Research on acoustic detection parameters for bubble plume in cold seeps
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摘要: 对气泡羽流的声学探测是目前海底冷泉调查的主要手段。在声学探测理论基础上, 分析了声学探测过程中CW声波脉冲信号的发射频率、发射功率、声波脉冲宽度(脉冲持续时间)3个参数对海底冷泉气泡羽流探测成像的影响。同时, 结合黄、渤海老铁山水道海域海底冷泉外业调查和人工模拟冷泉实验的数据, 进一步明确了这些参数的选取原则和范围。针对声学水体剖面上出现的异常干扰带, 还提出了改变脉冲发射时延值来消除水体声学剖面图中干扰带的方法, 从而进一步优化海底冷泉气泡羽流的声学成像效果。Abstract: Acoustic detection is an important method for investigation of cold seep bubble plumes. On the basis of acoustic theory, this paper studies the influence of three detection parameters on the bubble plume acoustic detection and imaging, i.e. the emission frequency, the transmitting power, and the width of the pulse (pulse duration) of the CW sonic pulse signal. The principles and ranges for selection of the acoustic detection parameters are further clarified with the data from field investigation and simulation experiment of cold seep at the Laotieshan water channel at the border between the Yellow Sea and the Bohai Sea. In order to reduce the abnormal interference bands in the acoustic water section, the authors proposed a method to eliminate the interference band in the acoustic profile by changing the time delay of pulse emission. It is proved that the method is effective to further optimize the acoustic detection and imaging for the detection of bubble plume of cold seep.
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Keywords:
- cold seep /
- bubble plume /
- acoustic detection /
- time delay /
- interference band
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海底冷泉(狭义上也被称为天然气泄漏)是一种以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物等为主要成分, 温度较低, 与海水温度接近的流体[1]。海底冷泉是一种普遍发育于主动大陆和被动大陆边缘的海洋地质现象, 目前在世界各大洋都有发现[2-4]。潜在的能源因素和环境效应使海底冷泉及相关研究倍受关注[4-6], 海底冷泉研究在海洋工程安全、天然气水合物开发、常规油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等研究方面具有重要意义[7-8]。大量观测结果表明, 海底之下的天然气水合物处在动态平衡中, 会不断的分解并释放出甲烷气体, 这些气体通过断层、裂隙等运移通道进入海水中后, 会以气泡的形式向上运移, 从而形成气泡羽流, 或称甲烷羽流[8]。海底冷泉区的气泡羽流同海底天然气水合物的分布密切相关, 气泡羽流的下部往往能发现富含天然气水合物的沉积储层。近年来的一些研究发现, 海水中气泡羽流的分布对水合物稳定带的边界有较好的指示作用[8-11]。因此, 研究气泡羽流的特征, 对确定水合物的赋存区域、了解水合物的成藏机制与成藏环境等均有重要意义。
