淺地層剖面儀關鍵聲學參數的檢測技術研究

王方旗周興華林旭波陶常飛崔 力丁繼勝梁冠輝董立峰

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.山東科技大學 海洋科學與工程學院,山東 青島266590)

淺地層剖面儀是基于聲學原理研發的用于連續探測水下淺部地層結構和構造的地球物理探測儀器。20世紀40年代國外首次推出了最原始的淺地層剖面儀,20世紀六七十年代出現了商品設備,但由于受當時技術基礎的限制,無法實現復雜信號的處理、高分辨率的地層探測和實時成像成圖[1]。20世紀末,電子計算機技術的快速發展、數字信號處理、海量數據存儲和電子自動成圖等新技術促進了新型高分辨率淺地層剖面儀的問世,并得到了廣泛應用。進入21世紀后,出現了3D Chirp淺地層剖面儀,實現了海底地質結構三維圖像的探測[2-3]。在我國利用淺地層剖面儀的起步雖然相對較晚,但在20世紀末到21世紀初,其已經被廣泛地應用于海洋區域地質調查、海洋工程地質勘察、海洋災害地質調查、海底管線路由勘察和海洋地質科學研究等領域。

目前,淺地層剖面探測技術已經相對成熟,應用越來越廣泛,但由于缺乏儀器設備檢測與校準的方法體系和規范、標準,無法對其進行規范有效的檢測,而只能采取自校和比測的方法來評價其性能狀態,且無統一規范,缺少基本的儀器運行質量評價程序,致使獲取的數據資料精度不高,從而影響探測結果的準確性和可靠性[4]。因此,急需研究淺地層剖面儀檢測與校準的關鍵技術和方法,建立科學的評價體系,以保證儀器設備的有效性、穩定性和可靠性。淺地層剖面儀的性能檢測與評價可采用“兩步法”進行:第一步為聲學物理參數測量,獲取與儀器探測性能有關的關鍵聲學參數實際值,如聲源級、聲波頻率、脈沖長度及波束角等;第二步為實際探測性能評價,通過海上試驗來檢測和評價儀器的實際探測性能指標,如信噪比、信混比、垂直分辨力及穿透深度等[4-5]。本文以SES-2000 Standard參量陣型淺地層剖面儀(以下簡稱“SES-2000 SBP”)為例研究了在消聲水池中聲學物理參數的檢測技術和數據處理方法,包括檢測平臺構建、聲學參數測量和數據處理以及測量結果分析,初步形成了一套完整的淺地層剖面儀關鍵聲學參數檢測與評價的解決方案,可為后期實現淺地層剖面儀的強制性檢定提供方法指導和技術支撐。

1 檢測與評價流程

淺地層剖面儀聲學參數檢測與評價流程主要包括4部分:檢測平臺構建、聲學參數測量實施、測量數據的處理和分析及聲學參數的符合性分析(圖1)。本文以常用的SES-2000 SBP的聲學參數測量試驗為例對各部分內容進行闡述,試驗中采用了脈沖聲技術的測量方法,可將由邊界造成的聲反射對聲場的影響通過時域濾波消除從而獲得自由場條件[6]。

圖1 聲學參數檢測與評價流程Fig.1 Flow chart for measuring and evaluating acoustic parameters

2 檢測平臺構建

檢測平臺構建是淺地層剖面儀聲學參數測量中最基礎和最關鍵的步驟,需遵循相關標準和規范的規定[4]。檢測平臺主要由消聲水池、精密回旋裝置、水聽器升降裝置、回旋控制設備和測量記錄設備五部分組成(圖2)。

圖2 聲學參數檢測平臺Fig.2 Schematic diagram of platform for testing acoustic parameters

消聲水池的環境條件、大小、水深和消聲材料的性能等均需滿足相關標準的規定和實際測量的要求,對測量有影響的環境條件應加以說明,應使溫度、靜水壓、電接地、頻率和聲負載等環境條件保持恒定[7]。水池的大小和水深主要取決于聲波的頻段、聲基陣的最大線度以及消聲材料的性能;被檢換能器與檢測水聽器間的距離需滿足遠場條件。

