Teledyne Benthos TTV-301聲學(xué)深拖系統(tǒng)在海底微地形地貌調(diào)查中的應(yīng)用

郭 軍,馮強(qiáng)強(qiáng),溫明明,牟澤霖,曹 明,萬(wàn) 芃,王愛(ài)學(xué),馬金鳳

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760;2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006;3.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋研究院，湖北 武漢 430079)

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是一種高效高分辨率的海底聲學(xué)探測(cè)技術(shù)手段，能夠?yàn)楦呔鹊暮５孜⒌匦蔚孛蔡綔y(cè)提供厘米級(jí)的聲學(xué)圖像，從而精細(xì)刻畫(huà)海底形態(tài)，并對(duì)海底的微地形地貌特征進(jìn)行定性的描述[1-4]；淺地層剖面系統(tǒng)可穿透海底表面，對(duì)海底表面一定厚度的地層進(jìn)行探測(cè)，可精細(xì)勾畫(huà)海底表面以下的地質(zhì)構(gòu)造及海底底質(zhì)；多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠提供高精度的海底位置信息，構(gòu)建高精度的海床DEM，為海底目標(biāo)物及地形地貌提供準(zhǔn)確的地理位置信息；若能將上述3種海底聲學(xué)探測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行融合疊加應(yīng)用，可為海底微地形地貌的立體探測(cè)與識(shí)別提供高分辨率高精度三維可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的海底微地形地貌分析與研究提供科學(xué)可靠的技術(shù)保障。

近年來(lái)隨著我國(guó)清潔能源天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目的深度開(kāi)展以及天然氣水合物先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的建立，采用常規(guī)的手段與作業(yè)方式進(jìn)行海底聲學(xué)探測(cè)已難以滿足天然氣水合物資源勘查的迫切需求。常規(guī)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)與淺地層剖面系統(tǒng)多用于江河湖泊，作業(yè)水深較淺，一般多為100 m左右，直接采用電纜拖曳即可作業(yè)，且由于儀器設(shè)備不能集成，故需要設(shè)計(jì)不同的航次來(lái)分別完成數(shù)據(jù)的采集，而天然氣水合物試驗(yàn)區(qū)多位于水深約1 000～2 000 m的深海海域，兩者的作業(yè)環(huán)境完全不同。

聲學(xué)深拖系統(tǒng)是一種可在深海海域進(jìn)行海底微地形地貌探測(cè)的海洋裝備，其搭載了側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、淺地層剖面系統(tǒng)和多波束測(cè)深系統(tǒng)，配備有壓載器、拖體、復(fù)合電纜、絞車、甲板單位、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀、溫度傳感器、海水鹽度傳感器及水下定位信標(biāo)等輔助設(shè)備。作業(yè)方式為通過(guò)光電復(fù)合電纜連接壓載器與拖體，采用拖曳方式將拖體放至近海底來(lái)進(jìn)行高精度高分辨率的地形地貌、淺表層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。

在國(guó)外，Ines Dumke等利用DTS-1聲學(xué)深拖系統(tǒng)對(duì)新西蘭希庫(kù)朗伊地區(qū)海底進(jìn)行聲學(xué)探測(cè)，綜合多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶及淺地層剖面3種聲學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了冷泉在不同發(fā)展階段的聲學(xué)特征標(biāo)識(shí)[5]；Derman DondururCar等利用DT2000聲學(xué)深拖系統(tǒng)對(duì)伊茲密爾灣進(jìn)行海底探測(cè)，在聲學(xué)圖像上發(fā)現(xiàn)了表層水合物和活麻坑[6]。在國(guó)內(nèi)，徐建等利用聲學(xué)深拖系統(tǒng)對(duì)西太平洋的馬爾庫(kù)斯-威克海嶺一帶的海山進(jìn)行調(diào)查，為富鈷結(jié)殼資源的探測(cè)提供了科學(xué)參考[7]。劉曉東等對(duì)不同類型的聲學(xué)深拖系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜合分析對(duì)比，認(rèn)為弱正浮力型深拖系統(tǒng)最為適合于天然氣水合物的資源調(diào)查[8]。

