技术交流▏参量阵浅地层剖面测量系统介绍

【原创】文/刘慕学 董威力

 

海洋浅地层剖面探测技术是一种基于声学探测原理，走航式连续探测海底浅部地层构造的地球物理勘探方法。其主要特点是探测记录海底浅地层组织结构，以垂直纵向剖面图形反映浅地层组织结构，而且具有良好的分辨率，能够高效率探测海域的海底浅地层组织结构。因为浅地层剖面设备一般选用的震源能量相对于电火花，气枪等震源要小得多，所以穿透深度相对较浅，因此称为浅地层剖面测量系统。虽然浅地层剖面系统的穿透较“浅”，但是在合适的沉积物条件下也能达到几百米的深度，再加上其相对其它震源的高分辨率，高精度等特征，有着十分广阔的应用领域。

目前主流的浅地层剖面系统主要分为两类，一种是传统的通过排列一定数量低频换能器阵元达到高声学指向性的浅剖系统，如Chirp系统。该类系统一般波束角最小也要几十度，如果是拖曳式系统则可高达近一百度。而且拖曳式作业在定位精度，海况要求，测量航速上都会受到各种限制。而另一种使用参量阵换能器原理的浅地层剖面系统则克服了传统拖曳式浅剖的低角度分辨率，低定位精度，受高海况限制，测量效率低等一系列问题。本文将以参量阵浅剖系统市场上的主流产品PARASOUND P70为例，向读者介绍一下参量阵剖面系统的技术特性。

以上视频是Teledyne Reson公司PARASOUND P70参量阵浅地层剖面仪测量系统的介绍，该系统对水下地层的垂直分辨率可达15cm，最大沉积物穿透可达200m以上，最大发射功率达高达罕见的70kw，而且波束角只有不到5度，优秀的系统声学设计使其适合从极浅水至深水全部海域的浅部地层探测。

一、参量阵浅地层剖面仪工作原理

参量阵浅地层剖面仪在工作时，首先由高电压的驱动同时向海底发射两个频率接近的高频声学脉冲信号（F1、F2，F1＞F2）作为主频，当两个声学脉冲信号在水体中传播时，就会产生一系列的二次频率。其中F1高频用来探测水深，（F1＋F2）可以用来记录水体中的信息。由于F1、F2非常接近，因此（F1－F2）频率较低，一般在几千Hz，主要用于穿透海底沉积物，探测海底沉积物构造。而且低频信号可以保持高频声学脉冲信号的波束角不变，相比与传统Chirp型浅地层剖面仪具有更高的角度分辨率，更适合于深水中作业。

由此可见，参量阵浅地层剖面系统在实际工作中可以在水体中产生4种频率的声信号(F1,F2,F1+F2,F1-F2),所有这些信号都可以为我们提供有价值的信息。

海底浅地层剖面仪的主要应用领域为：①海底石油及矿产资源勘探，如探测并精确定位天然气水合物矿藏；②海洋地质、地貌调查研究，如各种沉积环境下的沉积作用研究，如河道堤坝系统，沉积物滑塌运动，深海洋流，冰川活动对海底的影响，区域海洋气候及洋流对沉积作用的影响，洋底地质构造的测绘，如泥火山，气苗，深海热泉，大洋锰结壳调查等；③海洋工程勘察，如利用超高分辨率沉积物结构调查成果，识别安全施工位置或评估潜在地质灾害对现有工程的威胁，支持管线铺设作业，保障挖掘设备安全，探测埋藏管线，钻探作业预调查等；④海底环境调查；等等。

PARASOUND P70系统连接图

二、PARASOUND P70主要技术特性

Teledyne ATLAS PARASOUND是Teledyne RESON公司所生产的船底固定安装式参量阵浅地层剖面仪。船体固定安装系统的优势十分明显。所有的调查工作可以很轻松的在甲板上实施。最大工作航速15节远远超过遥控潜水器ROV/AUV（2～3节）和拖鱼上（4～6节）上的浅地层剖面仪，而且在5级海况下都可正常作业。。

PARASOUND的两个参量高频，一个可调节的信号频率在18.0kHZ和33kHZ之间，另一个可调节频率在18.5kHz和39kHz之间。主高频极高的声源级使该系统可以实现在11000m的最大深度范围内进行浅地层探测，同时高频信息也可作为一个全海深的常规测深仪提供水深信息。极高的主频声源级也带来了更高的参量二次信号声源级，借助初始原信号的高空间分辨率优点，低频信号在超过200m的最大沉积物剖面深度上有着十分优越的声学表现。

PARASOUND具体技术指标如下：

⒈ 深度范围：10～11000m

⒉ 频率参数：0.5kHz～6.0kHz。

⒊ 最大发射功率：70kw

⒋ PHF最大发射声源级：245dB

⒌ 沉积物穿透性能：＞200m

⒍ 量程分辨率：6.0cm

⒎ 波束宽度：在18kHz频率下为4.5°×5.0°

⒏ 沉积层分辨率：＜15cm

⒐ 测深精度：优于最大值（0.2m±0.2%h,h为实测深度）

⒑ 其他：巴克码脉冲，线性调频；用户自定义脉冲波形；附加多波束功能和不同的多脉冲算法；等距多Ping操作，提高波束脚印沿航迹水平分辨率；

三、PARASOUND P70系统先进性分析

⒈ 采用33kHZ频率产生的超窄波束

PARASOUND P70采用33kHZ～39kHZ的主高频率替代其他厂家的15kHZ～21kHZ。这样在同样的换能器体积下，可以得到更窄波束角（波束窄至2.2°×2.5°），使声能量可以更加集中。

