基于參量陣雙通道信息的富鈷結(jié)殼高精度測(cè)厚算法

王斌賢，馮海泓，黃敏燕，胡 波，楊 永

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510075)

0 引 言

富鈷結(jié)殼作為海底重要的礦產(chǎn)資源之一，是一種生長(zhǎng)在水深500～3 000 m的海底山坡硬質(zhì)基巖上的“殼狀”沉積物[1]，富含鈷、鈦、鎳、金、錳等多種金屬元素，因鈷含量較高而得名富鈷結(jié)殼，這些金屬在航天航空和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。我國(guó)是一個(gè)“缺鈷”的國(guó)家，大部分鈷依賴進(jìn)口，由于陸地上鈷資源有限，獨(dú)立鈷礦很少，即使依賴進(jìn)口也很難滿足需求[3]。因此，開(kāi)發(fā)富鈷結(jié)殼資源具有重要的戰(zhàn)略意義和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2014年，我國(guó)與國(guó)際海底管理局簽訂了富鈷結(jié)殼勘探合同，獲得面積為3 000 km2的海山礦區(qū)，勘探時(shí)間為15年，我國(guó)需在第8年與第10年分別放棄1 000 km2的開(kāi)采區(qū)域，最終保留1 000 km2作為享有優(yōu)先開(kāi)采權(quán)的礦區(qū)。富鈷結(jié)殼的厚度是評(píng)估礦區(qū)的指標(biāo)之一，因此，設(shè)計(jì)測(cè)量精度高的結(jié)殼測(cè)厚算法對(duì)確定最終采礦區(qū)，提高開(kāi)采效率具有重要意義。

富鈷結(jié)殼的測(cè)厚方法主要包括接觸式測(cè)量和原位測(cè)量?jī)煞N，具體而言，若采用定點(diǎn)淺鉆等接觸式方法，因取樣設(shè)備龐大，故效率較低、成本較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)富鈷結(jié)殼的連續(xù)測(cè)厚。而聲學(xué)探測(cè)中的原位測(cè)量方法，則具備精確、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被公認(rèn)為一種水下探測(cè)的快速可靠的方法[4-5]。常見(jiàn)的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備包括多波束聲吶、側(cè)掃聲吶等。然而，這些設(shè)備基于線性聲學(xué)理論，如不增大發(fā)射換能器尺寸便無(wú)法同時(shí)獲得較低的發(fā)射頻率與較窄的指向性[6]。

相較而言，非線性參量陣技術(shù)則是一種經(jīng)濟(jì)、高效的測(cè)量技術(shù)。它可以在小尺寸換能器的條件下，產(chǎn)生兼具低頻率與窄指向性特點(diǎn)的差頻信號(hào)，適合海底探測(cè)[7-8]。2010年，東京工業(yè)大學(xué)采用了一種參量探頭[9-10]測(cè)量結(jié)殼厚度，該探頭產(chǎn)生的差頻信號(hào)可以穿透富鈷結(jié)殼，并記錄結(jié)殼表面與底面的回波信號(hào)，通過(guò)時(shí)延差法[11]計(jì)算其厚度。2019年，聲學(xué)研究所東海研究站進(jìn)一步優(yōu)化了參量探頭，研制了相控參量原位探測(cè)器[12-13]。首先，探測(cè)器可以通過(guò)控制陣列的相位改變工作距離，以適應(yīng)海底起伏的環(huán)境。其次，探測(cè)器同時(shí)記錄、采集原頻回波信號(hào)與差頻回波信號(hào)，提高了測(cè)厚精度。

