張同偉，楊波，丁忠軍，唐嘉陵，劉燁瑤

(1. 國家深?；毓芾碇行?青島 266061； 2. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 海洋聲學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

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一種基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法*

張同偉1，楊波2，丁忠軍1，唐嘉陵1，劉燁瑤2

(1. 國家深?；毓芾碇行?青島 266061； 2. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 海洋聲學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

在大洋沉積物取樣作業(yè)中，實(shí)時獲取取樣器距底高度和準(zhǔn)確判別取樣器是否觸底是整個作業(yè)的關(guān)鍵。提出了一種基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法，并成功應(yīng)用到了2013年“蛟龍”號試驗(yàn)性應(yīng)用航次的常規(guī)調(diào)查作業(yè)中。實(shí)際應(yīng)用表明，該方法不僅能夠?qū)崟r獲取聲學(xué)Pinger距離海底的高度，而且能夠準(zhǔn)確判斷取樣器是否觸底。

聲學(xué)Pinger；測深儀；距底高度測量

近年來，隨著海洋調(diào)查技術(shù)和裝備水平的不斷提升，一些新的海底地質(zhì)取樣技術(shù)，如可視取樣、原位測量、取樣鉆機(jī)、保真取樣等，逐漸應(yīng)用到大洋科考中[1-8]。盡管如此，重力柱取樣器、多管取樣器、箱式取樣器等常規(guī)海底沉積物取樣設(shè)備仍然在大洋沉積物取樣中發(fā)揮著重要作用。然而這些常規(guī)取樣方式存在著難以實(shí)時獲取取樣器距底高度，以及準(zhǔn)確判定取樣器觸底時刻等問題，特別是在大洋調(diào)查作業(yè)中，水深一般都在數(shù)千米。傳統(tǒng)的作業(yè)方式是，調(diào)查人員根據(jù)鋼纜的傾斜角及作業(yè)海深來估算放纜長度，帶有極強(qiáng)的人為主觀因素。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的大洋調(diào)查人員，仍然難以準(zhǔn)確估算放纜長度，經(jīng)常不是放纜過長，就是施放不到底，給取樣作業(yè)帶來了極大的困難和不確定性。

在實(shí)際大洋沉積物取樣作業(yè)中，實(shí)時獲取取樣器距底高度和準(zhǔn)確判別取樣器是否觸底是整個作業(yè)的關(guān)鍵[9]。本文在介紹兩種聲學(xué)Pinger技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法，并將所提方法成功應(yīng)用到2013年“蛟龍”號試驗(yàn)性應(yīng)用航次的常規(guī)調(diào)查作業(yè)中，取得良好的應(yīng)用效果，保障了常規(guī)調(diào)查作業(yè)的順利實(shí)施。

1 聲學(xué)Pinger距底高度測量方法

1.1 傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger方法

傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger技術(shù)[10]是采用遙測的方法獲取取樣器的觸底時刻。聲學(xué)Pinger的上下兩端各裝一小開角發(fā)射換能器。其工作原理是，將聲學(xué)Pinger隨鋼纜施放于水中后，聲學(xué)Pinger按預(yù)定的時間間隔(如1 s)同時向上和向下發(fā)射聲脈沖，船上通過水聽器接收聲脈沖的直達(dá)波和海底反射波。當(dāng)聲學(xué)Pinger僅用于判斷取樣器是否觸底時，則無需計算聲學(xué)Pinger距底高度。顯然，直達(dá)波和海底反射波的到達(dá)時差隨聲學(xué)Pinger距海底的高度減小而變小。當(dāng)聲學(xué)Pinger抵達(dá)海底時，到達(dá)時差趨于零，從而可實(shí)現(xiàn)取樣器的觸底判別。

傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是除船上水聽器外，不需要其他設(shè)備；缺點(diǎn)是受海底反射系數(shù)、聲速變化和懸掛高度等影響，性能不穩(wěn)定。

