探測深海富鈷結(jié)殼厚度的參量陣聲吶系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

馮海泓，任曉寰,2，黃敏燕，楊震亞

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海201815；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

0 引 言

富鈷結(jié)殼又稱鈷結(jié)殼、鐵錳結(jié)殼，是生長在深海海山上的殼狀礦床。礦石中鈷的品位最高達(dá)1.2%，是多金屬結(jié)殼中鈷含量的4倍，高出陸地原生鈷礦幾十倍[1]，因而名為富鈷結(jié)殼；同時(shí)含有鈦、鈰、鎳、鋯和稀土等多種金屬元素，是一種開發(fā)價(jià)值較大的戰(zhàn)略資源。然而，結(jié)殼的分布十分不均勻，厚度通常在10～250 mm之間變化[2]。到目前為止，測量結(jié)殼厚度最準(zhǔn)確的方法是通過巖心取樣。這種方式雖然可靠性好，但單個(gè)點(diǎn)采樣效率低，不利于對(duì)結(jié)殼區(qū)厚度進(jìn)行大范圍探測。

目前，淺地層剖面儀、測深側(cè)掃系統(tǒng)、多波束系統(tǒng)、三維(3D)海底成像系統(tǒng)等聲學(xué)探測系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于富鈷結(jié)殼資源的探測和識(shí)別，但是尚未開展結(jié)殼厚度測量研究。對(duì)于結(jié)殼厚度的測量問題，常規(guī)探測系統(tǒng)對(duì)于較薄的結(jié)殼層來說分辨率欠佳[3]，針對(duì)該問題，本文提出了一種對(duì)富鈷結(jié)殼進(jìn)行聲學(xué)原位探測的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用參量陣技術(shù)發(fā)射探測信號(hào)，通過對(duì)結(jié)殼上下表面的回波到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)殼厚度的估計(jì)。

1 探測系統(tǒng)原理

由聲學(xué)原理可知，在介質(zhì)聲阻抗發(fā)生改變的邊界處存在聲反射現(xiàn)象。鈷結(jié)殼的聲阻抗在5.6×106kg·m-2·s-1左右；基巖的類型較多，主要以玄武巖為主，聲阻抗約為16.6×106kg·m-2·s-1[2]，可見，結(jié)殼的聲阻抗與基巖存在明顯差異。因此，如果結(jié)殼內(nèi)部的聲速已知，那么結(jié)殼-水界面和結(jié)殼-基巖界面處會(huì)發(fā)生聲反射，通過測量結(jié)殼上下表面反射波的到達(dá)時(shí)間，可以計(jì)算出結(jié)殼的厚度。

參量陣聲吶設(shè)備體積小、指向性高，而且差頻聲束無旁瓣，能夠避免引入虛假地層，多用于全海域地形地貌測量[4]。Westervelt最早提出了參量陣?yán)碚揫5]，他僅考慮兩個(gè)單頻信號(hào)共軸發(fā)射的情況，產(chǎn)生的差頻波只有一個(gè)頻率成分，通常稱為雙頻參量陣。Berktay等在其基礎(chǔ)上研究了輸入信號(hào)為寬帶信號(hào)的情況，提出幅度調(diào)制的方法，使得參量陣技術(shù)進(jìn)一步得到了發(fā)展[6]。

寬帶參量陣?yán)碚撝校僭O(shè)發(fā)射信號(hào)為

式中：p0是原頻波的振幅；E(t)是原頻的包絡(luò)，通常是一個(gè)寬帶信號(hào)，則遠(yuǎn)場聲軸上的差頻聲壓為[3]

式中：ρ0是介質(zhì)的密度；β是非線性系數(shù)；t為時(shí)間；α0是原頻的吸收系數(shù)；c0是介質(zhì)中的聲速；R是場點(diǎn)到聲源的距離；s為發(fā)射換能器的面積。式(2)表明，經(jīng)過介質(zhì)的自解調(diào)后，寬帶聲參量陣得到的差頻波的聲壓和原頻包絡(luò)平方的兩次微分成正比。

