侯正瑜， 郭常升， 王景強(qiáng)， 付永濤， 李鐵剛

1 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所， 青島 266071 2 中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266071 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

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一種新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

侯正瑜1,2,3， 郭常升1,2*， 王景強(qiáng)1,2,3， 付永濤1,2， 李鐵剛1,2

1 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所， 青島 266071 2 中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266071 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

為了能夠精確地測(cè)量海底表層沉積物的聲學(xué)參數(shù)，自主研制了一種新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)，與國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示聲波波形，調(diào)整測(cè)量參數(shù)，其工作方式除了站位式測(cè)量之外，還實(shí)現(xiàn)了拖行式連續(xù)測(cè)量，極大地提高了工作效率.根據(jù)前期海試情況，對(duì)海底儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使之可以同時(shí)測(cè)量海底沉積物及海底海水的聲學(xué)參數(shù)，同時(shí)建立了雙向數(shù)字信道，解決了測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)信號(hào)的干擾問(wèn)題.該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為兩部分：甲板控制單元和水下測(cè)量單元，整套系統(tǒng)通過(guò)主機(jī)控制程序進(jìn)行控制，采用GPS定位系統(tǒng)測(cè)定儀器的大地坐標(biāo).為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)和海上試驗(yàn).利用水聲測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室水槽標(biāo)定分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)測(cè)量值相對(duì)誤差僅為0.04%，測(cè)量結(jié)果具有較高的精度.海上試驗(yàn)在青島膠州灣和東海海域進(jìn)行，獲得了試驗(yàn)區(qū)域海底沉積物聲速和聲衰減系數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，將測(cè)量數(shù)據(jù)與他人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明測(cè)量數(shù)據(jù)與前人研究結(jié)果一致，較為準(zhǔn)確.該原位測(cè)量系統(tǒng)在站位式測(cè)量和拖行式測(cè)量中都能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量出沉積物聲速和聲衰減系數(shù)，可以作為海底底質(zhì)聲學(xué)測(cè)量的調(diào)查設(shè)備.

海底沉積物； 聲學(xué)參數(shù)； 原位測(cè)量系統(tǒng)

1 引言

海洋地球物理中的海底探測(cè)技術(shù)(主要是聲學(xué)探測(cè)技術(shù))促進(jìn)了許多重大科學(xué)事件的出現(xiàn)，推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步(金翔龍，2007).海底沉積物的聲學(xué)特性參數(shù)(主要指聲速和聲衰減系數(shù))對(duì)于海洋聲場(chǎng)分析、工程地質(zhì)勘探及海洋地球科學(xué)研究都具有重要意義.聲信號(hào)在海底沉積物中傳播的聲速和聲衰減等參數(shù)可用Biot-Stoll物理模型(Biot，1956a，1956b；Stoll，1985)或者Hamilton等給出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(Hamilton，1970，1971，1972，1976，1980；Hamilton and Bachman，1982)來(lái)粗略估算.但是，為了精確地得到海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)，研究者經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，發(fā)展了多種測(cè)量技術(shù)，大致可以分為兩類(lèi)：沉積物取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和海底原位測(cè)量.其中，取樣測(cè)量的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，操作容易，但是取樣測(cè)量改變了沉積物的原始沉積環(huán)境(壓力、溫度、鹽度等)，難以獲得準(zhǔn)確的沉積物聲學(xué)參數(shù).海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)能夠獲得海底實(shí)際狀態(tài)下的聲學(xué)參數(shù)， 避免了取樣和搬運(yùn)對(duì)沉積物造成的擾動(dòng)，成為獲得海底沉積物聲學(xué)參數(shù)最直接有效的手段.

國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)發(fā)出了海底沉積物聲學(xué)與土工特性原位測(cè)量系統(tǒng)(Sediment Acoustic & Physical Properties Apparatus，SAPPA)(Best et al.，1999，2007)、沉積物聲學(xué)探針設(shè)備(Sediment Probing Acoustic Detection Equipment，SPADE)(Robb et al.，2007)、聲學(xué)長(zhǎng)矛(Acoustic Lance)(Fu et al.，1996； Gorgas et al.，2002)、現(xiàn)場(chǎng)沉積物聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(In Situ Sediment geoAcoustic Measurement System，ISSAMS)(Richardson and Briggs，1996； Richardson et al.，1997；Buckingham and Richardson，2002)以及原位聲速和衰減測(cè)量探針(In-situ Sound Speed and Attenuation Probe，ISSAP)(Kraft et al.，2002；Fonseca and Mayer，2007)，并利用這些系統(tǒng)在不同海區(qū)開(kāi)展了海底沉積物聲學(xué)特性的原位測(cè)量，獲得了大量的原始數(shù)據(jù).國(guó)內(nèi)對(duì)于原位測(cè)量系統(tǒng)的研究起步較晚，目前研制成功的主要有中國(guó)科學(xué)院海洋研究所開(kāi)發(fā)的海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(郭常升等，2007，2009；李艷華等，2010；王景強(qiáng)等，2013；Hou et al.，2014)，國(guó)家海洋局一所研制的自容式海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)(闞光明等，2010，2012；Kan et al.，2011；Liu et al.，2013).