在海底直接观测气泡羽流的成本比较高, 而且无法适用于大面积海域的海底冷泉地质调查。因此, 目前观测冷泉气泡羽流的主要手段是基于声学特性的探测方法。调查船的声学探测设备通过换能器向海底发射声波脉冲, 声波在水体传播过程中, 当气泡尺寸与声波波长达到发生散射的条件时, 高频声波后向散射便会被记录下来形成水体声学剖面。由于冷泉气泡和海水可以形成一个强波阻抗界面, 水体声学剖面可以清楚地看到冷泉气柱和海底。图 1是俄罗斯调查船在鄂霍次克海获得的海底冷泉气柱水体声学剖面[6]。
声波脉冲信号是海洋声学探测过程中的常见信号, 它是人类探测、观测海洋的重要载体。脉冲信号的频率是声学探测中最重要的参数之一。以脉冲信号频率参数为例, 低频声发射信号在传播过程中能量衰减小于高频声发射信号, 但是低频声发射信号在浅水层成像效果较差。另一方面, 高频声发射信号的振幅在传播途中衰减很大, 传播距离较小, 不适合水层成像。因此, 声学探测频率范围的选取对冷泉气泡羽流探测成像影响很大[12, 13]。表 1中列出了世界不同海区的声学探测实例[14-25], 从中可以看出脉冲的发射频率从浅层剖面仪的几千赫兹到单波束测深系统的几十万赫兹不等。但当前, 海底冷泉气泡羽流的最佳探测成像频率我们仍无法得知。
表 1 世界不同海区的声学探测实例(据文献[25])Table 1. Example of acoustic detection in different sea areas of the world位置 水深/m 声学方法与参数 资料来源 美国圣巴巴拉海峡 3.5kHz浅层剖面仪:带通滤波3~4kHz； Derek C Quigley等[14] 伊比利亚半岛Cadiz湾 50~1300 Simrad EM12S-120多波束系统:主频13kHz；TOPAS系统:主频15~18kHz, 差频0.5~5 kHz, 垂向分辨率0.5~1.0m；单道地震:声源3.5~7kJ, 频率50Hz~4kHz L Somoza等[15] 加拿大St.Lawrence河口 100~300 Simrad EM 1200多波束系统:频率95 kHz；单道地震:声源2~8kJ电火花和40in3气枪, 主频200Hz, 穿透深度300m, 最大垂向分辨率1.5m Nicolas Pinet等[16] Barents海 180~450 Simrad EM 1002多波束系统:频率95kHz；常规2D、3D地震系统 Helge Leth等[17] 非洲西南部Congo Fan海区 500~3500 Hydrosweep多波束系统:频率15kHz；深拖侧扫声纳:频率75kHz, 最大分辨率0.75m；参量阵浅剖:主频18kHz和22kHz, 差频4kHz Heiko Sahling等[18] 黑海 < 2000 Simrad EM 12S-120多波束系统:主频13kHz；MAK1海洋声学系统(侧扫声纳:低频30kHz, 高频100kHz；浅剖:主频4.5kHz, 穿透深度60m) R P Kruglyakova等[19] 埃及尼罗河深海扇 1000~1300 AUV(Simrad EM 2000多波束系统:频率200kHz, 111波束, 120°开角, 作业深度距海底70m, 分辨率1.0m) S Dupre等[20] 爱尔兰Porcupine盆地 300~900 3.5kHz浅剖；侧扫声纳频率30kHz；单道地震声源500J电火花；常规2D、3D地震系统 P Van Rensbergen等[21.22] 北海Gullfaks油气田 150~250 ROV(多波束系统、侧扫声纳、浅地层剖面) M Hovland等[23] 南黄海济州岛近海 40~100 3.5kHz浅剖；Simrad EA 500单波束测深:频率208kHz K S Jeong等[24] 同样地, 在海底冷泉气泡羽流的声学探测过程中, 目前国内在发射的声波脉冲信号的宽度(持续时间)、发射功率方面也无准确的选取范围和原则。声学探测过程中, 影响海水中气泡探测的主要因素是气泡的大小、共振频率、散射截面[26], 因此, 需要根据气泡羽流的声学特性, 合理地设置声波脉冲参数(发射脉冲信号的频率、功率和脉冲持续时间)的范围；同时, 还要结合外业采集数据和人工模拟冷泉实验数据进行分析, 进一步优化声学探测参数范围, 只有这样才能获得高质量的海底冷泉气泡羽流声学剖面。
1. 气泡的声学探测分析
1.1 脉冲信号的发射
一般水声换能器发射的脉冲信号属于CW信号, 即单频矩形脉冲信号。它所需的设备简单、占用频带窄、发射效率高, 同时能量被限定在某个单一频率内, 在同等条件下通信距离更远, 是声学探测中常用的脉冲信号[27]。
气泡是某些频率范围内声波的有效散射体。海底冷泉逸出的羽流状气泡可视为一个空腔, 它的存在使介质出现了不连续性。声波在传播途中, 遇到气泡时产生强烈的散射过程, 使得气泡通过气泡群后, 其强度大大减弱, 这就是气泡的散射作用。海底冷泉产生的羽流状气泡可以看做是海底散射体, 探测声波投射到散射体上产生散射, 散射声波在接收点处叠加形成海底混响。散射强度Sv值是表征海底混响的一个基本比值, 它的定义是:距离1m处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度比值的分贝数[28]。