參量陣體積小，指向性好，但存在轉(zhuǎn)換效率低的問題。參量陣的轉(zhuǎn)換效率與差頻波和原頻波的頻率比、原頻的輻射功率、傳輸介質(zhì)特性[7]以及包絡(luò)調(diào)制方式[8]等因素有關(guān)，通常只有1%左右[9]。因此入射到結(jié)殼內(nèi)部的差頻波的聲壓級(jí)較小，而且，由于結(jié)殼表面粗糙，引起聲波的散射和折射，故結(jié)殼與基巖界面的回波很容易淹沒在噪聲中難以提取。

為了減少噪聲和干擾對(duì)回波的影響，系統(tǒng)在兩個(gè)接收通道分別加入6階巴特沃斯型濾波器。濾波器的中心頻率分別為1 MHz和100 kHz，通帶帶寬分別為200 kHz和20 kHz，阻帶衰減為80 dB，以減少噪聲和干擾對(duì)回波信號(hào)的影響。

1.1 回波多脈沖疊加

當(dāng)系統(tǒng)搭載平臺(tái)定點(diǎn)作業(yè)或運(yùn)動(dòng)速度較慢時(shí)，多個(gè)周期的回波可以認(rèn)為是某點(diǎn)的多次測量結(jié)果，將某一時(shí)間段內(nèi)的多個(gè)回波脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加，利用信號(hào)之間的相關(guān)性和噪聲之間的不相關(guān)性，可以增加信號(hào)的強(qiáng)度[10]，使得淹沒在噪聲里的回波信號(hào)凸顯出來，從而提高信噪比。

假設(shè)在某次定點(diǎn)探測中，換能器接收的回波信號(hào)為

對(duì)N個(gè)周期的回波信號(hào)進(jìn)行疊加后的結(jié)果為

式中，n(t)為噪聲，s(t)為信號(hào)。假設(shè)輸入信號(hào)功率為，輸入噪聲方差為，且各個(gè)噪聲之間是相互獨(dú)立的，則N次疊加后的噪聲方差為，由于信號(hào)是相關(guān)的，則疊加后的信號(hào)功率是。因此，理想情況下疊加后的信噪比為

由此可見，理想情況下N個(gè)回波信號(hào)疊加后的信噪比相比單個(gè)脈沖情況下提高了 10lgNdB。故疊加脈沖數(shù)越多，信噪比提高得越多。這在定點(diǎn)測試中是比較容易實(shí)現(xiàn)的，測量設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，可以將多個(gè)周期的回波信號(hào)進(jìn)行疊加。但在走航式作業(yè)情況下，測量平臺(tái)快速航行或者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，多個(gè)脈沖可能來自不同的探測位置，多個(gè)反射波之間的相關(guān)性有所減弱，該方法則不適用。

下面給出某次定點(diǎn)探測實(shí)驗(yàn)中，回波多脈沖疊加的結(jié)果。將10幀信號(hào)進(jìn)行疊加，單次回波信號(hào)和疊加后的信號(hào)如圖1所示。經(jīng)計(jì)算多脈沖疊加后的原頻信號(hào)信噪比相對(duì)單幀信號(hào)平均提高了6.2 dB，多脈沖疊加后的差頻信號(hào)信噪比相對(duì)單幀信號(hào)平均提高了6.8 dB。

1.2 雙頻時(shí)延估計(jì)

假設(shè)結(jié)殼中的聲速已知，對(duì)水-結(jié)殼界面和結(jié)殼基巖界面的回波到達(dá)時(shí)間分別進(jìn)行估計(jì)，通過計(jì)算兩者的時(shí)延差可以計(jì)算出此處結(jié)殼的厚度。信號(hào)的包絡(luò)包含了到達(dá)時(shí)間的信息，利用包絡(luò)信號(hào)來估計(jì)到達(dá)時(shí)間已成功應(yīng)用于目標(biāo)的定位和測量中[11]，故對(duì)疊加后的回波信號(hào)取包絡(luò)信號(hào)，再利用包絡(luò)信號(hào)估計(jì)回波的到達(dá)時(shí)刻。