1.2 測高聲學(xué)Pinger方法

實(shí)際使用時，就監(jiān)測取樣器的觸底信息而言，測量聲學(xué)Pinger距取樣器的高度變化更為方便。與傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger不同，本小節(jié)介紹的聲學(xué)Pinger具有測高功能，稱之為測高聲學(xué)Pinger[9]。它的上端安裝一小開角的發(fā)射換能器，下端安裝一小開角收發(fā)合置換能器，實(shí)現(xiàn)測高功能。其工作原理是，將測高聲學(xué)Pinger懸掛在取樣器上方的一定高度(如50 m)，在施放鋼纜時，測高聲學(xué)Pinger的下端換能器按預(yù)定的時間間隔(如1 s)向取樣器發(fā)射聲脈沖，同時觸發(fā)上端換能器向上發(fā)射一聲脈沖。當(dāng)測高聲學(xué)Pinger的下端換能器接收到取樣器的反射回波后，立即觸發(fā)上端換能器再次發(fā)射聲脈沖。船側(cè)水聽器每秒可接收到2個聲脈沖信號，根據(jù)這2個聲脈沖信號的時差就可得到聲學(xué)Pinger與取樣器的距離。實(shí)際使用中，無需知道這個距離的具體數(shù)值。在取樣器未到達(dá)海底前，2聲脈沖信號的時差保持不變，一旦取樣器到達(dá)海底，測高聲學(xué)Pinger與取樣器的距離開始變小，使得2個聲脈沖的時差也變小。因此，2個聲脈沖的時差開始變小的時刻就可以認(rèn)定為取樣器的觸底時刻。

測高聲學(xué)Pinger的優(yōu)點(diǎn)是：不受海底反射系數(shù)、聲速變化和懸掛高度等因素的影響；缺點(diǎn)是：① 無法獲取取樣器距離海底的高度，不利于充分發(fā)揮重力取樣的優(yōu)勢。當(dāng)取樣器接近海底時，操縱絞車全速放纜，使取樣器近似自由落體，利用自身重力產(chǎn)生更高的觸底速度，在慣性作用下貫入海底，獲取樣品；② 通過2個聲脈沖時差由不變到變小來判斷取樣器是否觸底，是一個突變過程，不利于實(shí)時監(jiān)測，無疑給操作人員帶來很大負(fù)擔(dān)。

1.3 基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法

本節(jié)介紹一種基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法，與前2種方法相比，該距底高度測量技術(shù)更加簡單、成熟和穩(wěn)定可靠?；跍y深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法的工作原理見圖1所示。因聲波經(jīng)海底反射后會有較大衰減，故將固定在鋼纜上的大開角(超半球形)聲學(xué)Pinger保持換能器頭朝下。聲學(xué)Pinger與取樣器的距離約為50 m。

圖1 基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量

入水前打開聲學(xué)Pinger，它按預(yù)定的時間間隔(默認(rèn)1 s)持續(xù)發(fā)射頻率為12 kHz的聲脈沖(脈沖寬度默認(rèn)2 ms)。將單波束測深儀的工作模式設(shè)置為被動Pinger模式，則安裝在船底的單波束測深儀換能器同時接收來自聲學(xué)Pinger的直達(dá)波和經(jīng)海底的反射波。單波束測深儀自動設(shè)定某一初始時刻t0(類似于主動測深模式下的脈沖發(fā)射時刻)，測得直達(dá)波到達(dá)時刻t1，海底反射波到達(dá)時刻t2，則直達(dá)波對應(yīng)的深度為

h1=c·(t1-t0)/2

(1)

海底反射波對應(yīng)的深度為

h2=c·(t2-t0)/2

(2)

在實(shí)際大洋調(diào)查取樣中，海水深度通?？蛇_(dá)數(shù)千米，當(dāng)取樣器接近海底時，直達(dá)波和海底反射波之間的夾角Δθ≈0°，則聲學(xué)Pinger距底高度為