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的原位測(cè)量系統(tǒng)均采用站位式測(cè)量，這種測(cè)量方式雖然能夠獲取原位測(cè)量數(shù)據(jù)，但是效率較低.本文在原有的海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)和海上試驗(yàn)分析，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，研制出了一種新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng).此系統(tǒng)不僅可以實(shí)施站位式測(cè)量，還首次實(shí)現(xiàn)了拖行式連續(xù)測(cè)量，極大地提高了測(cè)量效率.2013年8月，在青島膠州灣海域利用一艘木質(zhì)漁船進(jìn)行了海上站位式試驗(yàn)，2013年10月和11月，在東海海域利用中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的“科學(xué)三號(hào)”科考船進(jìn)行了海上站位式和拖行式試驗(yàn)，獲取了聲速和聲衰減系數(shù)的原位測(cè)量數(shù)據(jù).本文將詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，分析青島膠州灣和東海海域的試驗(yàn)情況.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成：甲板控制單元和水下測(cè)量單元(圖1).甲板控制單元的主要功能是提供電源、處理記錄聲學(xué)參數(shù)，水下測(cè)量單元的主要功能是發(fā)射、接收、輸送信號(hào).甲板控制單元位于測(cè)量船后甲板操作區(qū)，由計(jì)算機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口組成，其中，GPS定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口內(nèi)置于系統(tǒng)控制主機(jī)中.水下測(cè)量單元包括數(shù)據(jù)傳輸接口、聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波波形數(shù)據(jù)采集電路及聲系.其中，聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波波形數(shù)據(jù)采集電路及數(shù)據(jù)傳輸電路位于一個(gè)不銹鋼電路密封管中，聲系由聲波發(fā)射換能器和接收換能器組成.甲板控制單元與水下測(cè)量單元由一根鎧裝電纜連接，鎧裝電纜具有較強(qiáng)的抗拉、抗壓、抗腐蝕強(qiáng)度，能夠保證儀器在海水拖行中的正常通訊.整套系統(tǒng)通過(guò)主機(jī)控制程序進(jìn)行控制，采用GPS定位系統(tǒng)測(cè)定儀器的大地坐標(biāo).數(shù)據(jù)傳輸接口主要有兩種作用：一是將甲板控制單元對(duì)水下測(cè)量?jī)x器的控制命令調(diào)制后通過(guò)電纜傳送給水下測(cè)量單元；二是將水下測(cè)量單元上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)USB接口傳遞給計(jì)算機(jī)處理、記錄.甲板控制單元與水下測(cè)量單元建立了雙向數(shù)字信道，使得聲波信號(hào)可以在海底完成采集，然后以數(shù)字信號(hào)形式傳輸?shù)郊装蹇刂茊卧械挠?jì)算機(jī)中，避免了模擬信號(hào)的長(zhǎng)電纜傳輸，提高了聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量精度.甲板控制單元可以發(fā)送各種控制命令，實(shí)時(shí)調(diào)整海底數(shù)據(jù)采集電路的信號(hào)增益、數(shù)據(jù)采集延遲時(shí)間、數(shù)據(jù)采集量等，并在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示聲波波形(圖2).計(jì)算機(jī)能夠記錄聲波全波列原始測(cè)量數(shù)據(jù)，保存完整，為以后信號(hào)處理提供資料.

