彭 軍，高建華，王 鵬，李 歡，余修畢

(水利部 長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011)

圖1 多模式聲吶系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Multimode sonar system schematic diagram

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)人員對(duì)于水域中的調(diào)查研究越來越多，例如: 河流、湖泊、港口以及近岸的地球物理調(diào)查、淤泥沉積和侵蝕研究、沉積物性質(zhì)和底部結(jié)構(gòu)調(diào)查、地震和測深綜合調(diào)查等[1]。針對(duì)不同類型的工程，所進(jìn)行的水域探測的目的和要求是不同的，例如探測深度、分辨率等，因此所用的儀器設(shè)備也是不同的。常見的設(shè)備主要有多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、淺地層剖面系統(tǒng)以及地震剖面測量系統(tǒng)等[2]。其中，前2種儀器主要用于水下地貌表面特征的勘探測量，便于形成地形圖，可在較大區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)工程場地條件等進(jìn)行評(píng)價(jià)；而淺地層剖面儀系統(tǒng)可以將水域范圍內(nèi)具有一定厚度的淤泥反映出來，有利于人們對(duì)水底淤泥污染有更充分的認(rèn)識(shí)[3]。

本文利用的多模式聲吶系統(tǒng)能有效地將側(cè)掃聲吶和淺地層剖面系統(tǒng)相結(jié)合，解譯互相印證，大大地提高了效率。該系統(tǒng)具有控制聲波傳輸方式(例如：脈沖長度、頻率、波形等)的強(qiáng)大功能，從而能接收高質(zhì)量的回聲信息，對(duì)于來自各種聲源發(fā)射的不同頻率的聲能信號(hào)，經(jīng)過軟件處理可以自定義地生成剖面成果圖。同時(shí)，它還能將這些聲能信號(hào)和對(duì)應(yīng)的包括實(shí)時(shí)導(dǎo)航的各類數(shù)據(jù)同步儲(chǔ)存起來，給后續(xù)成果解譯提供較大的便利。

2 多模式聲吶系統(tǒng)工作原理

多模式聲吶系統(tǒng)主要由PC(測量計(jì)算機(jī))、聲學(xué)子系統(tǒng)和GPS定位設(shè)備三部分組成，三部分功能各不相同，其中PC是用來系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集，聲學(xué)子系統(tǒng)用來生成和接收不同頻率的聲學(xué)信號(hào)，GPS定位設(shè)備是用來提供位置信息，聲學(xué)子系統(tǒng)包括淺地層剖面系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和地震子系統(tǒng)，組成示意圖如圖1所示。

2.1 淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面儀的工作原理是通過聲源發(fā)射聲脈沖信號(hào)，聲脈沖穿透水底，在遇到不同的聲阻抗反射界面時(shí)返回信息數(shù)據(jù)，返回信號(hào)被水聽器接收，接收的信號(hào)經(jīng)過合適的數(shù)據(jù)處理模塊，最后形成聲學(xué)剖面圖形來反映地層垂向結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[4]。和單脈沖的水深儀工作原理相似，淺地層剖面儀依靠自身的換能器周期性的向地下發(fā)射聲能信號(hào)，信號(hào)在傳播過程中遇到首個(gè)強(qiáng)聲阻抗界面即水底時(shí)，部分脈沖信號(hào)會(huì)因?yàn)榉瓷渥饔锰崆氨辉O(shè)備接收單元采集，剩下的聲能信號(hào)則會(huì)透過水底界面繼續(xù)向深層的介質(zhì)進(jìn)行傳播，在碰到下一個(gè)聲阻抗界面時(shí)，則會(huì)重復(fù)前面的過程，一些聲能信號(hào)返回到設(shè)備的接收單元，余下的聲能信號(hào)繼續(xù)向下傳播，如此不斷重復(fù)，直到聲能信號(hào)被完全耗盡，最終無法被儀器的接收單元記錄[5]。

聲能信號(hào)在碰到聲阻抗界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射能量強(qiáng)弱由介質(zhì)的反射系數(shù)R決定。

其中，ρ1,ρ2分別表示第一層和第二層介質(zhì)的密度;v1,v2分別表示第一層和第二層的速度。根據(jù)上述公式可以看出，聲強(qiáng)反射發(fā)生的條件是介質(zhì)必須要有較大的密度和聲速差，即當(dāng)反射系數(shù)趨近于0 時(shí)，兩層的相鄰界面就會(huì)幾乎無法產(chǎn)生無聲強(qiáng)反射，而當(dāng)反射系數(shù)趨近于1時(shí)，兩層的相鄰界面就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的聲強(qiáng)反射，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理之后，淺地層剖面儀接收單元會(huì)反映灰度較強(qiáng)的剖面的界面線。