Δh=h2-h1=c·(t2-t1)/2

(3)

由此可見，聲學(xué)Pinger的距底高度是聲速和直達(dá)波與海底反射波時間差的函數(shù)，而與系統(tǒng)自動設(shè)定的初始時刻t0無關(guān)。在實(shí)際使用中，為獲得更加準(zhǔn)確的聲學(xué)Pinger距底高度，聲速應(yīng)選擇海底底部的聲速值，它可由CTD調(diào)查獲得。

需要注意的是，聲學(xué)Pinger入水后在相當(dāng)長時間內(nèi)，它距離海底很遠(yuǎn)，這使得與直達(dá)波相比，海底反射波非常微弱，幾乎被淹沒在直達(dá)波和背景噪聲中，此時測深儀只能獲得直達(dá)波對應(yīng)的深度h1(當(dāng)然，這個深度值只是一個相對值，而不是聲學(xué)Pinger的真實(shí)深度)。只有當(dāng)聲學(xué)Pinger接近海底時，海底反射波與直達(dá)波強(qiáng)度相差不大，此時測深儀能同時獲得直達(dá)波的深度h1和海底反射波的深度h2(同樣，對應(yīng)的深度也是相對值)，兩者做差(h2-h1)，即可估算出聲學(xué)Pinger距離海底的高度Δh。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要首先確認(rèn)單波束測深儀或淺地層剖面儀具有12kHz的收發(fā)換能器，即它可以采用12kHz頻率測量海深；然后確認(rèn)單波束測深儀或淺地層剖面儀具備被動Pinger工作模式；最后配上12kHz的通用聲學(xué)Pinger(如IXSEAEP861S)即可實(shí)現(xiàn)距底高度測量。

與1.1節(jié)中采用水聽器接收聲學(xué)Pinger的直達(dá)波和海底反射波相比，測深儀采用具有指向性換能器陣接收聲波，并通過系統(tǒng)內(nèi)部的一系列信號處理算法，提高了微弱信號的檢測能力，性能更加穩(wěn)定可靠。

1.4 基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法的實(shí)現(xiàn)步驟

本文所提出的基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法，其特征在于：充分利用船載單波束測深儀的被動Pinger模式實(shí)現(xiàn)聲學(xué)Pinger的距底高度測量。它將聲學(xué)Pinger固定在懸掛取樣器的鋼纜上，保持換能器頭朝下，距離取樣器約50m。待鋼纜釋放長度與海深相差小于750m時，通過單波束測深儀的被動Pinger模式接收聲學(xué)Pinger的直達(dá)波和海底反射波，并給出兩者相對于同一初始時刻的深度值(相對值)，讀取兩深度值并做差，即可獲得聲學(xué)Pinger的距底高度。其實(shí)現(xiàn)過程分為以下6步。

步驟1：待鋼纜施放50m時，絞車停止放纜，折臂吊擺回船舷，安裝聲學(xué)Pinger，保持換能器頭向下，安裝完成后開啟聲學(xué)Pinger，使之不斷發(fā)射聲脈沖。

步驟2：開啟單波束測深儀，設(shè)置為被動Pinger模式，并確認(rèn)能夠接收到聲學(xué)Pinger的直達(dá)波。

步驟3：單波束測深儀切換至主動測深模式，準(zhǔn)確測量海水深度。

步驟4：待絞車放纜長度與海深相差750m時，單波束測深儀切換回被動Pinger模式，根據(jù)直達(dá)波信號強(qiáng)度合理調(diào)整“通道增益”，通過調(diào)整“海底增益”使海底反射波能夠合理顯示。

步驟5：分別讀取直達(dá)波和海底反射波對應(yīng)的深度值，并據(jù)此估計聲學(xué)Pinger距底高度，待聲學(xué)Pinger距底高度為50m時，表示取樣器已經(jīng)觸底。