本次試驗中,消聲水池長L=40 m,寬W=10.8 m,水深h0=8.0 m,測量時換能器吃水深度h=3.5 m,被檢換能器與檢測水聽器水平距離r=7.5 m,水聽器距離池壁d=0.9 m;根據水池的尺寸可判斷本次試驗滿足遠場條件,同時采用脈沖聲技術可以獲得自由場條件,因此適用于本次淺地層剖面儀的聲學參數測量。消聲材料應盡量滿足吸聲系數和吸聲頻段的要求,必要時池底、水面和吊裝架等也應敷設消聲材料,最大限度地消除干擾源。精密回旋裝置用于調整被檢換能器的聲軸,使其對準檢測換能器,能實現高精度的小角度等角旋轉。水聽器升降裝置用于調整水聽器的垂直高度。回旋控制設備通過控制回旋裝置的旋轉達到調整被檢換能器聲軸方向的目的,測量記錄設備用于控制聲信號測量,調節采集參數并記錄測量結果[4]。

3 聲學參數測量

淺地層剖面儀的探測性能主要是指其穿透沉積層厚度的能力和垂直分辨力,其聲學物理參數是支撐系統能達到其設計探測性能的基本數據,主要包括:聲源級、頻率和脈沖長度。聲源級反映的是聲源發射的聲信號能量的大小,主要影響儀器的穿透能力,聲源級越大,穿透能力越強;淺地層剖面儀發出的聲信號具有一定寬度的頻帶,通常用其中心頻率表示,一般來說,頻率越低,穿透能力越強,但是頻率較低往往會導致較低的垂直分辨力[8];輻射聲信號的脈沖長度越長,穿透能力越強,垂直分辨力越低[9-10]。

聲源級需在儀器輸出能量設置為最大時進行測量,關鍵是要確定待檢換能器的聲軸中心(等效聲中心)并使之與檢測水聽器的中心對準。如圖2所示,首先通過精密回旋裝置將待檢換能器大致的聲軸方向對準檢測水聽器,通過升降裝置按由低往高調整水聽器的高度并逐一進行測量,接收聲壓最大時即為待檢換能器聲軸的高度;然后將水聽器固定在待檢換能器聲軸高度的位置,通過精密回旋裝置控制待檢換能器按照小角度等角旋轉并逐一進行測量,接收聲壓最大時即可認為待檢換能器的聲軸中心與檢測水聽器的中心是對準的,此時調整淺地層剖面儀的參數設置并進行多次測量,測量數據可同時實現聲源級、頻率和脈沖長度的計算。

試驗采用SES-2000 SBP為參量陣式,其主頻(一次頻率)約為100 k Hz,用于測量水深;差頻(二次頻率)分為7檔,范圍為4～15 k Hz,用于探測淺地層。測量時可以通過采集軟件進行控制的主要參數:差頻頻率、脈沖長度、波束角方向、發射頻率和記錄量程等。其中差頻頻率為用戶可選4,5,6,8,10,12和15 k Hz,每個頻率選擇對應2～5檔(67～500 μs)可選的脈沖長度設置。為實現聲源級、頻率和脈沖長度的測量,本次試驗時對SES-2000 SBP的7檔差頻頻率和對應的脈沖長度設置均進行了測量,限于篇幅,文中僅以代表性的其中4檔的試驗數據進行展示(表1)。

表1 SES-2000 SBP發射參數設置Table 1 Controlling parameter settings for SES-2000 SBP

4 數據處理分析

在測量過程中,由于受到外界條件、測量因素及儀器因素等的影響,采集的聲脈沖信號會存在各種各樣的干擾,統稱為“噪聲”。試驗中的噪聲主要有環境噪聲、隨機噪聲、電噪聲及來自消聲水池壁、底和水面的反射噪聲等。實際測試時,可將環境噪聲、隨機噪聲和電噪聲同時進行評測,即在待檢換能器不發射信號的狀態下水聽器接收信號,通過處理和分析接收到的數據進行噪聲評價[4],噪聲水平應不大于1.0 dB。池壁、底和水面的反射噪聲與直達聲脈沖在聲程上有明顯差別,可采用時域濾波法進行有效去除。