⒉ 更高的穿透能量

输出功率是浅剖仪系统整体性能中的重要特性，一般制造商使用的最大脉冲发射功率都在32KW范围内，而PARASOUND P70提供他们两倍的功率。如此高的功率再结合非常低的二次频率，使系统具备非常优秀的沉积物穿透能力。国内已有单位在中国南海约3800m深度记录到超过200m穿透的数据。

⒊ 先进的水体分析

如文章开头所述，参量阵浅地层剖面系统在实际工作中可以在水体中产生4种频率的声信号(F1,F2,F1+F2,F1-F2),所有这些信号都可以为我们提供有价值的信息,尤其是高频信号带来的水体信息。但是市面上很少有系统可以把这些信号都全部充分利用起来。因为水体中气泡或鱼群的声信号与海底沉积物的声信号在振幅强度上有个几个数量级的变化，系统对声波信号的数模转换采样的动态范围限制使对两种信号同时进行捕捉非常困难。对于像搜索自然资源（例如天然气水合物）这样的应用，水体信息的记录对水体剖析、水深制图和海底声学分类是十分重要的补充。PARASOUND在数模转换技术上采用了创新的双通道数字化电路，将高振幅与低振幅的信号分别进行24位数模转换，然后再通过信号叠加最终得到32位高动态范围的全振幅相位信号。这样就可以实现水体与地层信息的完整采集。在过去，对天然气水合物产生的气苗记录是不可能从水体一直到海底整个完整记录下来并精确定位的。德国科学界已经利用PARASOUND在水体分析中取得了优越的记录，用完美的数据证明了它的适用性。到目前为止还未见其它船体安装浅地层剖面仪的水体记录出现，PARASOUND目前是海洋调查工具中同时结合高分辨率沉积物探测和水体分析的唯一工具。

德国四艘海洋研究船正在运行，RV SONNE是最新的一艘

广州海洋地调查局（GMGS）从2010年开始就使用PARASOUND

 

德国RV SONNE在高海况状态下，船体安装PARASOUND P70仍然在运行

4. 等间距多脉冲发射操作

在单脉冲模式中，在每个时间每个点水体中只有一个脉冲。当先前的脉冲回波被完全接收时，一个新的脉冲才会自动发射。在水深较大时，单个脉冲的往返时间有时可达近10秒，如果在高航速下，很难保证沿航迹线的水平地层分辨率。

在多脉冲串模式中，系统可连续将数十个脉冲被发送出去。如P70可将高达16个脉冲连续发射出去，垂向上相互分离，这样就可以实现高回声返回率。如果此时航速很低甚至相对海底静止，系统可以得到同一海底区域多次信号反射信息，这样的信号经过叠加处理后可以达到很高的地层穿透效果，因此脉冲串模式特别适用于对某一特定区域的高精细地层穿透测量。因为在脉冲串返回接收时，系统是无法同时进行发射的。所以如果在高航速下使用该模式，会得到高密度水平脚印与低密度水平脚印间隔出现的数据。

而等距多Ping模式既解决了高航速下单脉冲模式低水平分辨率的问题，也克服了脉冲串模式只能在低航速下使用的缺点。这是PARASOUND独有的最先进和最精密的模式。在这个模式下，系统会基于当前水深，自动的计算两个脉冲之间的时间间隔，保证在高航速下系统可以同时向水体中发射多个声脉冲，而且系统会智能地只在两个脉冲发射的间歇期间对之前脉冲的回波进行接收，即系统会发射与接收模式间灵活的进行自动切换，使系统可以在高航速下一直保证在水体里有多个声波脉冲存在，沿航迹上的水平分辨率不会因高航速而受到影响。

使用等距多Ping和没有使用多Ping的比较。在等距多Ping模式下，水平分辨率大大提高，细微的垂直结构变得清晰可见

PARASOUND自1986年作为世界上第一套利用参量阵技术的深水声纳问市以来，借助恒久的创新发展，一次又一次的超越了海洋声学技术极限，不断加强了自身在海洋浅地层剖面市场上的标杆地位。

 

RESON公司简介

Teledyne RESON长期在海洋测绘领域从事专业的产品生产及服务工作. 并于2016年迎来了40周年的生日。 

Teledyne RESON与Teledyne BlueView，Teledyne ATLAS Hydrographic 以及Odom Hydrographic 一起组成 Teledyne 声学成像集团(Teledyne Marine Acoustic Imaging Group，简称 TMAIG),为全世界提供优秀的声纳科技。TMAIG集团具备全面有力的产品组合，覆盖水下声学成像及多波束测深方案的各个方面。

Bengal Fan海底堤坝系统轮廓，有助于理解沉积物和水下流动过程

 

【作者简介】刘慕学，现任捷胜海洋装备股份有限公司科考事业部副总经理，是中国地球物理协会成员，中国海洋工程咨询协会成员，长期从事海洋探测和科考船甲板支撑系统方面的市场工作，热爱海洋事业，希望通过国际间交流和合作，促进中国的海洋开发和探索。 董威力，2012年硕士毕业于中国海洋大学海洋地质专业，2013年就职于Teledyne RESON上海办事处至今，在丹麦总部及德国分部受过系统培训，负责所有的售前售后技术相关工作，包括设备演示，产品推广，协调国内所有售后技术服务需求，目前主要负责国内所有深水声纳系统的项目运作。