本文同樣采用時(shí)延差法作為測(cè)量富鈷結(jié)殼厚度的基本方法，首先提取回波信號(hào)包絡(luò)，然后分別檢測(cè)富鈷結(jié)殼表面回波與底面回波峰值以確定兩個(gè)回波的到達(dá)時(shí)刻，再根據(jù)到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差與富鈷結(jié)殼的聲速計(jì)算結(jié)殼厚度。包絡(luò)提取方法影響著測(cè)厚的精度，本文比較了三種典型的算法：希爾伯特變換[14]，復(fù)小波變換[15]與自相關(guān)算法[16]，通過(guò)水池實(shí)驗(yàn)，分析了三種算法的性能并提出了一種基于原頻、差頻雙通道回波信號(hào)的富鈷結(jié)殼自動(dòng)測(cè)厚算法，然后將該算法應(yīng)用于中國(guó)大洋某航次的海試數(shù)據(jù)處理中，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性。

1 原位探測(cè)器系統(tǒng)組成

如圖1所示，原位探測(cè)器主要由接收換能器、發(fā)射陣、帶通濾波板、發(fā)射控制板、信號(hào)采集板以及主控計(jì)算機(jī)組成。

圖1 原位探測(cè)器系統(tǒng)組成Fig.1 System description of the parametric acoustic probe

主控計(jì)算機(jī)向發(fā)射控制板傳遞發(fā)射參數(shù)，然后發(fā)射控制板控制發(fā)射陣發(fā)射由1 MHz原頻信號(hào)調(diào)制的100 kHz正弦波信號(hào)。基于非線性聲學(xué)的基本原理，原位探測(cè)器可產(chǎn)生差頻信號(hào)，且差頻信號(hào)沿聲軸方向以相同的速度與原頻信號(hào)一起向前傳播。當(dāng)兩列波到達(dá)富鈷結(jié)殼表面時(shí)，由于介質(zhì)的阻抗差異，在表面同時(shí)產(chǎn)生原頻回波與差頻回波。高頻的原頻波在富鈷結(jié)殼中有較嚴(yán)重的衰減，而低頻的差頻波則可以穿透富鈷結(jié)殼并在結(jié)殼底面產(chǎn)生回波，示意圖如圖2所示。

圖2 探測(cè)回波信號(hào)示意圖Fig.2 Schematic diagram of echo signals for detection

接收換能器接收反射回來(lái)的回波信號(hào)，分別進(jìn)行濾波，進(jìn)而分離出原頻通道信號(hào)與差頻通道信號(hào)，再根據(jù)主控計(jì)算機(jī)配置的采樣參數(shù)進(jìn)行信號(hào)的采集。濾波與采樣的具體參數(shù)如表1所示。

表1 濾波與采樣參數(shù)Table 1 Parameters for filtering and sampling

2 測(cè)厚算法

富鈷結(jié)殼的分布面積很廣，通常為幾十平方千米，因此，設(shè)計(jì)算法的目標(biāo)是對(duì)結(jié)殼厚度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。本文提出的基于雙通道回波信號(hào)的測(cè)厚算法，適用于富鈷結(jié)殼-基巖的雙層底質(zhì)結(jié)構(gòu)，即富鈷結(jié)殼附著于海底基巖，結(jié)殼的表面是裸露的。算法分為5個(gè)步驟，框圖如圖3所示。

圖3 基于雙通道回波信號(hào)的測(cè)厚算法流程圖Fig.3 Flowchart of the algorithm for thickness measurement based on the dual-channel echo signals

3 試 驗(yàn)

通過(guò)水池試驗(yàn)與海試試驗(yàn)對(duì)測(cè)厚算法的可行性進(jìn)行分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回波到達(dá)時(shí)刻的提取是影響測(cè)厚精度的關(guān)鍵因素，同時(shí)，包絡(luò)提取算法是影響到達(dá)時(shí)刻提取的關(guān)鍵因素。因此，在水池試驗(yàn)中比較了不同包絡(luò)提取算法的測(cè)厚誤差，如希爾伯特變換、小波變換與自相關(guān)算法，選擇分別適用于原頻信號(hào)與差頻信號(hào)的包絡(luò)提取算法。