4.1 同步疊加平均

同步疊加平均是一種理論相對簡單的信號處理方法,周期性或可重復性信號經過多次取樣疊加后,其信噪比有所提高,疊加次數越多,信噪比改善越好。如果疊加平均次數足夠高,甚至可以從強噪聲的背景中提取極其微弱的信號[11]。在其他外界條件保持一致的情況下,當換能器發射參數和水聽器采集參數不變時通過重復發射和接收操作而獲取的信號可以看作是同步重復性信號,為消除外界噪聲和偶然性噪聲的干擾,提高信噪比,可采用同步疊加平均方法對信號進行處理。在本次聲學參數測量時,對于試驗的每一種參數組合設置都進行了10次重復測量,數據處理時首先采用同步疊加平均法進行處理,獲得每一種參數組合下的高信噪比聲脈沖信號,然后進行時域濾波和頻域濾波處理。

4.2 時域濾波處理

聲學參數測量的關鍵是要獲取純凈的待檢換能器輻射到檢測水聽器的直達波信號。采用脈沖聲技術的測量方法非常適合在有限尺寸的消聲水池中進行試驗,可將邊界造成的聲反射對聲場的影響從時間上分離開來而獲得自由場條件,也就是時域濾波。

圖3a為發射頻率為12 k Hz,脈沖長度為417μs時采集到的聲脈沖信號,可以明顯觀察到存在3個脈沖信號,顯然最強的信號S1是我們所需要的直達波信號。由圖3中可知:信號S2與S1之間的走時差為1.226 ms,信號S3與S1之間的走時差為1.801 ms。假設測量時水的聲速為1500 m·s-1(此數值在試驗時未能進行實測),則S2與S1之間的聲程差為1.84 m,S3與S1之間的聲程差為2.70 m。通過對比圖2的相關尺寸數據可以確定:S2是來自于水池壁的反射信號,S3則是來自于水面的反射信號。由于來自于池底的反射信號與直達信號之間的聲程差更大,因此未包含在采集的數據里。確定3個脈沖信號的來源后,可采用時域濾波處理獲得相對純凈的直達波信號(圖3b)。

圖3 時域濾波Fig.3 Time domain filtering

4.3 頻域濾波處理

圖4 頻域濾波Fig.4 Frequency domain filtering

SES-2000 SBP發射的聲波信號里至少包含3個有效的頻率成分(2個主頻和1個差頻),而這些頻率都需要通過消聲水池中的測量分別進行檢測和分析;同時,采集到的信號中還包含了其他干擾信號,因此需采用頻域濾波處理方法去除干擾以獲得只包含一種有效頻率成分的純凈信號。圖4a是經過時域濾波處理后得到的發射頻率為12 k Hz,脈沖長度為417μs時的直達波信號;圖4b是其頻譜,可見信號中包含多種頻率成分。其中頻率在100 k Hz附近的是主頻信號,振幅最大;頻率在12 k Hz附近的是差頻信號,振幅次之;頻率分別為200,300,400,500和600 k Hz附近的是主頻的倍頻信號,幅值逐漸變小。對淺地層剖面儀來說,主頻信號和差頻信號是有效信號,需采用頻域濾波分別進行分離和提取,而倍頻信號則是干擾信號,需去除。

頻域濾波時的中心頻率應使用國家標準給出的推薦值[12],并采用倍頻程帶通濾波器。圖4c是直達波信號經過帶通8.8～17.7 k Hz濾波后得到的低頻率的差頻信號,圖4d是其頻譜,峰值分析后得到振幅最大處對應的頻率值為12.5116 k Hz,這個頻率即SES-2000 SBP的標稱頻率之一(12 k Hz)。圖4e是直達波信號經過帶通71～142 k Hz濾波后得到的高頻率的主頻信號,圖4f是其頻譜,峰值分析后得到振幅最大處的2個主頻分別為96.1939和108.4091 k Hz。