這次應(yīng)用的多模式聲吶系統(tǒng)中的是Chirp淺地層淺剖儀，與常規(guī)的淺地層剖面儀相比，它最大的優(yōu)勢是采用了Chirp波和連續(xù)波(CW)技術(shù)，Chirp系統(tǒng)通過選擇各種波形并依靠強(qiáng)大的處理能力，最終可以得到地層淺部和深度的高精度剖面[6]。Chirp波指的是線性調(diào)頻信號(hào)，它通過對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制以增加信號(hào)的發(fā)射帶寬并在接收時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。所以它的特點(diǎn)是頻帶寬、脈沖長。為了解決理論Chirp波中太多頻率成分在同一界面處的反射波對(duì)信號(hào)分辨的影響，在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要結(jié)合相關(guān)的包絡(luò)函數(shù)，比如經(jīng)常會(huì)用到的SINC函數(shù)等，這些包絡(luò)函數(shù)的應(yīng)用可以使Chirp波中的某些主要頻率成分得到提高，某些次要頻率成分得到壓制。而且，由于儀器的采集單元接收的信號(hào)與發(fā)出的Chirp波信號(hào)相似度較高，線性噪音則不具備這種相似度，因此利用合適的處理單元對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行卷積處理，就能達(dá)到提高信噪比、降低噪聲的目的[7]。本次淺地層剖面儀分為高頻和低頻兩部分，高頻部分頻率為10～20 kHz，低頻部分頻率為2～9 kHz，最大分辨率為0.3 m。

2.2 側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲吶是通過向兩側(cè)發(fā)射聲能信號(hào)來探測水底界面聲學(xué)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)性質(zhì)的儀器，實(shí)際工作過程中，一般會(huì)在拖魚探頭的兩側(cè)各安裝一條換能器線陣，首先換能器探頭會(huì)發(fā)射一個(gè)短促的聲能信號(hào)，該聲能信號(hào)會(huì)以球面波的形式向外界傳播，在遇到水底或者障礙物的時(shí)候，根據(jù)波的傳播特性會(huì)產(chǎn)生散射，其中的反向散射波(也稱回波)會(huì)按照發(fā)射時(shí)的傳播路徑返回到換能器的接收單元儲(chǔ)存下來，經(jīng)過換能器的處理單元轉(zhuǎn)換成為一系列的電脈沖信號(hào)[8]。正常情況下，對(duì)于平滑的、軟的、凹陷的水底結(jié)構(gòu)回波較弱；粗糙的、硬的、凸起的水底結(jié)構(gòu)回波較強(qiáng)，因?yàn)檎系K物被遮擋的區(qū)域則不會(huì)產(chǎn)生回波，而且，距離探頭越遠(yuǎn)的區(qū)域回波越弱。如圖2所示，換能器在第1點(diǎn)發(fā)射短促的聲脈沖，在換能器正下方的水底為第2點(diǎn)，由于回波點(diǎn)是垂直入射的，發(fā)生正反射，就會(huì)得到很強(qiáng)的回波信號(hào)。而水底界面從第4點(diǎn)開始出現(xiàn)凸起的特征，第6點(diǎn)為最高點(diǎn)，因此第4、5、6點(diǎn)之間的區(qū)域回波較強(qiáng)，由于這3個(gè)點(diǎn)當(dāng)中，第6點(diǎn)到換能器的距離最近，第4點(diǎn)最遠(yuǎn)，所以在換能器接收到的回波信號(hào)依次是第6點(diǎn)、第5點(diǎn)和第4點(diǎn)，這也充分的說明了由于平距和斜距的不同，會(huì)造成回波強(qiáng)度的不同。由于第6點(diǎn)和第7點(diǎn)的區(qū)域被凸起的水底所遮擋，因此該區(qū)域是不會(huì)產(chǎn)生回波的。而對(duì)于第8點(diǎn)和第9點(diǎn)，它們之間的水底由于凹陷也是被遮擋住，因此也不會(huì)產(chǎn)生回波，在主機(jī)單元顯示的會(huì)是影區(qū)。