对于气泡的散射作用产生的海底混响, 可以用Sv值来量化。体积混响的反向散射强度值为-70~-100dB, 远小于海面和海底的值。混响虽然是主动声纳检测中主要的背景干扰, 常被看作是一个非平稳的随机过程, 但利用这一特性, 我们可以通过散射强度Sv值来区分海底冷泉气泡和普通的水体[29]。采集的声学信号经过信号处理单元可以形成海底水体声学剖面, 解释人员就可以根据声学图像了解海底的粗糙程度和气泡羽流分布情况。
1.2 海底冷泉羽流气泡的共振频率
Spitzer给出了单个气泡的散射截面σs的经典公式[30], 表示如下:
$$ {\sigma _s} = \frac{{4\pi {a^2}}}{{{{\left[{\left( {\frac{{f_0^2}}{{{f^2}}}} \right)-1} \right]}^2}{k^2}{a^2}}} = \frac{{4\pi }}{{{k^2}{{\left[{\left( {\frac{{f_0^2}}{{{f^2}}}} \right)-1} \right]}^2}}} $$ (1) 其中a为气泡的半径, 单位是cm。f0为气泡共振频率, f为换能器基阵发射的入射声波频率, 频率单位均是Hz。k为共振频率时的波数。气泡的散射截面在共振频率时达到极值, 利于声学目标成像。因此, 用于声学探测的换能器工作频率范围必须和海底冷泉气泡羽流的气泡共振频率相匹配。
水声换能器的发射脉冲的过程是将电能转化为声能。换能器中的电子发射机的电功率先转变为机械振动的机械功率, 再把机械功率转变为声功率, 并以声波脉冲的形式发射出去。发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量, 功率的单位用“瓦”表示。换能器的发射功率受额定电压(或电流)、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约[29]。
气泡在水声换能器发射的声波脉冲作用下, 气泡壁作受迫振动, 遵循Rayleigh-Plesset方程[30]。气泡在共振频率时振幅最大, 产生强烈的非线性振动, 作为次级声源向周围介质中辐射声能。我们需要合理设置换能器的工作参数, 以达到在保证声学目标强度足够大的同时, 又要考虑到外业调查的经济性和实用性的目的。气泡的共振频率公式经过前人的不断完善深化[30-35], 可表示为:
$$ {f_0} = \frac{1}{{2\pi a}}\sqrt {\frac{{3\gamma {P_0}}}{\rho }} $$ (2) 式中a为羽流气泡半径, 单位是cm；ρ为气泡周围水体的密度, 单位是g/cm3；γ是气体等压比热和等容比热的比值；P0为气泡的流体静压力。
在近海、河口地区, 海水温度、盐度、悬沙浓度等因素变化较大, P0和ρ的取值显然处于较大的变量区间, 不同深处的羽流气泡的流体静压力取值也不同。实际的声学探测过程中, 可对常见大小的气泡的共振频率先做大致的估算, 划定一个大致的共振频率区间。对水中的气泡, ρ取1g/cm3, 在标准大气压下, 空气的γ=1.41；如果将P0与海水深度联系起来[28], 则深度d处的气泡共振频率为:
$$ {f_0} = \frac{{326}}{a}\sqrt {1 + 0.1d} $$ (3) 其中气泡半径a的单位为cm, 深度d的单位为m, 气泡共振频率f0的单位为Hz。根据共振频率简化的公式, 可以计算不同大小的气泡在不同深度情况下的共振频率, 这样在选择用于声学探测的换能器频率时就有了参考范围。换能器基阵基本上都是安装在水下拖体或者调查船船底, 因此, 粗略认为最低吃水深度是2m, 表 2是根据共振频率简化公式计算的水下2~500m水深时冷泉羽流气泡的共振频率。
表 2 不同水深时冷泉羽流气泡的共振频率Table 2. Resonant freguency of seep bubbles in different water depths单位:Hz 水深/m 2 10 20 30 40 50 100 200 500 常见气泡(直径0.5~5mm) 1429~
142851844~
184412259~
225862608~
260802916~
291583194~
319414325~
432495976~
597579312~
93124中等气泡(直径2.5mm) 2857 3688 4517 5216 5832 6388 8650 11951 18625 易破碎的大气泡(直径8mm) 893 1153 1412 1630 1822 1996 2703 3735 5820 从羽流气泡的共振频率值或者估算的范围中可以看出, 浅层水体气泡的共振频率要小于深层水体气泡的共振频率, 小气泡的共振频率要大于大气泡的共振频率。这样一来, 换能器的发射频率太低时, 会造成远低于深层气泡共振频率的问题, 不利于深层水体成像；发射频率太高时, 又容易造成远高于浅层气泡共振频率的问题, 无法对浅层水体成像。用于声学探测的水声换能器的发射频率范围选区对于气泡羽流的探测尤为重要。此外, 由于物理尺度原因, 低频的地震波成像技术在海底冷泉探测上有着先天不足的问题。