圖1 新型海底沉積物原位測(cè)量系統(tǒng)框架圖Fig.1 The frame diagram of the new type in-situ acoustic measurement system

根據(jù)前期海上試驗(yàn)結(jié)果以及拖行式測(cè)量的需要，重新設(shè)計(jì)了水下測(cè)量單元的儀器結(jié)構(gòu)(圖3).海底測(cè)量?jī)x器采用“個(gè)”字結(jié)構(gòu)，由在同一平面的三根不銹鋼管組成支撐框架，在框架的四個(gè)端點(diǎn)分別配有加重鉛球和加重圓餅.其中三根鋼管的交叉頂點(diǎn)為鎧裝電纜的受力點(diǎn)，鎧裝電纜負(fù)責(zé)甲板控制單元與水下測(cè)量單元的通訊連接，并對(duì)海底儀器進(jìn)行收放和拖動(dòng).為了適應(yīng)海底復(fù)雜多變的地形，儀器結(jié)構(gòu)采用一發(fā)雙收共6個(gè)聲學(xué)探頭的設(shè)計(jì)，上下兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，每一側(cè)都包含一個(gè)發(fā)射探頭和兩個(gè)接收探頭，這樣的結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都能夠使探頭插入海底沉積物中，即使儀器在海底發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時(shí)候也不影響測(cè)量，而且上下兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量海底海水和海底沉積物的聲學(xué)參數(shù).電路密封管固定在中間的不銹鋼管上.

圖2 新型海底沉積物原位測(cè)量系統(tǒng)組成圖Fig.2 The composed figure of the new type in-situ acoustic measurement system

圖3 海底沉積物原位測(cè)量系統(tǒng)水下測(cè)量單元儀器結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of underwater measurement unit of the in-situ acoustic measurement system

2.2 工作原理

測(cè)量開(kāi)始時(shí)，利用起重機(jī)和電纜絞車(chē)將水下測(cè)量?jī)x器下放到海底，測(cè)量?jī)x器通過(guò)自重將聲學(xué)探頭插入海底沉積物中，然后通過(guò)甲板控制單元中的計(jì)算機(jī)對(duì)水下測(cè)量單元發(fā)送指令，聲波發(fā)射激勵(lì)電路接收到指令后，控制聲波發(fā)射換能器T發(fā)射聲波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)海底沉積物的傳播和衰減后被同一側(cè)的另外兩個(gè)聲波接收換能器(R1和R2)接收.在測(cè)量過(guò)程中，聲波數(shù)據(jù)采集電路是測(cè)量系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集控制的邏輯功能是：在單片機(jī)發(fā)出發(fā)射激勵(lì)命令后，按照設(shè)定的延遲時(shí)間和采集數(shù)據(jù)量，依次啟動(dòng)兩個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器，數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷.甲板控制單元和水下測(cè)量單元的通訊通過(guò)四芯鎧裝電纜實(shí)現(xiàn)，下行命令信道與上行數(shù)據(jù)信道分別占用兩個(gè)纜芯，信道傳輸采用曼徹斯特調(diào)制方式，為減少信道互相擾動(dòng)，上行信道與下行信道采用兩種不同的速率.數(shù)據(jù)傳輸接口將采集電路得到的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)制后上傳到計(jì)算機(jī)，同時(shí)，通過(guò)控制軟件，聲波波形在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示，保證測(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)觀察控制.測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，系統(tǒng)海上測(cè)量試驗(yàn)示意圖如圖4所示.

表1 測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

如圖4B所示，同一側(cè)的三個(gè)聲學(xué)探頭成斜三角排列，發(fā)射換能器T和接收換能器R1、R2的距離分別為L(zhǎng)1、L2.測(cè)量開(kāi)始時(shí)，發(fā)射換能器T發(fā)射一個(gè)聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間傳播后，信號(hào)分別到達(dá)接收換能器R1和R2，根據(jù)聲速和聲衰減原理，可以得到沉積物聲速計(jì)算公式：

(1)

其中，C是聲速，t1、t2分別是聲波信號(hào)到達(dá)接收換能器R1、R2的時(shí)間(初至波時(shí)間).假設(shè)聲波信號(hào)通過(guò)海底沉積物到達(dá)接收換能器R1時(shí)的信號(hào)能量為E1，同一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)海底沉積物到達(dá)接收換能器R2時(shí)的信號(hào)能量為E2.

聲衰減系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

圖4 系統(tǒng)海上試驗(yàn)及工作原理示意圖Fig.4 System sea test and working principle diagram

3 實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行海上試驗(yàn)前，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，用以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先將水槽注入自來(lái)水，利用水聲測(cè)量?jī)x器獲取水槽中的水聲速為1500.00 m·s-1；然后將具有固定距離的聲波換能器放置在水中，開(kāi)始測(cè)量并記錄水槽中的聲波信號(hào).為了提高測(cè)量精度，采用了多次測(cè)量取平均值的方法，水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.聲波換能器測(cè)量的水槽水聲速平均值為1499.44 m·s-1，與水槽實(shí)際水聲速(1500.00 m·s-1)十分接近，測(cè)量值相對(duì)誤差僅為0.04%，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度.