本文以南海某海域?qū)崪y(cè)聲學(xué)深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)為例，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理軟件，對(duì)側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，形成高分辨率、高精度的海底微地形地貌2D圖像，構(gòu)建三維可視化海底地形地貌3D圖像，通過(guò)對(duì)上述聲學(xué)圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)海底的微地形地貌清晰可辨，目標(biāo)物輪廓清晰，各種地形地貌長(zhǎng)度及寬度可測(cè)量，表明聲學(xué)深拖系統(tǒng)完全能夠滿足天然氣水合物資源勘查對(duì)海底微地形、微地貌、淺層構(gòu)造高分辨率探測(cè)的要求，為下一步的天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)開(kāi)采、井場(chǎng)選位定位提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 聲學(xué)深拖系統(tǒng)

1.1 Teledyne Benthos TTV-301

TTV-301是由美國(guó)Teledyne Benthos公司生產(chǎn)的一款適用于深海復(fù)雜海底環(huán)境的聲學(xué)深拖系統(tǒng)[9]，其拖體搭載3種聲學(xué)系統(tǒng)：側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)及淺地層剖面系統(tǒng)，配備有定位和輔助設(shè)備，同時(shí)也可以根據(jù)用戶的需求搭載其他聲學(xué)設(shè)備。最大工作水深為6 000 m，集成所有設(shè)備后正浮力約為91 kg，作業(yè)速度為2～4海里/h；作業(yè)時(shí)姿態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)，最大橫搖和縱搖角度為1°，周期為5s，上下升沉約0.15 m。一次作業(yè)可同時(shí)獲取側(cè)掃聲吶資料、多波束測(cè)深資料及淺地層剖面資料，不同聲學(xué)設(shè)備相互之間的信號(hào)干擾較少，極大地改變了傳統(tǒng)的海底微地形微地貌探測(cè)技術(shù)手段，圖1為Teledyne Benthos TTV-301聲學(xué)系統(tǒng)作業(yè)示意圖，圖2為海上作業(yè)時(shí)的拖體實(shí)物。

圖1 TTV-301聲學(xué)系統(tǒng)作業(yè)示意圖

1.2 聲學(xué)系統(tǒng)

Klein UUV3500系統(tǒng)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由美國(guó)L-3 KLEIN公司生產(chǎn)的一款側(cè)掃聲吶系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)適用于深海作業(yè)，采用雙頻技術(shù)，可同時(shí)工作，內(nèi)置的姿態(tài)傳感器能夠精確測(cè)量提供拖體姿態(tài)/加速度數(shù)據(jù)來(lái)支持圖像穩(wěn)定波束形成。

Reson SeaBat 7125是由TELEDYNE Reson公司生產(chǎn)的一款高性能的多波束系統(tǒng)。其測(cè)深范圍為0.5～500 m,橫搖穩(wěn)定性高，在最大可用條帶覆蓋下可實(shí)現(xiàn)橫搖穩(wěn)定。采用鈦合金導(dǎo)流罩，最大工作水深為 6000 m，發(fā)射頻率為200 kHz或者400 kHz。

Teledyne Benthos Chirp III是由美國(guó)Teledyne Benthos 公司生產(chǎn)的一款模塊化的淺地層剖面系統(tǒng)[11]，可安裝于船體或者搭載于拖魚(yú)中。該系統(tǒng)采用雙通道，雙頻率作業(yè)模式，結(jié)合Chirp技術(shù)和常規(guī)連續(xù)波(CW)技術(shù)，可獲取海底高分辯率的淺地層剖面。

2 試 驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2017年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局使用Teledyne Benthos TTV-301聲學(xué)深拖系統(tǒng)在南海某海域進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)區(qū)域水深約2 000 m左右，海底地形復(fù)雜多變。多波束采用100%海底全覆蓋模式作業(yè)；側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)記錄采用Klein 3500軟件，數(shù)據(jù)格式為XTF，單邊量程為300 m，雙頻作業(yè)100/400 kHz；淺地層剖面頻率2～7 kHz，穿透深度10～100 m之間；壓載器距海底高度約100 m，拖體距海底高度約80 m，光電復(fù)合電纜投放長(zhǎng)度約4 km，船速保持為2.5節(jié)～3節(jié)之間。定位系統(tǒng)采用綜合導(dǎo)航系統(tǒng),包括:Hypack導(dǎo)航系統(tǒng)、Versipos LD4S接收機(jī)、Ranger2 Pro超短基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)。圖3為測(cè)線布設(shè)示意圖。

圖3 測(cè)線布設(shè)示意圖

2.2 多波束水深數(shù)據(jù)