3.1 水池試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有多種不同密度的人工合成材料用于模擬海底底質(zhì)(簡(jiǎn)稱：仿體)。在實(shí)驗(yàn)室水池內(nèi)，通過(guò)仿體分析了測(cè)厚算法的性能，試驗(yàn)配置如圖4所示。

圖4 水池仿體試驗(yàn)布局Fig.4 Layout of pool test with simulated seabed environment

依據(jù)Biot多孔介質(zhì)聲學(xué)理論[17]：底質(zhì)回波信號(hào)與底質(zhì)的孔隙率密切相關(guān)，而底質(zhì)的孔隙率與底質(zhì)密度密切相關(guān)。因此，將底質(zhì)的密度作為選擇仿體材料的依據(jù)。本文采用一種聚甲醛(Polyformaldehyde, POM)和一種聚丙烯(Poly Tetra Fluoroethylene, PTFE)分別模擬富鈷結(jié)殼和基巖，其中POM厚度為10.0 cm，聲速為2 230 m·s-1，放置在距參量陣1.5 m處。

采集到的兩個(gè)通道的信號(hào)如圖5(a)和圖5(b)的波形所示。采樣的時(shí)間為4.0 ms，其中1.6～1.9 ms為實(shí)際的回波信號(hào)，如圖中虛線部分。

圖5 水池試驗(yàn)得到的雙通道回波信號(hào)Fig.5 The dual-channel echo signals from pool test

比較了希爾伯特變換、小波變換和自相關(guān)算法提取的回波信號(hào)包絡(luò)曲線。改變包絡(luò)提取算法的參數(shù)以獲得更加平滑、準(zhǔn)確的包絡(luò)曲線。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定了合適的小波變換與自相關(guān)算法的參數(shù)：提取原頻包絡(luò)時(shí)，自相關(guān)算法取延時(shí)量為5個(gè)采樣點(diǎn)；進(jìn)行32尺度的復(fù)Morlet小波變換，取第5個(gè)尺度的小波系數(shù)。提取差頻包絡(luò)時(shí)，自相關(guān)算法取延時(shí)量為12個(gè)采樣點(diǎn)；進(jìn)行32尺度的復(fù)Morlet

包絡(luò)提取結(jié)果如圖6所示。由于原頻信號(hào)是窄帶信號(hào)，因此3種方法提取原頻包絡(luò)的差異并不明顯。對(duì)于差頻信號(hào)，希爾伯特變化存在較多突刺，小波變換與自相關(guān)算法的曲線更加平滑，同時(shí)自相關(guān)算法的峰值點(diǎn)誤差略小于小波變換。小波變換，取第20個(gè)尺度的小波系數(shù)。

圖6 不同包絡(luò)提取方法的比較（水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)）Fig.6 Comparison of different envelope extraction methods according to pool test data

采集了160組回波信號(hào)，采用第2節(jié)中的測(cè)厚算法計(jì)算仿體厚度，kp和kd分別取值為20 dB和16 dB，仿體厚度為10.00 cm。由于仿體厚度是固定值，Lmax和Lmin的取值間隔不需太大，分別取值為11.00 cm與9.00 cm。該試驗(yàn)還比較了三種包絡(luò)提取方法單獨(dú)使用時(shí)的測(cè)厚結(jié)果，測(cè)厚誤差與方差的統(tǒng)計(jì)信息如表2所示。當(dāng)三種包絡(luò)提取方法單獨(dú)使用時(shí)，小波變換的測(cè)厚誤差較小，且結(jié)果較為穩(wěn)定。采用希爾伯特變換提取表面回波包絡(luò)，自相關(guān)算法提取底面回波包絡(luò)的測(cè)厚誤差最小，且結(jié)果最穩(wěn)定。

表2 不同方法測(cè)厚結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息（水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)）Table 2 Thickness estimation of different methods according to pool test data

3.2 海試試驗(yàn)