不仅如此, 气泡是某些频率范围内声波的有效吸收体。由于流体的粘滞力作用, 气泡振动时, 水介质与气泡面之间的摩擦也使一部分声能变成了热能, 这是气泡对声波的吸收作用。声波在气泡群中传播的过程中, 衰弱最强, 在声纳中反映出来就是回声声源级的强烈衰减[28]。
1.3 羽流气泡的散射截面分析
气泡在声学探测时, 其散射截面最大时, 探测到的声学目标最大, 成像效果好, 愈有利于外业调查人员迅速发现海底冷泉气泡羽流。根据单个气泡散射截面的公式(1)表达式, 可知气泡的散射截面和气泡半径没有关系, 气泡的散射截面在共振频率时达到极值, 即截面在共振频率时有一最大值, 而在偏离共振频率时, 随频率偏移而减小。
图 2为气泡半径分别为20、200、2000μm的情况下, 散射截面与频率的关系[36]。由图 2可知, 气泡在共振频率70kHz时散射截面最大；当声学探测频率过低时, 气泡的散射截面急剧下降, 不利于声学探测成像；而当频率大于共振频率时, 气泡的散射截面虽然减小, 但仍然保持在较大的水平。因此, 在具体工区冷泉羽流气泡共振频率范围内考虑发射脉冲频率时, 可以在范围内适当增大脉冲的发射频率。
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图 2 散射截面与频率的关系(据文献[36])Figure 2. The relationship between the scattering cross section and the frequency2. 数据来源
本文所使用的数据为中国调查船“浙嘉渔科002”号于2017年10—11月在中国黄、渤海老铁山水道海域海底冷泉外业调查和实验的声学探测成像结果。
调查航次搭载了由青岛海洋地质研究所研制的海底冷泉拖曳式快速成像系统。该系统基于声学探测原理, 能够实现对海底冷泉的快速成像, 可以辨识海底冷泉的位置以及冷泉气泡群的形态。不仅如此该系统还能够对水体中的藻团、藻层、鱼群、营养盐层、富氧层、温盐等引起的密度层、内波、涡旋、冷涡等进行成像, 将传统的以计算为主的物理海洋学发展为直观成像的海洋学, 大大推动了地震海洋学。
航次的主要目的是调查渤海海域设计工区海底冷泉喷口的存在。在航次执行之前, 海底冷泉调查团队在褚岛附近通过人工方法模拟海底冷泉, 检验成像设备换能器在设置不同的发射频率、发射功率和发射脉冲持续时间情况下对声学目标探测的成像效果。实验中将换能器矩阵搭载在水面拖体上, 换能器拖体采用了多频率基阵结构, 包含12、18、38和120kHz换能器, 波束开角6.5°。
3. 声学探测实验参数分析
声学探测实验参数分析是基于人工模拟冷泉实验之上的。外业实验组在威海褚岛北部海域进行海底冷泉人工模拟试验, 水深60~75m。空压机制造气体通过高压气管注入海底的方式来产生气泡羽流, 形成模拟的海底冷泉气泡羽流, 人工模拟冷泉的结构设计和高压气管压载方案如图 3所示。用于实验的多频换能器基阵搭载在一艘自带动力的小船上, 小船保持匀速向羽流气泡冒出位置(模拟的冷泉气泡喷口)靠近, 驶过海面冒出气泡位置, 记录并观察声学剖面特征。
人工模拟海底冷泉实验的目的主要是检验不同声学探测参数对海底冷泉声学探测成像效果的实际影响, 因此, 模拟冷泉的气量输出量应接近实际冷泉的气体输出量, 鉴于前人提出的0.01~509.82 L/min这个输出量估算范围[37], 我们考虑实际声学显示效果, 调节空压机功率, 将冷泉实验输出气量设置为100~500L/min。声学探测参数分析是根据人工模拟海底冷泉的实验数据图像对比结果而得出的, 主要分析了声学探测的声波脉冲发射频率、发射功率和脉冲持续时间等声学探测参数对海底冷泉气泡羽流成像的影响。实验人员将连接着空压机的高压气管沉底, 将空压机制造的气体注入海底从而产生模拟的海底气泡羽流。
3.1 声波脉冲发射频率分析
声学探测实验参数调节是通过调节换能器发射脉冲的声学参数来实现的。海水中气泡的最小稳定直径大约是1μm[38], 海底逸出形成的气泡直径通常为0.5~5mm[35]。根据前文所述的气泡共振频率估算公式, 在2~100m水深情况下, 常见气泡(直径0.5~5mm)的共振频率范围为1.429~43.249kHz, 而直径大约是1μm的气泡共振频率高达21624kHz。一般的测深系统声源发射频率为10~250kHz[39], 除了可以获得高密度的海底地形数据, 还可以检测到逸出海底、进入水体中的气泡、羽状流以及在水体中伴生出现的声反射现象。羽状流在这个频率段的声学剖面上随潮流的变化表现为垂直或倾斜柱状和双曲状混浊反射条带。为了对绝大多数羽流气泡都能较好成像, 参数研究进一步结合了表 1世界不同海区的声学探测实例, 初步选定了脉冲发射频率范围为3.5~250kHz。实验人员所采用海底冷泉成像设备的水声换能器基阵是在这一讨论范围内根据实际换能器厂家生产情况引进了4种不同频率(12、18、38、120kHz)的水声换能器, 这4种换能器组成的多频率换能器探测基阵搭载在调查船拖体上, 完全可以满足本实验的要求。在保持相同激发功率和脉冲持续时间的情况下, 多频率的换能器基阵可允许比较试验区不同频率声波脉冲对人工模拟的海底冷泉的成像效果。