圖4為多波束水深圖，從圖中可以看出海底地貌主要以海丘、海槽、海底水道、海底峽谷、深海平原等地貌為主；海底地形由西北向東南傾斜，在陸架區(qū)斜坡帶水深線走向大體與海岸線平行，水深1 300～2 230 m，地形變化相對(duì)平緩，坡度約0.7°。

圖4 多波束水深圖(m)

由于海底底流的沖刷作用，發(fā)育陸坡海脊與陸坡海谷地形；整個(gè)區(qū)域呈弧狀分布，大致與等深線平行，調(diào)查區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)約55 km；最高的海脊位于調(diào)查區(qū)東北部，海脊底部至頂部約為150 m，頂部平緩，地形及剖面如圖5—圖6所示；區(qū)域內(nèi)海谷的深度差從40～60 m不等，地形及剖面如圖7—圖8所示。

調(diào)查區(qū)東南部分布西沙海槽的中央水道，工區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度約為9 km，寬度約為8.6 km，地形如圖9—圖10所示，谷內(nèi)深度從幾十米到幾百米，沿海谷方向逐步變深。

圖5 多波束水深圖(Line-1)

圖6 Line-1對(duì)應(yīng)水深剖面圖

圖7 多波束水深圖(Line-2)

圖8 Line-2對(duì)應(yīng)水深剖面圖

圖9 多波束水深圖(Line-3)

圖10 Line-3對(duì)應(yīng)水深剖面圖

2.3 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)原始的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航編輯、海底線精確跟蹤、斜距改正、速度校正、TVG校正、NADIR校正之后，生成單條帶的側(cè)掃聲吶圖像，再經(jīng)過(guò)圖像拼接處理之后，生成整個(gè)工區(qū)的大面積無(wú)縫的側(cè)掃聲吶圖像[12-14]，如圖11所示，采用兩種色標(biāo)來(lái)標(biāo)記：一種為灰色，一種銅色。

從圖11可以看出，經(jīng)過(guò)必要的處理之后，整個(gè)工區(qū)的側(cè)掃聲吶圖像色調(diào)基本保持高度一致，拼接痕跡基本得到消除，北部地形地貌較為突出，南部海底底質(zhì)較為單一；同時(shí)能清晰的看到兩條帶狀的痕跡，這與多波束水深圖中的水道相互吻合，分析認(rèn)為是水道邊緣強(qiáng)反射所致。圖12展示了側(cè)掃聲吶圖像上的海底地形地貌，其中a為砂質(zhì)海底，b為小山脊，黑色陰影為聲波無(wú)法到達(dá)所致，c為圓形凸起，d為海底異常亮班，e和f為連續(xù)多個(gè)小凹坑。

圖12 側(cè)掃聲吶海底微地形地貌圖像

2.4 淺地層剖面數(shù)據(jù)

淺地層剖面經(jīng)過(guò)初步處理之后，可以清晰地看出海底表床的起伏形態(tài)，如圖13所示。同時(shí)可以看出，存在一定程度的噪音干擾，一種是“多路徑效應(yīng)”，呈現(xiàn)出一條與海底表床起伏形態(tài)完全一樣的信號(hào)；另外一種是“鏡像”，呈現(xiàn)出一條與海底表床起伏形態(tài)完全相反的信號(hào)。除上述類型噪音外，還呈現(xiàn)出規(guī)律性的“斜杠”噪音。

盡管存在一定程度的噪音，但淺地層剖面仍清晰地反映了海底的起伏狀態(tài)和海底淺表層內(nèi)部構(gòu)造，如圖13所示。圖13展示了5條淺地層剖面，從圖中可以看出海底的起伏狀態(tài)清晰可辨，地形的走勢(shì)明顯，其中Line-1測(cè)線展示了凸起的小山包，且每一個(gè)小山包下均呈現(xiàn)出異常亮斑，整條測(cè)線海底聲強(qiáng)反射信號(hào)差別較大，表明海底淺表層底質(zhì)類型較為復(fù)雜，結(jié)合已有海底地質(zhì)取樣資料，綜合判斷研究區(qū)域海底多為基巖、砂石等。

圖13 淺地層剖面圖像

2.5 聲學(xué)數(shù)據(jù)融合

多波束數(shù)據(jù)、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)從不同的角度反映了海底的微地形地貌及海底淺層地質(zhì)構(gòu)造，利用地理坐標(biāo)對(duì)3種聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的配準(zhǔn)與融合[15]，實(shí)現(xiàn)海底表層的綜合立體探測(cè)，進(jìn)行對(duì)比分析、相互驗(yàn)證，可精細(xì)還原真實(shí)的海底微地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造。