表2 水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 海上試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能，于2013年8月，在青島膠州灣海域利用一艘木質(zhì)漁船進(jìn)行了海上站位式試驗(yàn)，2013年10月和11月，在東海海域利用中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的“科學(xué)三號(hào)”科考船進(jìn)行了海上站位式和拖行式試驗(yàn)，獲取了聲速和聲衰減系數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù).

4.1 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

發(fā)射換能器T與接收換能器R1、R2的距離差ΔL對(duì)于聲速和聲衰減的計(jì)算有較大的影響.由于聲波換能器是位于聲波發(fā)射和接收探頭中的(圖3)，如果用直尺等測(cè)量工具對(duì)L1、L2進(jìn)行測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，難以獲得準(zhǔn)確的距離差ΔL.而且由于海底復(fù)雜的地形，聲波探頭難免會(huì)和海底的一些物質(zhì)接觸(堅(jiān)硬的石塊等物質(zhì))，發(fā)生碰撞，使得聲波探頭之間的距離相對(duì)于原設(shè)計(jì)有所偏差.因此，在海底沉積物測(cè)量試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)需要在海水中對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，獲得距離差ΔL，確保海底沉積物聲速和聲衰減的準(zhǔn)確計(jì)算.測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定的原理如下：將測(cè)量?jī)x器放在聲速已知的液體中，如水中，進(jìn)行聲傳播試驗(yàn)，測(cè)量聲波信號(hào)初至波到達(dá)時(shí)間，然后根據(jù)速度與距離公式可以計(jì)算獲得距離差.

圖5 海水聲速測(cè)量裝置，A是WSD-3數(shù)字聲波儀，B是水聲測(cè)量?jī)x器Fig.5 Seawater velocity measurement device. A is WSD-3 digital acoustic instrument， B is the underwater acoustic measurement instrument

為了準(zhǔn)確測(cè)量海水的聲速，研制了一套由WSD-3數(shù)字聲波儀和水聲測(cè)量?jī)x器組成的測(cè)量設(shè)備(圖5).水聲測(cè)量?jī)x器是根據(jù)聲波反射原理設(shè)計(jì)的，如圖5所示，水聲測(cè)量?jī)x器中間黑色的圓柱體是聲波換能器，它能夠在水中發(fā)射和接收聲波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)遇到底部的圓形鋼板會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)沿原路徑返回并被接收.聲波換能器與測(cè)量?jī)x器底部圓形鋼板之間的距離可利用螺紋進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，螺距精確已知.聲波換能器接收到的信號(hào)可以在WSD-3數(shù)字聲波儀上顯示并儲(chǔ)存.聲波傳播距離差和傳播時(shí)間可以精確測(cè)量，最后根據(jù)聲波傳播的時(shí)間差和距離差，計(jì)算可得海水聲速.利用海水聲速測(cè)量設(shè)備對(duì)某一站位海水聲速進(jìn)行測(cè)量，然后利用海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)同一站位同一深度的海水進(jìn)行測(cè)量，讀取聲波信號(hào)到達(dá)接收換能器R1和R2的時(shí)間差Δt，將海水聲速值代入公式(1)中，計(jì)算得到ΔL的值，在測(cè)量過(guò)程中采用多次測(cè)量取平均值的方法提高測(cè)量精度.

4.2 青島膠州灣海域試驗(yàn)

2013年8月利用一艘木質(zhì)漁船在青島膠州灣海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)(圖6)，此次試驗(yàn)測(cè)量方式為站位式測(cè)量，主要目的是檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能.表3是青島膠州灣海域的海上試驗(yàn)部分聲速和聲衰減測(cè)量結(jié)果.