从现场采集的水体声学图像(图 4)和Sv强度分布直方图(图 5)分析来看, 12和18kHz换能器得到的图像剖面上, 声波的体积散射强度Sv值较大, 气泡在散射过程中在-55dB到-70dB之间, 分布布范围小, 图像分辨率低, 无法辨识剖面异常区。38和120kHz换能器得到的图像清晰, Sv值分布在-90~-115dB。与120kHz相比, 38kHz的图像表层扰动较大, 水体异常区边界更明显, 信噪比更高, 而海底的连续度相比较弱。
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图 5 不同频率Sv强度分布直方图对比Figure 5. Comparison of different frequency pulse for acoustic imaging分析结合实验表明, 在浅水区(0~100m), 如图 5所示, 实验中采用的38和120kHz两个频率的水声换能器收发脉冲得到的模拟冷泉图像分辨率较好, 海底和水体波阻抗界面明显。
在保持水声换能器其他参数一致的情况下, 换能器发射脉冲的频率在选择38和120kHz, 对人工模拟的海底冷泉进行声学探测成像, 成像效果如图 5。因此, 假定在外界风浪随时间不变化, 试验区外部环境稳定, 当船匀速通过冷泉区的理想情况下, 这个实验的频率范围对于黄、渤海地区的海底冷泉外业调查成像具有很大的实践意义。这一实验频率范围也符合前文所述的声学共振频率理论。
从图 6两张剖面中部红色标记处均可观察到呈上升状态的羽流气泡群, 气泡群周围杂乱分布微弱的背景噪声；由采集剖面对比可知, 38kHz的换能器对试验环境中的气泡识别更敏感, 对剖面中部气泡群、剖面下方海底波阻抗界面的成像更清晰, 但与此同时38kHz的剖面中背景噪声也相对较强；在相同的激发功率和脉冲时间条件下, 发射频率选用38kHz时声学图像气泡群的识别更明显；发射频率选用120kHz时, 对背景噪声的压制更明显。综合以上实验数据分析, 在换能器激发功率和脉冲时间相同时, 38kHz效果略优于120kHz。根据实验结果, 确定38到120kHz范围可以用于该实验海域海底冷泉气泡羽流的声学探测。
3.2 声波脉冲发射功率和脉冲宽度(脉冲持续时间)
在声学探测实验过程中, 除了发射频率, 水声换能器的可调变量还有激发功率和脉冲持续时间, 在本研究中, 实验人员也分别针对这2个参数做了多组试验。
海底冷泉人工模拟实验中还设计了多组参数组合, 分别对同一测线进行往返测量。实验人员在水体声学成像较好的38和120kHz两组声波脉冲发射频率下设计了十多组工作参数进行试验对比(表 3), 得到了比较理想的采集剖面, 羽流气泡群在剖面中形态显示清晰。
表 3 功率和脉冲宽度实验参数Table 3. Experimental parameters for power and pulse width38kHz 120kHz 序号 发射功率/W 脉冲持续时间/ms 序号 发射功率/W 脉冲持续时间/ms A1 200 0.256 B1 100 0.064 A2 400 0.256 B2 50 0.128 A3 1000 0.256 B3 100 0.128 A4 2000 0.256 B4 50 0.256 A5 200 0.512 B5 100 0.256 A6 400 0.512 B6 125 0.256 A7 1000 0.512 B7 200 0.256 A8 2000 0.512 B8 250 0.256 A9 400 1.024 B9 50 0.512 A10 1000 1.024 B10 100 0.512 A11 2000 1.024 B11 50 1.024 A12 200 2.048 B12 100 1.024 A13 400 2.048 B13 250 1.024 A14 1000 2.048 A15 400 4.096 如图 7, 针对水声换能器发射功率的实验中, 遵循控制变量法的原则, 在保持相同发射频率和脉冲时间的情况下, 在不同发射功率情况下采集的4张水体声学剖面中部红色标记处均可观察到呈上升状态的羽流气泡群, 同时也发现气泡群周围存在杂乱分布较模糊的背景噪声；通过对比4张水体声学剖面的背景噪声可知, 随着发射功率增加, 电子发射机的电功率增加, 气泡羽流的边界都比较清晰。但是在声波信号频率较高的情况下, 声学探测图像的质量越高；在峰值功率一定的情况下, 脉冲宽度越窄, 包含的能量越小, 信噪比就越差。因此, 当声学探测频率较高时, 换能器可以适当增加功率, 保证造高频情况下声学探测的信噪比。另外在换能器频率和脉冲时间相同条件下, 过度增加换能器激发功率, 会同时提升背景噪声, 不利于羽流气泡成像。在实际外业调查过程中, 也要考虑到能源损耗的问题。总体来说, 声学探测过程中, 换能器对探测成像影响不大, 适当地增加激发功率可以保证声学剖面的信噪比。
