郭 軍,馮強強,溫明明,牟澤霖,曹 明,萬 芃,王愛學,馬金鳳

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510760;2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006;3.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學 海洋研究院，湖北 武漢 430079)

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是一種高效高分辨率的海底聲學探測技術手段，能夠為高精度的海底微地形地貌探測提供厘米級的聲學圖像，從而精細刻畫海底形態(tài)，并對海底的微地形地貌特征進行定性的描述[1-4]；淺地層剖面系統(tǒng)可穿透海底表面，對海底表面一定厚度的地層進行探測，可精細勾畫海底表面以下的地質(zhì)構(gòu)造及海底底質(zhì)；多波束測深系統(tǒng)能夠提供高精度的海底位置信息，構(gòu)建高精度的海床DEM，為海底目標物及地形地貌提供準確的地理位置信息；若能將上述3種海底聲學探測技術手段進行融合疊加應用，可為海底微地形地貌的立體探測與識別提供高分辨率高精度三維可視化的基礎數(shù)據(jù)，為進一步的海底微地形地貌分析與研究提供科學可靠的技術保障。

近年來隨著我國清潔能源天然氣水合物資源勘查項目的深度開展以及天然氣水合物先導試驗區(qū)的建立，采用常規(guī)的手段與作業(yè)方式進行海底聲學探測已難以滿足天然氣水合物資源勘查的迫切需求。常規(guī)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)與淺地層剖面系統(tǒng)多用于江河湖泊，作業(yè)水深較淺，一般多為100 m左右，直接采用電纜拖曳即可作業(yè)，且由于儀器設備不能集成，故需要設計不同的航次來分別完成數(shù)據(jù)的采集，而天然氣水合物試驗區(qū)多位于水深約1 000～2 000 m的深海海域，兩者的作業(yè)環(huán)境完全不同。

聲學深拖系統(tǒng)是一種可在深海海域進行海底微地形地貌探測的海洋裝備，其搭載了側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、淺地層剖面系統(tǒng)和多波束測深系統(tǒng)，配備有壓載器、拖體、復合電纜、絞車、甲板單位、慣性導航系統(tǒng)、多普勒計程儀、溫度傳感器、海水鹽度傳感器及水下定位信標等輔助設備。作業(yè)方式為通過光電復合電纜連接壓載器與拖體，采用拖曳方式將拖體放至近海底來進行高精度高分辨率的地形地貌、淺表層地質(zhì)構(gòu)造探測。

在國外，Ines Dumke等利用DTS-1聲學深拖系統(tǒng)對新西蘭希庫朗伊地區(qū)海底進行聲學探測，綜合多波束測深、側(cè)掃聲吶及淺地層剖面3種聲學數(shù)據(jù)，揭示了冷泉在不同發(fā)展階段的聲學特征標識[5]；Derman DondururCar等利用DT2000聲學深拖系統(tǒng)對伊茲密爾灣進行海底探測，在聲學圖像上發(fā)現(xiàn)了表層水合物和活麻坑[6]。在國內(nèi)，徐建等利用聲學深拖系統(tǒng)對西太平洋的馬爾庫斯-威克海嶺一帶的海山進行調(diào)查，為富鈷結(jié)殼資源的探測提供了科學參考[7]。劉曉東等對不同類型的聲學深拖系統(tǒng)進行了較為系統(tǒng)的綜合分析對比，認為弱正浮力型深拖系統(tǒng)最為適合于天然氣水合物的資源調(diào)查[8]。

本文以南海某海域?qū)崪y聲學深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)為例，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理軟件，對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)、多波束測深數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)進行精細處理，形成高分辨率、高精度的海底微地形地貌2D圖像，構(gòu)建三維可視化海底地形地貌3D圖像，通過對上述聲學圖像進行分析，發(fā)現(xiàn)海底的微地形地貌清晰可辨，目標物輪廓清晰，各種地形地貌長度及寬度可測量，表明聲學深拖系統(tǒng)完全能夠滿足天然氣水合物資源勘查對海底微地形、微地貌、淺層構(gòu)造高分辨率探測的要求，為下一步的天然氣水合物資源開發(fā)開采、井場選位定位提供精確的基礎數(shù)據(jù)。