圖2 側(cè)掃聲吶回波示意圖Fig.2 The schematic diagram of side scan sonar echoes

當(dāng)換能器接收單元采集到不同強(qiáng)度的電脈沖信號(hào)后，就可以利用專業(yè)的處理軟件進(jìn)行處理，最后這些信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量，在顯示器上顯示出來[9]。根據(jù)回波幅度的不同，每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亮度也會(huì)不同，這些點(diǎn)顯示的位置和回波到達(dá)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，最終每一次的回波數(shù)據(jù)都會(huì)在顯示器上成為一條橫線，每一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)的電脈沖信號(hào)按規(guī)律縱向排列，就形成了二維的水底地貌聲學(xué)成果圖影像[10]。聲學(xué)成果圖上的亮度包含了水底界面介質(zhì)的特征，而且這些特征信息與水底平面呈逐點(diǎn)映射的關(guān)系，方便技術(shù)人員更好地了解水底地貌結(jié)果特征。利用側(cè)掃聲吶的“拍照”功能，可應(yīng)用于水底底質(zhì)分類、水底礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、障礙物探測和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等，本次側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的工作頻率為100～400 kHz。

2.3 淺地層剖面和側(cè)掃聲吶交互解譯原理

對(duì)于多模式聲吶采集系統(tǒng)，提供一種各系統(tǒng)之間的交互解譯功能。淺地層剖面法和側(cè)掃聲吶法數(shù)據(jù)同時(shí)采集，并且可以實(shí)時(shí)同時(shí)顯示數(shù)據(jù)，利用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面軟件的交互解釋功能可以看出，在側(cè)掃聲吶投影圖上淤泥覆蓋的地方，淺地層剖面對(duì)應(yīng)的位置會(huì)比較光滑(如圖3左所示)，在水底有基巖出露的地方，淺地層剖面圖對(duì)應(yīng)的位置起伏不平(如圖3右所示)，以此特征來判斷水底界面是否有淤泥覆蓋和分辨淤泥厚度。

圖3 淺地層剖面與側(cè)掃聲吶交互解釋Fig.3 The result of sub-bottom profile and side scan sonar interactive interpretation

3 云溪水庫應(yīng)用實(shí)例

云溪水庫位于陸水上游支流菖蒲港分支云溪港上，主壩壩址座落在湖北省通城縣關(guān)刀鎮(zhèn)，距通城縣18 km，云溪水庫控制流域面積為48.3 km2，總庫容4 605×104m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖等水利任務(wù)的中型水庫。在實(shí)際作業(yè)前，淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶儀器需要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，通過設(shè)置不同的測試參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)不同的成像效果，進(jìn)一步了解不同參數(shù)對(duì)淺地層剖面圖像和側(cè)掃聲吶圖像成果的影響，來確定最合適的野外作業(yè)參數(shù)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定本次云溪水庫的淺地層剖面儀測試頻率為2～9 kHz，采樣率為20 kSPS(每秒采樣千次)，采樣長度為100 ms，采樣間隔為500 ms，側(cè)掃聲吶的測試頻率為400 kHz，采樣率為25 kSPS，兩側(cè)掃描范圍為80 m。按照計(jì)劃測線利用多模式聲吶系統(tǒng)進(jìn)行走航式測量，采集側(cè)掃聲吶和淺地層剖面數(shù)據(jù)。

圖4 側(cè)掃聲吶成果掃描Fig.4 The result of side scan sonar

根據(jù)側(cè)掃聲吶的處理軟件，將側(cè)掃拖魚左右換能器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，投影到工區(qū)底圖上，得到整個(gè)區(qū)域掃描成果，如圖4所示。根據(jù)前文介紹的側(cè)掃聲吶的工作原理知道，側(cè)掃聲吶成果圖譜中的聲學(xué)空白區(qū)和表層聲學(xué)空白層是水底相對(duì)比較軟的介質(zhì)，判斷為淤泥分布區(qū)域，也是本次淤泥探測的主要目標(biāo)。側(cè)掃聲吶成果圖中出現(xiàn)的聲學(xué)空白有兩種原因，一種是由于水底地形凹陷，聲波無法到達(dá)某一位置而形成的盲區(qū)；另一種是水底底質(zhì)為聲能強(qiáng)吸收物質(zhì)，側(cè)掃聲吶聲波到達(dá)該類型介質(zhì)時(shí)，聲能大量損耗，幾乎無法返回?fù)Q能器而出現(xiàn)聲能空白。對(duì)于圖像中灰度比較大的區(qū)域則是水底相對(duì)比較堅(jiān)硬、粗糙、凸起的介質(zhì)，判斷為基巖。根據(jù)此原理，可以得知，水下共有3處基巖隆起，而且基巖邊界清晰可辨，左上方的基巖小溝掃描效果也很好，說明該儀器分辨率很高，在水庫環(huán)境中的應(yīng)用效果非常好。