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图 7 激发功率不同的条件下采集剖面对比Figure 7. Acoustic profile comparison with different power conditions从图 8可见, 3张水体声学剖面中部上升状态的气泡群形态有所不同, 同时气泡群周围杂乱分布有较模糊的背景噪声；通过对比3张剖面的背景噪声可知, 随着声波脉冲持续时间增加, 气泡羽流的探测识别更加明显。但是另一方面, 气泡的背景噪声强度却也在增加, 气泡群的边界清晰度降低, 剖面信噪比也明显降低。在换能器频率和激发功率相同的条件下, 脉冲持续时间的提升可以突出气泡羽流的分布, 但同时会提升背景噪声, 如果脉冲时间过大就会显著降低气泡群的清晰度。综合考虑, 本实验认为适当缩短脉冲时间有利于提升气泡群的成像精度。
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图 8 脉冲持续时间不同的条件下声学剖面对比Figure 8. Comparison of acoustic profiles with different pulse duration4. 声学探测异常干扰带分析和消除方法
4.1 声学探测异常干扰带分析
在对水体声学剖面的观察中, 可以发现除了正常的海面反射层、羽流目标体与海底反射层之外, 在海面与海底之间还存在一条干扰带, 该干扰带普遍存在于部分数据之中, 其深度位置处在海底以上一定距离, 随着海底起伏上下波动, 其强度低于海底与海面反射层的强度。
当水声换能器发射一列声波脉冲信号时, 设备就开始信号采集, 采集时长即声呐数据一个Ping(信号的一次发射与接收)的帧长τP根据所设定的观测深度d换算出, ${\tau _P} = \frac{{2d}}{c}$(c为海水中声速), 声呐数据帧时序结构图如图 9所示。所采集的数据在经过处理后存储为一个数据帧；数据采集结束后, 经过时延τD设备开始执行下一个Ping的工作, 时延主要受处理器的数据处理速度与数据保存速度所影响。一般来讲, 探测深度越大, 时延则越长。通过对换能器设备工作方式与实际工况的结合分析, 这里认为声学图像干扰带为声波二次反射所形成的海底残像。
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图 9 声呐数据帧时序结构示意图Figure 9. Schematic diagram of the timing structure of a sonar data frame在声波脉冲扫描探照的过程中, 当声波传播至海底处, 声波发生发射, 反射波由换能器接收, 接收到的声学信号经过处理单元处理便形成了海底的声学剖面图。同时, 当海底反射声波传播到海面时, 由于海面波阻抗差较大, 声波会在海面发生二次反射, 二次反射波传播至海底则会造成再次成像。设海底距海面深度为h, 以开始采集时间为时间0点, 则该段海底对应的时序位置为t′=2t=4d/c, 而海底的二次反射成像的时序位置为, 若该时序位置落在当前Ping内, 即t′≤τp, 二次反射的像则会出现在当前Ping内, 位置为二倍海底深度, 如图 10；若该时序位置落在该Ping与下一Ping的采集时段之间, 即τp < t′ < τp+τD, 则像不会显示在声呐数据中；若该时序位置落入下一Ping的采集时段内, 即t′>τp+τD, 则像会显示在下一Ping的数据之中, 即为海底之上的干扰带, 如图 11。
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图 10 声图中较浅海底与干扰带位置关系Figure 10. The position relationship between the shallow seabed and interference band in the sonogram![]()
图 11 声图中较浅海底与干扰带位置关系Figure 11. Position relationship between the deep seabed and the interference band in the sonogram以图 11中数据为例, 该次记录中的观测深度为80m, Ping时延为35.56ms, 对其进行海底线检测, 对海底线进行探测深度与Ping时延的位置补偿, 另外修正由于船体吃水造成的时延差, 最终可以看到经过时延处理的海底线十分准确地与干扰带上缘相贴合, 因此, 以证明干扰带即是海底的二次反射信号。
4.2 声学探测异常干扰带消除方法
水体声学剖面上出现的干扰带, 若想对其进行消除, 有以下2个解决方法:
(1) 直接消除:由于海底位置能基本确定干扰带出现的位置, 可以根据这一点对干扰带区域进行定向抑制, 其处理效果如图 12所示, 对比未经处理的原始声图, 可以看到经过处理的声图中红色框标注区域有明显的改善。由于受实际工作中海面与海底起伏的不确定性, 干扰带的强度与位置都存在较大的随机性, 这种定向抑制消除效果有限。
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图 12 海底描线(下)与时延处理描线(上)Figure 12. Submarine line (green line) and delay line (red line)![]()