步驟6：待聲學(xué)Pinger出水后，回收聲學(xué)Pinger。

2 測量裝備

2.1 Bathy2010單波束測深儀[11]

“向陽紅09”船(“蛟龍”號載人潛水器支持母船)上裝備的單波束測深儀(也稱淺地層剖面儀)是美國SyQwest公司的Bathy2010。它利用CW和Chirp技術(shù)，發(fā)射聲脈沖的重復(fù)性好，采用陣列波束形成技術(shù)，旁瓣得到很好的抑制，實(shí)現(xiàn)了全海深的深度和淺地層剖面測量，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。它配備了兩種頻率的換能器，分別為3.5kHz和12kHz。其中3.5kHz換能器的水深穿透深度為12 000m，實(shí)現(xiàn)全海深覆蓋，其地層穿透能力較強(qiáng)，可達(dá)300m；12kHz換能器的水深穿透深度可達(dá)6 000m，傳播脈沖混響小。同時，它采用了SyQwest公司獨(dú)有的水底探測跟蹤算法和水底數(shù)字化技術(shù)，確保了在陡坡地形和高噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)水底跟蹤。

表1 Bathy2010主要技術(shù)指標(biāo)

Bathy2010具備3種工作模式，分別為主動模式、被動Pinger模式和外部觸發(fā)模式。主動模式和外部觸發(fā)模式主要用于海深測量或淺地層剖面測量；被動Pinger模式下通過與聲學(xué)Pinger配合可測量聲學(xué)Pinger距底高度。需要注意的是，同一時間，Bathy2010只能夠工作于一種模式。當(dāng)工作于主動模式或外部觸發(fā)模式時，只能夠用于測深或淺地層剖面測量，不能接收Pinger信號；當(dāng)工作于被動Pinger模式時，只能夠接收Pinger信號，無法實(shí)現(xiàn)測深或淺剖功能。被動Pinger模式匹配的信號頻率為12 kHz，有效脈沖寬度為2 ms、5 ms和10 ms。

2.2 EP861S聲學(xué)Pinger

聲學(xué)Pinger采用法國IXSEA公司的EP861S。與其他海洋信標(biāo)不同，EP861S功能比較單一，僅具備Pinger功能，表2給出了其主要技術(shù)指標(biāo)。EP861S的默認(rèn)工作頻率為12 kHz，發(fā)射周期為1 s，CW脈沖寬度2 ms，正好與Bathy2010中的被動Pinger模式相匹配。

表2 EP861S聲學(xué)Pinger主要技術(shù)指標(biāo)

3 在2013年“蛟龍”號試驗(yàn)性應(yīng)用航次常規(guī)調(diào)查作業(yè)中的應(yīng)用

3.1 海水深度測量

啟動單波束測深儀后，設(shè)置為主動模式，工作頻率選擇為3.5 kHz。與12 kHz相比，3.5 kHz 對應(yīng)的波長大，其測量精度低。在上千米海深時，一般采用3.5 kHz。這樣其測量速度更快，可以在最短的時間內(nèi)測得海深數(shù)據(jù)。

3.2 基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量

單波束測深儀設(shè)置為被動Pinger模式，工作頻率選擇為12 kHz。設(shè)置完成后，單波束測深儀進(jìn)入被動Pinger工作模式，開始接收聲學(xué)Pinger脈沖信號，并隨機(jī)設(shè)置初始時刻，實(shí)現(xiàn)對聲學(xué)Pinger的自動跟蹤。此時，“深度值”窗口顯示的是聲學(xué)Pinger直達(dá)波對應(yīng)的深度值，但該深度值是一個相對值，不代表聲學(xué)Pinger真實(shí)深度。

每收到一個聲學(xué)Pinger直達(dá)波后，它都會在“數(shù)據(jù)記錄顯示”窗口打一黑點(diǎn)。隨著聲學(xué)Pinger不斷下降，其“數(shù)據(jù)記錄顯示”窗口中的黑點(diǎn)連成一條不斷下降黑線；當(dāng)聲學(xué)Pinger不斷上升時，相應(yīng)的黑線也不斷上升；當(dāng)聲學(xué)Pinger深度不變時，相應(yīng)的黑線保持水平。黑線的斜率在一定程度上反映了聲學(xué)Pinger的深度變化速度。