1 聲學深拖系統(tǒng)

1.1 Teledyne Benthos TTV-301

TTV-301是由美國Teledyne Benthos公司生產(chǎn)的一款適用于深海復雜海底環(huán)境的聲學深拖系統(tǒng)[9]，其拖體搭載3種聲學系統(tǒng)：側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)及淺地層剖面系統(tǒng)，配備有定位和輔助設備，同時也可以根據(jù)用戶的需求搭載其他聲學設備。最大工作水深為6 000 m，集成所有設備后正浮力約為91 kg，作業(yè)速度為2～4海里/h；作業(yè)時姿態(tài)穩(wěn)定性強，最大橫搖和縱搖角度為1°，周期為5s，上下升沉約0.15 m。一次作業(yè)可同時獲取側(cè)掃聲吶資料、多波束測深資料及淺地層剖面資料，不同聲學設備相互之間的信號干擾較少，極大地改變了傳統(tǒng)的海底微地形微地貌探測技術手段，圖1為Teledyne Benthos TTV-301聲學系統(tǒng)作業(yè)示意圖，圖2為海上作業(yè)時的拖體實物。

圖1 TTV-301聲學系統(tǒng)作業(yè)示意圖

1.2 聲學系統(tǒng)

Klein UUV3500系統(tǒng)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由美國L-3 KLEIN公司生產(chǎn)的一款側(cè)掃聲吶系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)適用于深海作業(yè)，采用雙頻技術，可同時工作，內(nèi)置的姿態(tài)傳感器能夠精確測量提供拖體姿態(tài)/加速度數(shù)據(jù)來支持圖像穩(wěn)定波束形成。

Reson SeaBat 7125是由TELEDYNE Reson公司生產(chǎn)的一款高性能的多波束系統(tǒng)。其測深范圍為0.5～500 m,橫搖穩(wěn)定性高，在最大可用條帶覆蓋下可實現(xiàn)橫搖穩(wěn)定。采用鈦合金導流罩，最大工作水深為 6000 m，發(fā)射頻率為200 kHz或者400 kHz。

Teledyne Benthos Chirp III是由美國Teledyne Benthos 公司生產(chǎn)的一款模塊化的淺地層剖面系統(tǒng)[11]，可安裝于船體或者搭載于拖魚中。該系統(tǒng)采用雙通道，雙頻率作業(yè)模式，結(jié)合Chirp技術和常規(guī)連續(xù)波(CW)技術，可獲取海底高分辯率的淺地層剖面。

2 試 驗

2.1 數(shù)據(jù)來源

2017年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局使用Teledyne Benthos TTV-301聲學深拖系統(tǒng)在南海某海域進行作業(yè)，作業(yè)區(qū)域水深約2 000 m左右，海底地形復雜多變。多波束采用100%海底全覆蓋模式作業(yè)；側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)記錄采用Klein 3500軟件，數(shù)據(jù)格式為XTF，單邊量程為300 m，雙頻作業(yè)100/400 kHz；淺地層剖面頻率2～7 kHz，穿透深度10～100 m之間；壓載器距海底高度約100 m，拖體距海底高度約80 m，光電復合電纜投放長度約4 km，船速保持為2.5節(jié)～3節(jié)之間。定位系統(tǒng)采用綜合導航系統(tǒng),包括:Hypack導航系統(tǒng)、Versipos LD4S接收機、Ranger2 Pro超短基線水下聲學定位系統(tǒng)。圖3為測線布設示意圖。

圖3 測線布設示意圖

2.2 多波束水深數(shù)據(jù)

