術解決了橫向空間分辨率的問題，但該方法在海底深度變化時會產生反射同相軸突跳現象，如圖5所示，為了解決該問題，后續需做專門的信號拼接改正處理，否則反射剖面無法解釋。改正方法需要利用多道地震勘探中野外一次靜校正方法原理，處理時先搜尋寫入SEG-Y數據體中各反射回波開始記錄的起始時間(記錄延遲時間)，找出最小起始記錄時間tmin，然后將其余回波的開始記錄時間與其相減，并將結果轉換為離散采樣點數，最后將整個道(Ping)數據按改正量作向后整體“搬家”，簡單計算公式如下：

(1)

通過搜尋最小起始記錄時間，公式(1)中的時差改正量均為正，改正時記錄整體向深度變深方向“搬家”，防止海底及以下地層反射同相軸被搬到采集深度范圍以外而無法顯示。采用上面思路，對圖5由SyQuest公司Bathy2010系統現場采集存儲的SEG-Y數據進行改正處理，改正結果如圖7所示，改正后海底及以下地層的反射同相軸連續性變好，反射形態完整，剖面上的兩處空白是因現場采集時實時海底追蹤不準造成采集數據體不對，稍大空白還造成處理時海底追蹤不準，接收數據體正常后追蹤能正確歸位。

圖7 對圖5數據進行時移改正后顯示的正確剖面Fig.7 Revised profile from Fig.5 by delay time correction

3.3 MultiPing記錄延遲計算

MultiPing技術向深水水體連續發射了許多大能量聲波脈沖，對應就會有連續從海底地層反射回來的回波，以美國Benthos公司生產的ChirpⅢ系統為例，其聲學換能器陣按發射間隔連續采集回波數據，采集的回波長度等于發射間隔，如1 s的間隔發射，其采集回波長度也為1 s。但該系統無法確認接收的反射回波是何時發射出去的，也就無法確認回波在水體和地層中傳播了多長時間，因此所接收的反射回波實際長度不能確認，系統只能將采集到的1 s長回波起始記錄時間設置為0，對應的起始深度也為0，這就造成反射剖面上顯示的海底反射同相軸深度與實際海底明顯不一致，如圖8所示。為了解決該問題，ChirpⅢ采集系統需要人工輸入深度參考值，該參考值可以為實際水深，也可以為回波上追蹤到的海底深度與實際深度之差值，定為初始深度。

輸入實際水深計算接收回波的起始深度方法，主要利用反射波雙程傳播時間與實際接收回波長度的倍數關系來換算，計算公式如下:

(2)

式中，H為從反射剖面上計算獲得的海底深度，該深度由反射回波實時海底追蹤深度h追蹤與計算獲得的起始采集深度h起始相加得到，N表示人工輸入的實際水深h實際是剖面儀采集到的回波長度L記錄的多少整數倍，即實際深水水體中有多少個與剖面儀記錄回波長度相等的信號，再將其與記錄長度L記錄相乘就得到起始記錄深度h起始，進一步轉換成記錄延遲時間t延遲，并將該值隨回波信號實時寫入SEG-Y數據體中，后續回放和處理解釋時就可以利用該延遲時間正確顯示海底深度。

輸入初始水深需要人工換算起始采集深度，方法是將測深儀上顯示的海底深度與接收回波上追蹤的海底深度兩者相減，將差值作為起始采集深度輸入到采集系統，采集系統利用該值就可以計算出延遲記錄時間，并寫入SEG-Y數據體中。

按照上面思路，輸入測深儀上顯示的海底深度值或人工直接計算的起始記錄深度值到自主研發的ChirpⅢ采集系統中，輸入后系統顯示的正確深度范圍如圖9所示，圖中的剖面數據經過了涌浪改正處理及海底追蹤分段TVG處理。

圖8 美國Benthos公司ChirpⅢ系統采集的深水MultiPing原始剖面Fig.8 The original profile drawn by raw data collected by MultiPing survey with ChirpⅢ system (Benthos Inc.，USA)

4 總結

聲學地層剖面深水精細地層探測不僅要解決縱向地層分辨率的問題，還要解決橫向空間覆蓋率的問題。深水地層探測反射時間序列都很長，采用單Ping重采樣技術不僅會降低剖面縱向分辨率，還無法滿足橫向空間高覆蓋的要求，此時需要采用深水MultiPing技術。為了解決深水長反射序列信號，MultiPing技術都只記錄海底反射信號附近的短時間反射序列信號，因此海底追蹤變深度范圍采集或按發射間隔短時間采集是兩種主要采集方法，海底追蹤變深度范圍采集會帶來反射同相軸中斷突跳問題，需要作專門的同相軸拼接改正處理，按發射間隔短時間采集會帶來錯誤的海底深度問題，此時需要利用參考水深值并實時計算記錄延遲，兩類問題都在自主研發的采集系統中圓滿解決。

圖9 經采集延遲深度改正與涌浪改正處理后的圖8剖面顯示Fig.9 Revised profile from Fig.8 by time delay and swell correction

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Technology research and development for acoustic subbottom survey in deep sea

Ding Weifeng1，2，Li Jiabiao2，Su Xihua3，Zhang Jibo2，Jiang Weijie2，Han Fujiang2

(1.OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.TheSecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 3.GeoMarineTechnologyCo.Ltd，Shanghai201612，China)

Detailed survey of acoustic subbottom is important for deep ocean geological exploration and resource exploitation. Compared to survey in shallow ocean water，deep sea survey faced some serious problems such as energy strongly attenuation，long reflection time series and large digital data size，the vertical stratigraphic resolution reduction，and low transverse space coverage. In order to resolving these problems，main instrument manufactures in the world adopted different possible methods. For example，resampling long reflection time series can decrease the data size，but it strongly reduce vertical stratigraphic resolution. Taking MultiPing technology can solve the transverse space coverage well，but its variable depth range acquisition by seafloor reflection tracking will cause serious jumping off in reflection events，or it cannot get the correct seafloor reflection depth by acquisition with MultiPing transmitting interval. This study further independently developed some related technologies，and correctly solved the reflection events’ jumping off，and got the recording time delay in computing the deep seafloor depth. All these technologies obtained in the present study will provide some technical support for future acoustic subbottom detailed survey in deep sea．

acoustic subbottom; survey in deep sea; MultiPing technology

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.007

2014-06-30；

2015-01-19。

2014年度南極周邊海域海洋地球物理考察(CHINARE2014-01-03)；2013年度南極環境綜合分析與評價(CHINARE2013-04-01)；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項資助項目(JT1004，JG1201)。

丁維鳳(1978—)，男，江西省德安縣人，教授級高工，主要從事海洋地球物理勘探與研究工作。E-mail：fwxf1769@126.com

P631.4；P714.8

A

0253-4193(2015)06-0070-08

丁維鳳，李家彪，蘇希華，等. 聲學地層剖面深水探測研究與開發[J].海洋學報，2015，37(6)：70-77，

Ding Weifeng，Li Jiabiao，Su Xihua，et al.Technology research and development for acoustic subbottom survey in deep sea[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(6)：70-77，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.007