選取其中2條測線L2和L4，其淺地層剖面采集成果如圖5和圖6所示。L2測線淺地層剖面成果圖左側(cè)區(qū)域明顯凸起，且下方未有同相軸出現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的交互解譯功能可以看出，正好對(duì)應(yīng)區(qū)域灰度較高，判斷是水底的基巖隆起。L2測線淺剖成果圖的右側(cè)部分，水底界面較為平緩，下方同相軸明顯，聲波在其他區(qū)域的水底面反射強(qiáng)度明顯強(qiáng)于該區(qū)域的聲波反射強(qiáng)度，圖像中出現(xiàn)的約1.5 m厚的聲學(xué)空白層，判定為淤泥的區(qū)域，厚度約為1.5 m。L4測線淺地層剖面成果圖中間部分凸起，判斷為基巖，兩側(cè)較為平緩，側(cè)掃聲吶成像圖中灰度為白色，推斷為淤泥區(qū)域，厚度最大約為3 m。

圖5 L2測線淺地層剖面儀采集成果(1∶2 000)Fig.5 The result of sub-bottom profile collection(1∶2 000) of line L2

圖6 L4測線淺地層剖面儀采集成果(1∶2 000)Fig.6 The result of sub-bottom profile collection(1∶2 000) of line L4

根據(jù)上述L2和L4測線的解譯流程，可以拾取工區(qū)所有測線的淤泥層位，利用專業(yè)的解譯軟件導(dǎo)出淤泥層位的高程厚度信息，這些信息與測線坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，最后利用Surfer軟件繪制得到該區(qū)域的淤泥沉積厚度分布圖，將得到的淤泥沉積厚度圖投影到側(cè)掃聲吶結(jié)果上，如圖7所示。從圖7中可以看出，紅線是厚度為0的基巖邊界線，整個(gè)區(qū)域內(nèi)淤泥平均厚度為2 m左右，局部位置最大達(dá)到3～4 m，三處隆起的基巖邊界與等值線圖特征吻合得非常好，說明了淺地層剖面和側(cè)掃聲吶相結(jié)合的方法在水庫淤泥探測中的應(yīng)用效果顯著。在水庫中選取采樣點(diǎn)，利用美國SDI公司D型電動(dòng)沉積物采樣器對(duì)采樣點(diǎn)底泥進(jìn)行全柱狀取樣，該方法采用柱狀透明采樣管，全柱狀采樣可直接觀察到淤泥的垂直分布情況，是調(diào)查底淤泥厚度的主要手段。其中CYD07采樣結(jié)果如圖8所示，可以看出CYD07點(diǎn)位置淤泥厚度為1.52 m，正好位于淤泥厚度等值線圖1.5 m等值線附近，說明了淺地層剖面解譯的厚度比較準(zhǔn)確。

圖7 淤泥厚度等值線投影圖(1∶2 000)Fig.7 Sludge thickness contour projection(1∶2 000)

圖8 采樣點(diǎn)CYD07淤泥厚度Fig.8 Sludge thickness of sampling point CYD07

4 結(jié) 論

本文介紹了多模式聲吶系統(tǒng)的工作原理以及該技術(shù)在咸寧云溪水庫淤泥探測的應(yīng)用效果，得到的結(jié)論如下：

1)云溪水庫里淤泥的平均厚度約為2 m，局部最大達(dá)到4 m左右，分布于水庫大壩左前方區(qū)域。

2)多模式聲吶系統(tǒng)工作穩(wěn)定，技術(shù)手段先進(jìn)，最大的優(yōu)勢是提供交互解譯功能，在水域淤泥探測中的應(yīng)用效果非常明顯。

3)淺地層剖面法確定淤泥的厚度，側(cè)掃聲吶法有效的劃分水底界面中淤泥和基巖的分布范圍，兩者相結(jié)合，解譯互相印證，不僅可以提高探測的效率，還可以極大地增加室內(nèi)資料解譯的準(zhǔn)確度。