大洋科考作業(yè)海域的水深一般在數(shù)千米，聲學(xué)Pinger入水后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，測深儀只能接收到直達(dá)波，即“數(shù)據(jù)記錄顯示”窗口只有一條下降的黑線。當(dāng)聲學(xué)Pinger下降到距離海底750 m以內(nèi)時，收到的海底反射波才是有意義的。通過合理調(diào)整增益，使海底反射波能夠合理顯示。隨著聲學(xué)Pinger深度的進(jìn)一步下降，“數(shù)據(jù)記錄顯示”窗口中海底反射波對應(yīng)的黑線不斷上升，與直達(dá)波對應(yīng)的黑線斜率正好相反。這樣，在“數(shù)據(jù)記錄顯示”窗口讀取當(dāng)前時刻的直達(dá)波對應(yīng)的深度值和海底反射波對應(yīng)的深度值，兩者做差即是聲學(xué)Pinger距底高度。

圖2給出了某站位沉積物取樣過程中單波束測深儀工作記錄。

圖2 某站位沉積物取樣過程中單波束測深儀工作記錄

由圖2可見，基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法能夠?qū)崟r獲取聲學(xué)Pinger距底高度，并能準(zhǔn)確判別取樣器是否觸底。在被動Pinger模式下，單波束測深儀的工作可以分為5個階段。

A階段：聲學(xué)Pinger距離海底高度大于 120 m，絞車持續(xù)勻速放纜，聲學(xué)Pinger不斷下降。

B階段：聲學(xué)Pinger距離海底高度為120 m，絞車停止放纜，聲學(xué)Pinger深度保持，取樣器依靠自身重力調(diào)整姿態(tài)，使之處于垂直狀態(tài)。

C階段：取樣器姿態(tài)調(diào)整完畢后，絞車全速放纜，直至取樣器觸底，聲學(xué)Pinger距離海底高度由120 m減小為40 m。

D階段：聲學(xué)Pinger距離海底高度為40 m，絞車停止放纜，停留約5～10 min，待取樣器狀態(tài)穩(wěn)定。

E階段：絞車開始回收鋼纜，聲學(xué)Pinger距離海底高度由40 m開始增加，超過50 m時，取樣器離開海底。

4 總結(jié)

在實(shí)際大洋沉積物取樣作業(yè)中，實(shí)時獲取取樣器距底高度和準(zhǔn)確判別取樣器是否觸底是整個作業(yè)的關(guān)鍵，在沒有觸底檢測設(shè)備時，全憑作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)。如果作業(yè)水域存在海流，甚至上下水層的海流方向不同，鋼纜在水下的形狀更復(fù)雜而且無法預(yù)知，估算就更不準(zhǔn)確。取樣器觸底如果判斷不準(zhǔn)將會帶來如下問題：① 未觸底，取樣失敗；② 放纜過長，致使鋼纜打結(jié)，極易造成鋼纜損壞。

在充分調(diào)研聲學(xué)Pinger技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于測深儀的聲學(xué)Pinger距底高度測量方法，并成功應(yīng)用到了2013年“蛟龍”號試驗(yàn)性應(yīng)用航次的常規(guī)調(diào)查作業(yè)中。在歷次重力柱取樣、箱式取樣和多管取樣中，均能實(shí)時獲取聲學(xué)Pinger距離海底的高度，準(zhǔn)確判斷取樣器是否觸底，保證了海底沉積物取樣的順利實(shí)施。

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國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330965)；“十三五”863重大專項(xiàng)“4500米載人潛水器總體集成”(SS2014AA091801).

U666.7

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1005-9857(2015)03-0073-05