图 13 声学干扰带消除前后对比Figure 13. Comparison of acoustic interference band before and after elimination(2) 避免干扰产生:对于干扰带最优的解决方法就是直接避免其产生, 可以通过控制声学探测参数的方法来实现从根本上消除干扰带。当海底的二次反射波信号于相邻两Ping之间传播到换能器时, 换能器不会接受该信号, 从而不会成像。因此, 可以通过延长声呐观测Ping之间的时延, 在二次反射像结束之后再开始下一Ping的采集。由以上分析可知, 声学探测可以人为设置换能器Ping值(Ping代表信号的一次激发与接收)时延的方式来实现干扰带的消除。但是若一味增加声呐观测Ping时延, 则会降低成像精度。因此, 在实际工作中还需要根据具体工区情况进行处理。
5. 结论
(1) 通过以上分析和实验我们可以知道, 对于未知工区的海底冷泉外业调查, 基于声学探测理论, 不同尺寸的冷泉羽流气泡在不同深度的水体上有不同的共振频率, 因此, 须根据调查工区的水深范围计算出常见气泡的理论共振频率范围, 并进行相应的海底冷泉人工模拟实验来检验水体声学剖面成像效果, 从而先一步优化, 确定合适的探测频率范围；
(2) 对于已发现的海底冷泉气泡羽流, 需要加密观测测线。在冷泉区人工模拟冷泉实验的基础上, 进一步在海底冷泉气泡羽流喷口处鉴于常见大小气泡的理论共振频率范围内进行频率梯度实验, 从而选择最优成像探测频率。适当增加换能器的激发功率可以提升对气泡群识别的精度, 适当缩短脉冲时间有利于提升气泡群的成像精度。因此, 声学探测中需要适当调节换能器的发射功率和发射脉冲宽度(脉冲持续时间), 这样在不影响脉冲探测距离的前提下, 起到适当增加脉冲发射声功率和减小脉冲宽度的作用, 使得声学探测成像效果更好；
(3) 对于水体声学剖面图中出现的干扰带, 可以通过控制换能器Ping(Ping代表信号的一次激发与接收)时延的方式来实现。但时延不可过长, 避免对海底冷泉气泡羽流成像精度的干扰。
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图 2 散射截面与频率的关系(据文献[36])
Figure 2. The relationship between the scattering cross section and the frequency
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图 5 不同频率Sv强度分布直方图对比
Figure 5. Comparison of different frequency pulse for acoustic imaging
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图 7 激发功率不同的条件下采集剖面对比
Figure 7. Acoustic profile comparison with different power conditions
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图 8 脉冲持续时间不同的条件下声学剖面对比
Figure 8. Comparison of acoustic profiles with different pulse duration
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图 9 声呐数据帧时序结构示意图
Figure 9. Schematic diagram of the timing structure of a sonar data frame
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图 10 声图中较浅海底与干扰带位置关系
Figure 10. The position relationship between the shallow seabed and interference band in the sonogram
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图 11 声图中较浅海底与干扰带位置关系
Figure 11. Position relationship between the deep seabed and the interference band in the sonogram
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图 12 海底描线(下)与时延处理描线(上)
Figure 12. Submarine line (green line) and delay line (red line)
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图 13 声学干扰带消除前后对比