4.4 聲學參數計算

4.4.1 聲源級

聲源級是描述聲吶發射的聲信號強弱的物理量,根據其定義:在發射器輻射聲場中,離開聲源等效聲中心單位距離(r0=1 m)處的聲壓級或聲強級[13-14],聲源級的計算公式為

式中:eoc為測量水聽器的輸出開路電壓(V);M為測量水聽器的自由場接收靈敏度(V/Pa);pref為參考基準聲壓值,pref=1μPa;r為測量水聽器到聲源等效聲中心的直線距離(m)。

試驗中,采用水聽器Reson TC-4014作為測量水聽器,將其洗凈后放入水池中并達到溫度、靜壓力平衡后,通過升降裝置調整其高度使其處于待檢換能器的聲軸方向上進行測量。由于本次試驗中SES-2000 SBP的輻射聲信號中包含多種有效頻率成分,而對于不同的頻率,測量水聽器對應不同的接收靈敏度和測量開路電壓,因此應根據信號頻率分別計算聲源級。通過頻域濾波處理后,分別計算了總信號聲源級、主頻信號聲源級和差頻信號聲源級,結果見表2。

表2 SES-2000 SBP聲學參數測量結果Table 2 Measurement results of acoustic parameters of SES-2000 SBP

4.4.2 頻率

采用數字示波器對時域濾波后的穩態部分數據進行分析即可求得其實際頻率,但對于參量陣淺地層剖面儀來說,其頻率成分較復雜,建議采用頻域濾波處理后采用頻率分析分別求取其2個主頻和1個差頻的實際頻率值(圖4d和圖4f)。本次試驗不同淺地層剖面儀發射參數設置下測得的頻率值見表2。

4.4.3 脈沖長度

脈沖聲信號一般可分為輸入暫態、穩態和余尾暫態三個階段[15],根據時域濾波后的穩態部分數據可直接讀取脈沖長度,但前提是要能準確判斷信號穩態部分的范圍。如圖5所示,SES-2000 SBP的聲脈沖信號從輸入暫態到穩態所需的時間很短,從穩態到余尾暫態的時間相對較長。為了計算時采用統一的判斷標準,可采用振幅檢測法對信號的穩態部分進行界定:從輸入端開始,當振幅A′達到信號最大振幅Am的n%(n=10,50或90)時確定為穩態部分的起點;從輸出端開始,當振幅A′達到信號最大振幅Am的n%時確定為穩態部分的終點,則穩態部分的時間長度即為脈沖長度。由本試驗結果可知,n為50時確定的脈沖長度是合理的。由圖5可知,按照50%界定標準,穩態信號的起點為1.9995 ms,終點為2.3930 ms,脈沖長度為0.3935 ms。本試驗不同發射參數設置下測得的脈沖長度見表2。

圖5 脈沖信號穩態部分的界定Fig.5 Definition of steady-state part of acoustic pulse

5 符合性分析

本試驗所用的SES-2000 SBP操作手冊對聲源級籠統地描述為“大于239 dB”,但并未具體指明是主頻信號還是差頻信號,本文在分析時只將其用標稱聲源級進行表述。從表2和圖6各種設置下的試驗結果可知,總信號聲源級和主頻信號聲源級都較穩定,隨發射參數的調節變化不大,主頻信號聲源級最大,約為223 d B,但比標稱聲源級低約16 d B;總信號聲源級次之,與主頻信號聲源級相差不大,約為221 dB;差頻信號聲源級最小,約為200 dB,單周期(cycle)信號的聲源級比同組多周期信號的明顯偏低。