2018年，在西太平洋開(kāi)展了中國(guó)大洋某航次對(duì)富鈷結(jié)殼的勘探工作，使用原位探測(cè)器采集了多個(gè)站點(diǎn)的富鈷結(jié)殼的回波信號(hào)。本節(jié)給出了其中一個(gè)站點(diǎn)的回波信號(hào)的處理結(jié)果。

采集到的兩個(gè)通道的信號(hào)如圖7(a)和圖7(b)所示。采樣的時(shí)間為1 ms，圖中虛線部分為實(shí)際的回波信號(hào)。

圖7 海試得到的雙通道回波信號(hào)Fig.7 The dual-channel echo signals from sea trial

三種方法的包絡(luò)提取結(jié)果如圖8所示。提取原頻包絡(luò)時(shí)，自相關(guān)算法取延時(shí)量為5個(gè)采樣點(diǎn)；做32尺度的復(fù)Morlet小波變換，取第10個(gè)尺度的小波系數(shù)。提取差頻包絡(luò)時(shí)，自相關(guān)算法取延時(shí)量為8個(gè)采樣點(diǎn)；做32尺度的復(fù)Morlet小波變換，取第10個(gè)尺度的小波系數(shù)。

圖8 不同包絡(luò)提取方法的比較（海試數(shù)據(jù)）Fig.8 Comparison of different envelope extraction methods according to sea trial data

選取了160組海試數(shù)據(jù)，采用第2節(jié)中的測(cè)厚算法測(cè)量結(jié)殼厚度，kp和kd分別取值為20dB和16dB，Lmax和Lmin取值分別為30.00cm與5.00cm，實(shí)際測(cè)得富鈷結(jié)殼的聲速為3000 m·s-1。同水池試驗(yàn)一樣，比較了3種包絡(luò)提取方法單獨(dú)使用時(shí)的測(cè)厚結(jié)果，厚度與方差的統(tǒng)計(jì)信息如表3所示。結(jié)果顯示，采用希爾伯特算法提取表面回波時(shí)間，自相關(guān)算法提取底面回波測(cè)得的平均厚度為9.33 cm，并且該方法的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)最小，為5.28 mm。

表3 不同方法測(cè)厚結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息（海試數(shù)據(jù)）Table 3 Thickness estimation of different methods according to sea trial data

4 結(jié) 論

本文介紹了原位探測(cè)器并基于該系統(tǒng)提出了富鈷結(jié)殼原位測(cè)厚算法。首先分別提取結(jié)殼表面原頻回波信號(hào)與結(jié)殼底面差頻回波信號(hào)的包絡(luò)；然后確定結(jié)殼表面、底面回波的到達(dá)時(shí)刻，最后通過(guò)時(shí)延差法測(cè)量結(jié)殼厚度。其中，包絡(luò)提取算法影響著測(cè)厚精度，在實(shí)驗(yàn)室水池中，通過(guò)仿體分析了不同包絡(luò)提取算法的厚度測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，希爾伯特變換適用于原頻信號(hào)的包絡(luò)提取，而自相關(guān)算法與小波變換適用于差頻信號(hào)的包絡(luò)提取。當(dāng)采用希爾伯特變換與自相關(guān)算法分別提取原頻信號(hào)與差頻信號(hào)的包絡(luò)時(shí)，得到的測(cè)厚結(jié)果誤差最小且最穩(wěn)定。隨后，將該算法應(yīng)用于大洋某航次的海試數(shù)據(jù)，成功測(cè)得了富鈷結(jié)殼的厚度，驗(yàn)證了該算法的可行性。

在后續(xù)工作中，將研究沉積物-富鈷結(jié)殼-基巖的多層底質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)厚算法。鑒于原位探測(cè)器在測(cè)厚工作中的成功應(yīng)用，今后將研究基于原位探測(cè)器的富鈷結(jié)殼的識(shí)別算法。