一種基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法*

張同偉，楊波，丁忠軍，唐嘉陵，劉燁瑤

(1. 國家深海基地管理中心 青島 266061； 2. 中國科學院聲學研究所 海洋聲學技術實驗室 北京 100190)

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一種基于測深儀的聲學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. 國家深海基地管理中心 青島 266061； 2. 中國科學院聲學研究所 海洋聲學技術實驗室 北京 100190)

在大洋沉積物取樣作業中，實時獲取取樣器距底高度和準確判別取樣器是否觸底是整個作業的關鍵。提出了一種基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法，并成功應用到了2013年“蛟龍”號試驗性應用航次的常規調查作業中。實際應用表明，該方法不僅能夠實時獲取聲學Pinger距離海底的高度，而且能夠準確判斷取樣器是否觸底。

聲學Pinger；測深儀；距底高度測量

近年來，隨著海洋調查技術和裝備水平的不斷提升，一些新的海底地質取樣技術，如可視取樣、原位測量、取樣鉆機、保真取樣等，逐漸應用到大洋科考中[1-8]。盡管如此，重力柱取樣器、多管取樣器、箱式取樣器等常規海底沉積物取樣設備仍然在大洋沉積物取樣中發揮著重要作用。然而這些常規取樣方式存在著難以實時獲取取樣器距底高度，以及準確判定取樣器觸底時刻等問題，特別是在大洋調查作業中，水深一般都在數千米。傳統的作業方式是，調查人員根據鋼纜的傾斜角及作業海深來估算放纜長度，帶有極強的人為主觀因素。即使是經驗豐富的大洋調查人員，仍然難以準確估算放纜長度，經常不是放纜過長，就是施放不到底，給取樣作業帶來了極大的困難和不確定性。

在實際大洋沉積物取樣作業中，實時獲取取樣器距底高度和準確判別取樣器是否觸底是整個作業的關鍵[9]。本文在介紹兩種聲學Pinger技術的基礎上，提出了一種基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法，并將所提方法成功應用到2013年“蛟龍”號試驗性應用航次的常規調查作業中，取得良好的應用效果，保障了常規調查作業的順利實施。

1 聲學Pinger距底高度測量方法

1.1 傳統聲學Pinger方法

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

傳統聲學Pinger技術的優點是除船上水聽器外，不需要其他設備；缺點是受海底反射系數、聲速變化和懸掛高度等影響，性能不穩定。

1.2 測高聲學Pinger方法

實際使用時，就監測取樣器的觸底信息而言，測量聲學Pinger距取樣器的高度變化更為方便。與傳統聲學Pinger不同，本小節介紹的聲學Pinger具有測高功能，稱之為測高聲學Pinger[9]。它的上端安裝一小開角的發射換能器，下端安裝一小開角收發合置換能器，實現測高功能。其工作原理是，將測高聲學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Pinger的下端換能器按預定的時間間隔(如1 s)向取樣器發射聲脈沖，同時觸發上端換能器向上發射一聲脈沖。當測高聲學Pinger的下端換能器接收到取樣器的反射回波后，立即觸發上端換能器再次發射聲脈沖。船側水聽器每秒可接收到2個聲脈沖信號，根據這2個聲脈沖信號的時差就可得到聲學Pinger與取樣器的距離。實際使用中，無需知道這個距離的具體數值。在取樣器未到達海底前，2聲脈沖信號的時差保持不變，一旦取樣器到達海底，測高聲學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定為取樣器的觸底時刻。

測高聲學Pinger的優點是：不受海底反射系數、聲速變化和懸掛高度等因素的影響；缺點是：① 無法獲取取樣器距離海底的高度，不利于充分發揮重力取樣的優勢。當取樣器接近海底時，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，不利于實時監測，無疑給操作人員帶來很大負擔。

1.3 基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法

本節介紹一種基于測深儀的聲學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更加簡單、成熟和穩定可靠。基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法的工作原理見圖1所示。因聲波經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Pinger保持換能器頭朝下。聲學Pinger與取樣器的距離約為50 m。

圖1 基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量

入水前打開聲學Pinger，它按預定的時間間隔(默認1 s)持續發射頻率為12 kHz的聲脈沖(脈沖寬度默認2 ms)。將單波束測深儀的工作模式設置為被動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Pinger的直達波和經海底的反射波。單波束測深儀自動設定某一初始時刻t0(類似于主動測深模式下的脈沖發射時刻)，測得直達波到達時刻t1，海底反射波到達時刻t2，則直達波對應的深度為

h1=c·(t1-t0)/2

(1)

海底反射波對應的深度為

h2=c·(t2-t0)/2

(2)

在實際大洋調查取樣中，海水深度通常可達數千米，當取樣器接近海底時，直達波和海底反射波之間的夾角Δθ≈0°，則聲學Pinger距底高度為

Δh=h2-h1=c·(t2-t1)/2

(3)

由此可見，聲學Pinger的距底高度是聲速和直達波與海底反射波時間差的函數，而與系統自動設定的初始時刻t0無關。在實際使用中，為獲得更加準確的聲學Pinger距底高度，聲速應選擇海底底部的聲速值，它可由CTD調查獲得。