海上試驗(yàn)測(cè)量開(kāi)始時(shí)，首先按照測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法來(lái)確定發(fā)射換能器T與接收換能器R1、R2的距離差ΔL.利用實(shí)驗(yàn)船只的起重機(jī)將海水聲速測(cè)量裝置平穩(wěn)放入海水中，待儀器穩(wěn)定后，接通電源開(kāi)始測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中上下調(diào)節(jié)螺紋，利用不同的聲>波傳播距離多次測(cè)量海水聲速，最后取平均值，將海水聲速值代入公式(1)中，計(jì)算得到ΔL.海水聲速測(cè)量結(jié)束后，利用電纜絞車(chē)將原位測(cè)量系統(tǒng)的水下測(cè)量?jī)x器緩慢下放，直至換能器探頭插入到沉積物中，待水下測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定后，利用甲板控制單元的計(jì)算機(jī)控制界面進(jìn)行相關(guān)的操作.根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示的聲波信號(hào)情況，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.本次試驗(yàn)的采樣周期為200 ns，采樣長(zhǎng)度為2000點(diǎn).所有的測(cè)量站位均采用多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)提高測(cè)量精度.測(cè)量完畢后，停止聲波發(fā)射接收，將水下測(cè)量?jī)x器緩慢提升至甲板，結(jié)束一個(gè)站位的測(cè)量.整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單方便，并較為快捷.

表3 膠州灣海域試驗(yàn)結(jié)果

4.3 東海海域試驗(yàn)

2013年10月和11月，在東海海域利用中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的“科學(xué)三號(hào)”科考船進(jìn)行了更深一步的海上試驗(yàn)(圖6)，本次試驗(yàn)采用站位式測(cè)量和拖行式測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式，同時(shí)檢驗(yàn)拖行式測(cè)量的穩(wěn)定性.表4是東海海域的海上試驗(yàn)部分聲速和聲衰減測(cè)量結(jié)果.

在進(jìn)行站位式海上試驗(yàn)時(shí)，到達(dá)測(cè)量站位，待船舶停止后，首先利用科考船后甲板的A型架將海水聲速測(cè)量裝置下放到海水中，儀器穩(wěn)定后開(kāi)始海水聲速標(biāo)定工作，步驟與青島膠州灣站位式測(cè)量試驗(yàn)相同.海水聲速標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)量完畢后，將水下測(cè)量?jī)x器下放到海底沉積物中，進(jìn)行沉積物聲速測(cè)量.東海站位式測(cè)量主要測(cè)量了兩個(gè)站位DH1和DH2，其中，DH1的水深是66.67 m，DH2的水深是16.19 m，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4.

在進(jìn)行拖行式測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，首先將科考船停泊在測(cè)量站位，利用科考船后甲板上的A型架和電纜絞車(chē)將水下測(cè)量?jī)x器平穩(wěn)放置海底，繼續(xù)放電纜至水深的3倍長(zhǎng)，然后在甲板控制單元的計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后開(kāi)始拖行測(cè)量，保持船速3～4節(jié)(圖4).聲波波形表明該原位測(cè)量系統(tǒng)在拖行中仍然能夠保持較好的穩(wěn)定性(圖7).

表4 東海海域試驗(yàn)結(jié)果

圖6 青島膠州灣海上試驗(yàn)工作圖(A)和東海海上試驗(yàn)工作圖(B)Fig.6 Sea test working drawings of Qingdao Jiaozhou Bay (A) and East China Sea (B)

圖7 東海拖行測(cè)量過(guò)程中獲取的一組聲波波形Fig.7 A set of sound waves acquired in the East China Sea

4.4 結(jié)果分析

海底沉積物是一種多孔隙介質(zhì)，主要由固體顆粒和孔隙水組成.沉積物的聲學(xué)性質(zhì)受諸多因素的影響，如沉積物物理性質(zhì)、沉積環(huán)境、測(cè)量手段等.盧博等(2005)對(duì)東海海域海底沉積物的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示東海海域沉積物縱波聲速在1460～1653 m·s-1之間，平均值為1550 m·s-1，這與原位測(cè)量系統(tǒng)在東海測(cè)量得到的聲速是一致的.闞光明等(2010)在黃海利用原位測(cè)量技術(shù)獲得的砂質(zhì)沉積物的聲衰減系數(shù)在1.5～22.4 dB/m之間，這與膠州灣海域測(cè)量得到的聲衰減數(shù)據(jù)是相符的.膠州灣海域的表層沉積物主要是粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，局部還有礫石、粗砂等，由于不同沉積物類(lèi)型的聲衰減系數(shù)不同，且沉積物越粗糙，聲衰減系數(shù)越大，因此表3中不同站位的聲衰減數(shù)據(jù)會(huì)有所差異.一般，當(dāng)聲波發(fā)射頻率在104～105Hz之間時(shí)，海底沉積物的聲衰減數(shù)值在101～102dB/m之間(Kibblewhite，1989).新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)采用的主頻率為30 kHz，青島膠州灣海域和東海海域的聲衰減測(cè)量結(jié)果在101～102dB/m之間，與Kibblewhite發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相符，表明新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是可靠的.