圖4為多波束水深圖，從圖中可以看出海底地貌主要以海丘、海槽、海底水道、海底峽谷、深海平原等地貌為主；海底地形由西北向東南傾斜，在陸架區(qū)斜坡帶水深線走向大體與海岸線平行，水深1 300～2 230 m，地形變化相對平緩，坡度約0.7°。

圖4 多波束水深圖(m)

由于海底底流的沖刷作用，發(fā)育陸坡海脊與陸坡海谷地形；整個區(qū)域呈弧狀分布，大致與等深線平行，調(diào)查區(qū)域內(nèi)長約55 km；最高的海脊位于調(diào)查區(qū)東北部，海脊底部至頂部約為150 m，頂部平緩，地形及剖面如圖5—圖6所示；區(qū)域內(nèi)海谷的深度差從40～60 m不等，地形及剖面如圖7—圖8所示。

調(diào)查區(qū)東南部分布西沙海槽的中央水道，工區(qū)內(nèi)長度約為9 km，寬度約為8.6 km，地形如圖9—圖10所示，谷內(nèi)深度從幾十米到幾百米，沿海谷方向逐步變深。

圖5 多波束水深圖(Line-1)

圖6 Line-1對應水深剖面圖

圖7 多波束水深圖(Line-2)

圖8 Line-2對應水深剖面圖

圖9 多波束水深圖(Line-3)

圖10 Line-3對應水深剖面圖

2.3 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)

通過對原始的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進行導航編輯、海底線精確跟蹤、斜距改正、速度校正、TVG校正、NADIR校正之后，生成單條帶的側(cè)掃聲吶圖像，再經(jīng)過圖像拼接處理之后，生成整個工區(qū)的大面積無縫的側(cè)掃聲吶圖像[12-14]，如圖11所示，采用兩種色標來標記：一種為灰色，一種銅色。

從圖11可以看出，經(jīng)過必要的處理之后，整個工區(qū)的側(cè)掃聲吶圖像色調(diào)基本保持高度一致，拼接痕跡基本得到消除，北部地形地貌較為突出，南部海底底質(zhì)較為單一；同時能清晰的看到兩條帶狀的痕跡，這與多波束水深圖中的水道相互吻合，分析認為是水道邊緣強反射所致。圖12展示了側(cè)掃聲吶圖像上的海底地形地貌，其中a為砂質(zhì)海底，b為小山脊，黑色陰影為聲波無法到達所致，c為圓形凸起，d為海底異常亮班，e和f為連續(xù)多個小凹坑。

圖12 側(cè)掃聲吶海底微地形地貌圖像

2.4 淺地層剖面數(shù)據(jù)

淺地層剖面經(jīng)過初步處理之后，可以清晰地看出海底表床的起伏形態(tài)，如圖13所示。同時可以看出，存在一定程度的噪音干擾，一種是“多路徑效應”，呈現(xiàn)出一條與海底表床起伏形態(tài)完全一樣的信號；另外一種是“鏡像”，呈現(xiàn)出一條與海底表床起伏形態(tài)完全相反的信號。除上述類型噪音外，還呈現(xiàn)出規(guī)律性的“斜杠”噪音。

盡管存在一定程度的噪音，但淺地層剖面仍清晰地反映了海底的起伏狀態(tài)和海底淺表層內(nèi)部構(gòu)造，如圖13所示。圖13展示了5條淺地層剖面，從圖中可以看出海底的起伏狀態(tài)清晰可辨，地形的走勢明顯，其中Line-1測線展示了凸起的小山包，且每一個小山包下均呈現(xiàn)出異常亮斑，整條測線海底聲強反射信號差別較大，表明海底淺表層底質(zhì)類型較為復雜，結(jié)合已有海底地質(zhì)取樣資料，綜合判斷研究區(qū)域海底多為基巖、砂石等。