圖14為同區(qū)域的3種聲學(xué)2D圖像，上面的為多波束水深圖，中間的為側(cè)掃聲吶圖，下面的為淺地層剖面圖。圖15為多波束和側(cè)掃聲吶疊加3D圖像。從圖14中可以看出，側(cè)掃聲吶圖像呈現(xiàn)出3個(gè)非常明顯的凸起，大小各異，與多波束水深圖中的起伏地形非常吻合，同時(shí)淺地層剖面圖像也印證了側(cè)掃聲吶圖像中的凸起地形。3種聲學(xué)數(shù)據(jù)高度吻合，相互印證，進(jìn)一步提高了微地形地貌判讀的準(zhǔn)確性與可靠性。通過(guò)融合處理，實(shí)現(xiàn)同一地貌地形的水深、紋理特征、海底底質(zhì)類型信息的無(wú)縫對(duì)接，初步形成海底淺表層的立體探測(cè)。

圖14 同區(qū)域的3種聲學(xué)2D圖像

圖15 多波束和側(cè)掃聲吶疊加3D圖像

3 結(jié)果與分析

深拖系統(tǒng)拉近了聲學(xué)設(shè)備與海底的距離，從而可以獲取更加精細(xì)的聲學(xué)數(shù)據(jù)。多波束水深數(shù)據(jù)成圖之后，可從水深圖中查看海底的微地形地貌，同時(shí)可以對(duì)各種微地貌進(jìn)行精確的測(cè)量，例如山谷、山脊、坍塌等地貌地形的長(zhǎng)寬高幾何信息；側(cè)掃聲吶圖像則清晰呈現(xiàn)了海底表面的紋理特征圖像，探測(cè)出海底的異常亮斑、小山脊、圓形凸起地形、凹陷地形等；淺地層剖面呈現(xiàn)出海底表面的起伏狀態(tài)，內(nèi)部聲強(qiáng)的差異表明了內(nèi)部構(gòu)造底質(zhì)類型的復(fù)雜性，不同層介之間的也呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的聲學(xué)差異。

從聲學(xué)圖像中可以看出，各種海底微地形地貌清晰可辨，從不同的角度對(duì)同一微地形地貌進(jìn)行精細(xì)的量測(cè)，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)微地形地貌的立體綜合探測(cè)；同時(shí)對(duì)同一微地形地貌在不同聲學(xué)影像上的反映標(biāo)識(shí)有了一定程度的認(rèn)識(shí)，這對(duì)下一步聲學(xué)影像的深度融合和信息挖掘奠定了必要的研究基礎(chǔ)，同時(shí)也為天然氣水合物異常目標(biāo)物的精準(zhǔn)探測(cè)提供一種全新的科學(xué)可靠的技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹TTV-301聲學(xué)深拖系統(tǒng)在海底微地形地貌調(diào)查中的應(yīng)用，并以南海某海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)介紹深拖系統(tǒng)海上作業(yè)的模式及方式方法、并對(duì)獲取的聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，得到高質(zhì)量、高分辨率的側(cè)掃聲吶圖像、高精度的水深圖、高分辨率的淺地層剖面構(gòu)造。通過(guò)對(duì)以上聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的融合疊加處理，對(duì)比分析同一微地形地貌在不同聲學(xué)影像上的特征標(biāo)識(shí)，從不同角度對(duì)微地形地貌進(jìn)行立體探測(cè)與識(shí)別，取得理想的效果。同時(shí)也存在一些問(wèn)題：如不同聲學(xué)影像的分辨率不一致性，融合處理過(guò)程中如何取舍；不同聲學(xué)影像定位精度的差異性等，這些將是下一步研究的重點(diǎn)方向。

深拖系統(tǒng)大大縮短了聲學(xué)儀器設(shè)備與海底的距離，提高了聲學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，為海底微地形地貌的探測(cè)與識(shí)別提供了一種新型的可靠的技術(shù)手段，具有其他技術(shù)手段所不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著天然氣水合物資源的深入開(kāi)發(fā)以及先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的建立，利用深拖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷泉及其周圍環(huán)境的精確立體探測(cè)，為天然氣水合物靶場(chǎng)的標(biāo)定提供科學(xué)可靠的可視化數(shù)據(jù)。