5 結(jié)論

海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)是近十多年來(lái)伴隨著人們對(duì)海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的調(diào)查和研究的需要快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù).與海底沉積物取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)量相比，它避免了實(shí)驗(yàn)室(甲板)聲學(xué)試驗(yàn)在取樣和樣品搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)沉積物產(chǎn)生的擾動(dòng)，并且保持了原有的壓力、溫度等環(huán)境，因此，海底沉積物聲學(xué)原位探測(cè)技術(shù)是海底沉積物聲學(xué)的發(fā)展趨勢(shì).與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的原位測(cè)量系統(tǒng)相比，新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點(diǎn)是解決了拖行過(guò)程中信號(hào)干擾問(wèn)題，首次實(shí)現(xiàn)了拖行連續(xù)測(cè)量，大大提高了工作效率.該系統(tǒng)海底測(cè)量?jī)x器的對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，使該測(cè)量系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量海底海水和海底沉積物的聲學(xué)參數(shù).在青島膠州灣海域和東海海域的海上試驗(yàn)證明了該測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.本次試驗(yàn)受條件限制，測(cè)量站位較少，海上試驗(yàn)以淺海試驗(yàn)為主，沒(méi)有開(kāi)展對(duì)深海的探測(cè).以后的工作，將加大在深海區(qū)域的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)在深海區(qū)域的工作性能.致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)三號(hào)”科考船的全體船員在本次試驗(yàn)中提供的幫助與支持，感謝中國(guó)石油大學(xué)李會(huì)銀教授對(duì)系統(tǒng)調(diào)試做出的貢獻(xiàn).

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(本文編輯 何燕)

Development and application of a new type in-situ acoustic measurement system of seafloor sediments

HOU Zheng-Yu1, 2, 3, GUO Chang-Sheng1, 2*, WANG Jing-Qiang1, 2, 3, FU Yong-Tao1, 2, LI Tie-Gang1, 2

1InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China2KeyLaboratoryofMarineGeologyandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

To accurately measure the acoustic parameters of seafloor sediment, we independently developed a new type in-situ acoustic measurement system of seafloor sediment and compared it with the conventional in-situ acoustic measurement system at home and abroad. This system can display acoustic waveforms in real-time and adjust measurement parameters on the computer. In addition to work station measurements, it also carried out a continuous dragging measurement for the first time, which greatly improves the work efficiency. According to preliminary sea trials, the structure of the underwater instrument has been redesigned such that it can measure the acoustic parameters of the seabed water and seabed sediment simultaneously. We also established a two-way digital channel, which solved the signal interference problem during the measurement. The in-situ measurement system consists of two parts: the deck control unit and the underwater measurement unit. The entire system was controlled by the host computer control procedures, and its geodetic coordinate was located by GPS.Laboratory tank experiments and sea trials were conducted to test the stability and accuracy of the system. System calibration was carried out in the laboratory tank using an underwater acoustic measurement device, and the experimental results show that the relative error of system measurement is only 0.04%, indicating high accuracy. Sea trials were conducted in Qingdao Jiaozhou Bay and the East China Sea, and the velocity and attenuation coefficient data were obtained in test areas. The comparison analysis among the measured data and other studies indicates good consistency. The tank experiments and sea trial results showed that the in-situ measurement system is capable of measuring the sound velocity and attenuation coefficient rapidly and accurately for both station measurements and drag measurements, and it can serve as survey equipment for seabed sediment acoustic measurements.

Seafloor sediment; Acoustic parameters; In-situ measurement system

10.6038/cjg20150613.

海洋公益性科研項(xiàng)目(200905025)資助.

侯正瑜，男，1988年生，湖北省武漢市人，博士研究生，從事海洋地球物理與海洋地質(zhì)聲學(xué)研究.E-mail:hansonhzy@foxmail.com

*通訊作者 郭常升，男，研究員，從事海洋地質(zhì)聲學(xué)研究.E-mail:guochine@qdio.ac.cn

10.6038/cjg20150613

P738，P631

2014-10-25，2015-04-14收修定稿

侯正瑜， 郭常升， 王景強(qiáng)等. 2015. 一種新型海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用.地球物理學(xué)報(bào)，58(6):1976-1984,

Hou Z Y, Guo C S, Wang J Q, et al. 2015. Development and application of a new type in-situ acoustic measurement system of seafloor sediments.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):1976-1984,doi:10.6038/cjg20150613.