SES-2000 SBP操作手冊對主頻頻率籠統地描述為“大約100 k Hz”,在分析時將其用主頻頻率標稱值來表述,但實際上其主頻應該有2個大小相近的約為100 k Hz的頻率,并以此形成差頻。但從表2各種情況的試驗結果可知,多周期信號的主頻都符合預期,檢測到2個頻率,而單周期信號的主頻卻只檢測到1個,原因未知。如圖7所示,試驗所得的主頻頻率為95～110 k Hz,對應的2個主頻分別在100 k Hz的兩邊,兩者的差值與對應差頻頻率不能準確吻合,但相差不大。操作手冊對差頻頻率的描述為“4,5,6,8,10,12和15 k Hz,用戶可調”,本次試驗以其中的4個頻率(4,8,12和15 k Hz)為例進行說明。從表2和圖8各種情況的試驗結果來看,各信號的差頻頻率與對應的標稱值并不一致,但較接近;此外,值得注意的是,單周期信號也存在異常,比同頻率多周期信號的差頻頻率明顯偏低。

試驗中SES-2000 SBP各種情況的信號脈沖長度標稱值見表1,每種頻率下脈沖長度根據所選信號的周期數與單周期信號的脈沖長度呈現倍數關系。由表2和圖9的試驗結果可知,在統一的信號穩態判斷標準(50%)下,各信號的實測脈沖長度與標稱值基本相符,偏差不大。4 k Hz的2種信號脈沖長度比標稱值的偏差相對稍大,分別偏小23.5和33.5μs;8 k Hz的4種信號和15 k Hz的5種信號的脈沖長度與標稱值偏差微小;12 k Hz的5種信號的脈沖長度比標稱值分別偏小2.5,11.5,12.5,21.5和23.5μs。

圖6 實測聲源級與標稱值的比較Fig.6 Comparison of measured sound source levels with nominal values

圖7 主頻信號的實測頻率與標稱值的比較Fig.7 Comparison of measured primary frequencies with nominal values

圖8 差頻信號的實測頻率與標稱值的比較Fig.8 Comparison of measured secondary frequencies with nominal values

圖9 實測脈沖長度與標稱值的比較Fig.9 Comparison of measured pulse lengths with nominal values

通過對比分析聲源級、頻率和脈沖長度三個聲學參數的實測值與標稱值發現,SES-2000 SBP操作手冊中只有脈沖長度給出的標稱值是準確的數值,而且應該是理論值,而聲源級和頻率僅為參考性的數值,尤其是頻率,手冊給出的只是大致的整數值,與實測值并不相符。因此,在實施淺地層剖面儀的檢測與校準工作時,應對新購的儀器進行檢測以獲取其初始的技術性能參數作為本底值。

6 結 語

科學有效的聲學參數準確測量方案是實現淺地層剖面儀檢測與校準的第一步。本文以SES-2000 SBP為例,針對聲源級、頻率和脈沖長度三個聲學參數,詳細地論述了淺地層剖面儀聲學參數檢測與評價的完整解決方案。此方案包括:由消聲水池、精密回旋裝置、水聽器升降裝置、回旋控制設備和測量記錄設備組成的檢測平臺構建;聲學參數測量的流程設計和操作要點;測量數據的濾波處理和參數計算方法;測量結果的符合性評價四部分內容,可為開展此類儀器設備的強制性檢定的標準制定和實施提供技術性指導和借鑒。

本研究發現SES-2000 SBP儀器操作手冊給出的聲學性能參數并不是準確的數值,而只是參考值。換能器發射的信號同時包含主頻信號和差頻信號,可分別計算總信號聲源級、主頻信號聲源級和差頻信號聲源級,本次試驗測得的3種信號的聲源級都比標稱值明顯偏小。輻射信號中應包含2個主頻和1個差頻,意外的是單周期信號的主頻卻只檢測到1個,且實測值為95～110 k Hz,與標稱值100 k Hz不相符;實測的差頻頻率與對應的標稱值也不一致,但較接近。操作手冊給出的脈沖長度標稱值應是理論值,各信號的實測脈沖長度與標稱值基本相符,偏差不大。總而言之,試驗所用的SES-2000 SBP的聲源級、頻率和脈沖長度的標稱值都不是準確的實測值,可能僅為參考值或理論值,對于其他類型的儀器可能也是如此。因此,在實施淺地層剖面儀的檢測與校準工作時,對新購儀器進行強制性的首檢以獲取其技術性能參數的初始值尤為重要。