圖1 單次回波信號(hào)和疊加10次后的回波信號(hào)對(duì)比圖Fig.1 Comparison of single echo signal and the echo signal after 10 times superposition

探測系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)為大功率原頻波，由于是在近距離(距離結(jié)殼層0.5～1 m處)對(duì)結(jié)殼進(jìn)行測量，而且水中原頻波的吸收系數(shù)比較小(約為0.26 dB·m-1)，故原頻波的回波幅度較大。相關(guān)研究指出[2]，結(jié)殼層中的聲吸收系數(shù)約為(6.37±1.8) dB·MHz-1·cm-1，由于結(jié)殼層的衰減效應(yīng)，結(jié)殼-基巖界面的原頻反射波已經(jīng)難以被接收端檢測到。考慮差頻波入射的情況，由于頻率較低，差頻波在結(jié)殼層中的衰減要小于原頻波，能夠穿透結(jié)殼層[2]反射回接收端，但是受到轉(zhuǎn)換效率低的制約，回波幅度較小。原頻和差頻的回波信號(hào)如圖2所示。

從圖2中可見，結(jié)殼上表面的回波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)大約在0.001 1 s左右，從原頻回波信號(hào)中比較容易確定這一點(diǎn)，但是差頻回波信號(hào)受到外界干擾的影響，難以直接從信號(hào)包絡(luò)中確定結(jié)殼上表面以及下表面的回波到達(dá)時(shí)間(見圖2(b))。故借鑒超聲雙頻組合利用[12]的思想，提出一種雙頻延時(shí)估計(jì)方法。該方法首先利用幅度較大的原頻波確定結(jié)殼上表面回波的到達(dá)時(shí)刻，然后利用穿透性較好的差頻波確定結(jié)殼下表面的回波到達(dá)時(shí)刻，通過計(jì)算兩個(gè)回波到達(dá)的時(shí)延差，從而估計(jì)出結(jié)殼層厚度。

圖2 原頻和差頻的回波信號(hào)Fig.2 Primary frequency and difference frequency echo signals

采用雙通道延時(shí)估計(jì)方法測量結(jié)殼厚度的軟件流程圖如圖3所示。在接收差頻回波的同時(shí)，系統(tǒng)接收原頻波的反射回波，根據(jù)原頻波的包絡(luò)信號(hào)可以確定結(jié)殼上表面回波的到達(dá)時(shí)刻，結(jié)殼-基巖層界面回波的到達(dá)時(shí)刻可以通過對(duì)差頻回波信號(hào)進(jìn)行處理，采用峰值檢測的方法進(jìn)行確定。

圖3 結(jié)殼厚度測量流程圖Fig.3 Flow chart of crust thickness measurement

2 探測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)基陣采用球形凹面陣設(shè)計(jì)。陣面曲率半徑為750 mm，球缺底面直徑為230 mm，陣面環(huán)形排布24個(gè)發(fā)射通道，發(fā)射采用幅度調(diào)制方式，原頻波頻率為 1 MHz，差頻波頻率為 100 kHz，發(fā)射聲壓級(jí)為220 dB，陣元瞬時(shí)功率可達(dá)250 W，產(chǎn)生的差頻波聲壓級(jí)約為186 dB。陣面中心位置安裝兩個(gè)接收通道，分別接收原頻回波和差頻回波，采樣率分別為5 MHz和500 kHz。

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由主控板、信號(hào)調(diào)理采集板、功放板和底板組成。主控板是基于NI公司SbRio-9607采集模塊開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)射信號(hào)相控以及信號(hào)發(fā)射和接收。