圖13 淺地層剖面圖像

2.5 聲學數(shù)據(jù)融合

多波束數(shù)據(jù)、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)從不同的角度反映了海底的微地形地貌及海底淺層地質(zhì)構(gòu)造，利用地理坐標對3種聲學數(shù)據(jù)進行精確的配準與融合[15]，實現(xiàn)海底表層的綜合立體探測，進行對比分析、相互驗證，可精細還原真實的海底微地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造。

圖14為同區(qū)域的3種聲學2D圖像，上面的為多波束水深圖，中間的為側(cè)掃聲吶圖，下面的為淺地層剖面圖。圖15為多波束和側(cè)掃聲吶疊加3D圖像。從圖14中可以看出，側(cè)掃聲吶圖像呈現(xiàn)出3個非常明顯的凸起，大小各異，與多波束水深圖中的起伏地形非常吻合，同時淺地層剖面圖像也印證了側(cè)掃聲吶圖像中的凸起地形。3種聲學數(shù)據(jù)高度吻合，相互印證，進一步提高了微地形地貌判讀的準確性與可靠性。通過融合處理，實現(xiàn)同一地貌地形的水深、紋理特征、海底底質(zhì)類型信息的無縫對接，初步形成海底淺表層的立體探測。

圖14 同區(qū)域的3種聲學2D圖像

圖15 多波束和側(cè)掃聲吶疊加3D圖像

3 結(jié)果與分析

深拖系統(tǒng)拉近了聲學設備與海底的距離，從而可以獲取更加精細的聲學數(shù)據(jù)。多波束水深數(shù)據(jù)成圖之后，可從水深圖中查看海底的微地形地貌，同時可以對各種微地貌進行精確的測量，例如山谷、山脊、坍塌等地貌地形的長寬高幾何信息；側(cè)掃聲吶圖像則清晰呈現(xiàn)了海底表面的紋理特征圖像，探測出海底的異常亮斑、小山脊、圓形凸起地形、凹陷地形等；淺地層剖面呈現(xiàn)出海底表面的起伏狀態(tài)，內(nèi)部聲強的差異表明了內(nèi)部構(gòu)造底質(zhì)類型的復雜性，不同層介之間的也呈現(xiàn)出較為強烈的聲學差異。

從聲學圖像中可以看出，各種海底微地形地貌清晰可辨，從不同的角度對同一微地形地貌進行精細的量測，初步實現(xiàn)對微地形地貌的立體綜合探測；同時對同一微地形地貌在不同聲學影像上的反映標識有了一定程度的認識，這對下一步聲學影像的深度融合和信息挖掘奠定了必要的研究基礎，同時也為天然氣水合物異常目標物的精準探測提供一種全新的科學可靠的技術依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹TTV-301聲學深拖系統(tǒng)在海底微地形地貌調(diào)查中的應用，并以南海某海域?qū)崪y數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)介紹深拖系統(tǒng)海上作業(yè)的模式及方式方法、并對獲取的聲學數(shù)據(jù)進行精細處理，得到高質(zhì)量、高分辨率的側(cè)掃聲吶圖像、高精度的水深圖、高分辨率的淺地層剖面構(gòu)造。通過對以上聲學數(shù)據(jù)進行初步的融合疊加處理，對比分析同一微地形地貌在不同聲學影像上的特征標識，從不同角度對微地形地貌進行立體探測與識別，取得理想的效果。同時也存在一些問題：如不同聲學影像的分辨率不一致性，融合處理過程中如何取舍；不同聲學影像定位精度的差異性等，這些將是下一步研究的重點方向。

深拖系統(tǒng)大大縮短了聲學儀器設備與海底的距離，提高了聲學數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，為海底微地形地貌的探測與識別提供了一種新型的可靠的技術手段，具有其他技術手段所不具備的技術優(yōu)勢。隨著天然氣水合物資源的深入開發(fā)以及先導試驗區(qū)的建立，利用深拖系統(tǒng)可實現(xiàn)對冷泉及其周圍環(huán)境的精確立體探測，為天然氣水合物靶場的標定提供科學可靠的可視化數(shù)據(jù)。