Figure 13. Comparison of acoustic interference band before and after elimination
表 1 世界不同海区的声学探测实例(据文献[25])
Table 1 Example of acoustic detection in different sea areas of the world
位置 水深/m 声学方法与参数 资料来源 美国圣巴巴拉海峡 3.5kHz浅层剖面仪:带通滤波3~4kHz； Derek C Quigley等[14] 伊比利亚半岛Cadiz湾 50~1300 Simrad EM12S-120多波束系统:主频13kHz；TOPAS系统:主频15~18kHz, 差频0.5~5 kHz, 垂向分辨率0.5~1.0m；单道地震:声源3.5~7kJ, 频率50Hz~4kHz L Somoza等[15] 加拿大St.Lawrence河口 100~300 Simrad EM 1200多波束系统:频率95 kHz；单道地震:声源2~8kJ电火花和40in3气枪, 主频200Hz, 穿透深度300m, 最大垂向分辨率1.5m Nicolas Pinet等[16] Barents海 180~450 Simrad EM 1002多波束系统:频率95kHz；常规2D、3D地震系统 Helge Leth等[17] 非洲西南部Congo Fan海区 500~3500 Hydrosweep多波束系统:频率15kHz；深拖侧扫声纳:频率75kHz, 最大分辨率0.75m；参量阵浅剖:主频18kHz和22kHz, 差频4kHz Heiko Sahling等[18] 黑海 < 2000 Simrad EM 12S-120多波束系统:主频13kHz；MAK1海洋声学系统(侧扫声纳:低频30kHz, 高频100kHz；浅剖:主频4.5kHz, 穿透深度60m) R P Kruglyakova等[19] 埃及尼罗河深海扇 1000~1300 AUV(Simrad EM 2000多波束系统:频率200kHz, 111波束, 120°开角, 作业深度距海底70m, 分辨率1.0m) S Dupre等[20] 爱尔兰Porcupine盆地 300~900 3.5kHz浅剖；侧扫声纳频率30kHz；单道地震声源500J电火花；常规2D、3D地震系统 P Van Rensbergen等[21.22] 北海Gullfaks油气田 150~250 ROV(多波束系统、侧扫声纳、浅地层剖面) M Hovland等[23] 南黄海济州岛近海 40~100 3.5kHz浅剖；Simrad EA 500单波束测深:频率208kHz K S Jeong等[24] 
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表 2 不同水深时冷泉羽流气泡的共振频率
Table 2 Resonant freguency of seep bubbles in different water depths
单位:Hz 水深/m 2 10 20 30 40 50 100 200 500 常见气泡(直径0.5~5mm) 1429~
142851844~
184412259~
225862608~
260802916~
291583194~
319414325~
432495976~
597579312~
93124中等气泡(直径2.5mm) 2857 3688 4517 5216 5832 6388 8650 11951 18625 易破碎的大气泡(直径8mm) 893 1153 1412 1630 1822 1996 2703 3735 5820
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表 3 功率和脉冲宽度实验参数
Table 3 Experimental parameters for power and pulse width
38kHz 120kHz 序号 发射功率/W 脉冲持续时间/ms 序号 发射功率/W 脉冲持续时间/ms A1 200 0.256 B1 100 0.064 A2 400 0.256 B2 50 0.128 A3 1000 0.256 B3 100 0.128 A4 2000 0.256 B4 50 0.256 A5 200 0.512 B5 100 0.256 A6 400 0.512 B6 125 0.256 A7 1000 0.512 B7 200 0.256 A8 2000 0.512 B8 250 0.256 A9 400 1.024 B9 50 0.512 A10 1000 1.024 B10 100 0.512 A11 2000 1.024 B11 50 1.024 A12 200 2.048 B12 100 1.024 A13 400 2.048 B13 250 1.024 A14 1000 2.048 A15 400 4.096
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