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

在實際應用中，需要首先確認單波束測深儀或淺地層剖面儀具有12kHz的收發換能器，即它可以采用12kHz頻率測量海深；然后確認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Pinger(如IXSEAEP861S)即可實現距底高度測量。

與1.1節中采用水聽器接收聲學Pinger的直達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，并通過系統內部的一系列信號處理算法，提高了微弱信號的檢測能力，性能更加穩定可靠。

1.4 基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法的實現步驟

本文所提出的基于測深儀的聲學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模式實現聲學Pinger的距底高度測量。它將聲學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Pinger的直達波和海底反射波，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Pinger的距底高度。其實現過程分為以下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Pinger，保持換能器頭向下，安裝完成后開啟聲學Pinger，使之不斷發射聲脈沖。

步驟2：開啟單波束測深儀，設置為被動Pinger模式，并確認能夠接收到聲學Pinger的直達波。

步驟3：單波束測深儀切換至主動測深模式，準確測量海水深度。

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，根據直達波信號強度合理調整“通道增益”，通過調整“海底增益”使海底反射波能夠合理顯示。

步驟5：分別讀取直達波和海底反射波對應的深度值，并據此估計聲學Pinger距底高度，待聲學Pinger距底高度為50m時，表示取樣器已經觸底。

步驟6：待聲學Pinger出水后，回收聲學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，發射聲脈沖的重復性好，采用陣列波束形成技術，旁瓣得到很好的抑制，實現了全海深的深度和淺地層剖面測量，其主要技術指標如表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，實現全海深覆蓋，其地層穿透能力較強，可達300m；12kHz換能器的水深穿透深度可達6 000m，傳播脈沖混響小。同時，它采用了SyQwest公司獨有的水底探測跟蹤算法和水底數字化技術，確保了在陡坡地形和高噪聲環境中實現水底跟蹤。

表1 Bathy2010主要技術指標

Bathy2010具備3種工作模式，分別為主動模式、被動Pinger模式和外部觸發模式。主動模式和外部觸發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Pinger配合可測量聲學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。當工作于主動模式或外部觸發模式時，只能夠用于測深或淺地層剖面測量，不能接收Pinger信號；當工作于被動Pinger模式時，只能夠接收Pinger信號，無法實現測深或淺剖功能。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Pinger

聲學Pinger采用法國IXSEA公司的EP861S。與其他海洋信標不同，EP861S功能比較單一，僅具備Pinger功能，表2給出了其主要技術指標。EP861S的默認工作頻率為12 kHz，發射周期為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Pinger主要技術指標

3 在2013年“蛟龍”號試驗性應用航次常規調查作業中的應用

3.1 海水深度測量

啟動單波束測深儀后，設置為主動模式，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測得海深數據。

3.2 基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量

單波束測深儀設置為被動Pinger模式，工作頻率選擇為12 kHz。設置完成后，單波束測深儀進入被動Pinger工作模式，開始接收聲學Pinger脈沖信號，并隨機設置初始時刻，實現對聲學Pinger的自動跟蹤。此時，“深度值”窗口顯示的是聲學Pinger直達波對應的深度值，但該深度值是一個相對值，不代表聲學Pinger真實深度。

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

大洋科考作業海域的水深一般在數千米，聲學Pinger入水后的相當長一段時間內，測深儀只能接收到直達波，即“數據記錄顯示”窗口只有一條下降的黑線。當聲學Pinger下降到距離海底750 m以內時，收到的海底反射波才是有意義的。通過合理調整增益，使海底反射波能夠合理顯示。隨著聲學Pinger深度的進一步下降，“數據記錄顯示”窗口中海底反射波對應的黑線不斷上升，與直達波對應的黑線斜率正好相反。這樣，在“數據記錄顯示”窗口讀取當前時刻的直達波對應的深度值和海底反射波對應的深度值，兩者做差即是聲學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Pinger距底高度測量方法能夠實時獲取聲學Pinger距底高度，并能準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Pinger距離海底高度大于 120 m，絞車持續勻速放纜，聲學Pinger不斷下降。

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

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

D階段：聲學Pinger距離海底高度為40 m，絞車停止放纜，停留約5～10 min，待取樣器狀態穩定。

E階段：絞車開始回收鋼纜，聲學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

在實際大洋沉積物取樣作業中，實時獲取取樣器距底高度和準確判別取樣器是否觸底是整個作業的關鍵，在沒有觸底檢測設備時，全憑作業人員的經驗。如果作業水域存在海流，甚至上下水層的海流方向不同，鋼纜在水下的形狀更復雜而且無法預知，估算就更不準確。取樣器觸底如果判斷不準將會帶來如下問題：① 未觸底，取樣失敗；② 放纜過長，致使鋼纜打結，極易造成鋼纜損壞。

在充分調研聲學Pinger技術的基礎上，提出了一種基于測深儀的聲學Pinger距底高度測量方法，并成功應用到了2013年“蛟龍”號試驗性應用航次的常規調查作業中。在歷次重力柱取樣、箱式取樣和多管取樣中，均能實時獲取聲學Pinger距離海底的高度，準確判斷取樣器是否觸底，保證了海底沉積物取樣的順利實施。

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1005-9857(2015)03-0073-05