系統(tǒng)軟件分為顯控軟件模塊和水下控制軟件模塊顯控軟件模塊為操作者進(jìn)行聲學(xué)測量提供參數(shù)輸入窗口，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)，以及測量過程中的波形圖、趨勢圖等；水下控制軟件模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，和主控計(jì)算機(jī)之間的通信選用傳輸控制(transmission control protocol, TCP)協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

系統(tǒng)軟件采用客戶機(jī)-服務(wù)器的模式。水下控制軟件作為服務(wù)器方，負(fù)責(zé)創(chuàng)建通信端口，并偵聽請求；當(dāng)客戶端(主控機(jī))提出連接請求時(shí)，服務(wù)器端響應(yīng)連接，建立起安全可靠的連接。

3 系統(tǒng)性能測試及應(yīng)用

系統(tǒng)完整的工作流程為：載體下潛過程中打開噪聲采集模塊，采集海洋環(huán)境噪聲。到達(dá)海底探測區(qū)域后，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)聲波發(fā)射采集模塊工作；聲波發(fā)射模塊中的功放板生成設(shè)計(jì)好的脈沖波形，將信號(hào)放大并發(fā)送給發(fā)射換能器；發(fā)射換能器產(chǎn)生周期性的探測脈沖。聲波采集模塊同步開始工作，接收和處理來自接收換能器的信號(hào)，并把波形和計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在主控計(jì)算機(jī)上。

圖4給出了系統(tǒng)探測過程中某一站點(diǎn)顯控軟件的部分結(jié)果圖。圖4(a)、4(b)給出了高頻通道和低頻通道接收回波多脈沖疊加后的原始波形，圖4(c)、4(d)是對(duì)應(yīng)的包絡(luò)信號(hào)，圖4(e)、4(f)給出了結(jié)殼厚度和離底高度的估計(jì)值。

圖4 探測系統(tǒng)顯控軟件結(jié)果圖Fig.4 Processing results of display-control software of detection system

經(jīng)分析可知，0～0.000 5 s(圖 4(b))的信號(hào)是外界的干擾信號(hào)，從圖4(b)中可以看出，雖然引入了回波多脈沖疊加技術(shù)抑制噪聲，相對(duì)原頻回波信號(hào)，差頻回波的幅度仍小于干擾信號(hào)的幅度，若直接對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行峰值檢測，會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。而采用雙通道延時(shí)估計(jì)方法，可以從原頻回波的到達(dá)時(shí)刻確定差頻波的直達(dá)回波到達(dá)時(shí)刻，從而避開之前干擾信號(hào)的影響，準(zhǔn)確地確定前表面和后表面的回波到達(dá)時(shí)刻。假設(shè)結(jié)殼聲速均勻不變的前提下，系統(tǒng)可以給出結(jié)殼的厚度變化趨勢。

對(duì)于結(jié)殼層厚度的計(jì)算，系統(tǒng)中選取的結(jié)殼中的聲速為2 500 m·s-1，相應(yīng)地計(jì)算得到該站點(diǎn)的結(jié)殼厚度為14 cm。潛器搭載有遙控?zé)o人潛水器鉆機(jī)，在該站位成功地鉆取到巖芯樣品，揭示了探查站位點(diǎn)富鈷結(jié)殼的真實(shí)厚度，此站點(diǎn)的結(jié)殼厚度約為15 cm。通過與巖心樣品測量結(jié)果比對(duì)，厚度測試結(jié)果較為接近，說明本系統(tǒng)時(shí)延估計(jì)精度較高，對(duì)富鈷結(jié)殼的厚度計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。

4 結(jié) 論

本文研究和分析了富鈷結(jié)殼原位探測系統(tǒng)的探測原理，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和主要模塊進(jìn)行了介紹，并著重分析了富鈷結(jié)殼厚度原位探測過程中的關(guān)鍵技術(shù)。探測系統(tǒng)搭載潛器進(jìn)行了出海試驗(yàn)。試驗(yàn)期間系統(tǒng)工作正常，性能較為穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了測厚算法的性能，對(duì)富鈷結(jié)殼探測設(shè)備的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。