Chirp型淺地層剖面儀和參量陣淺地層剖面儀的對(duì)比分析

萬(wàn) 芃，牟澤霖

（國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075））

0 引言

海洋淺地層剖面測(cè)量技術(shù)是一種基于聲學(xué)探測(cè)原理，走航式連續(xù)探測(cè)海底淺部地層構(gòu)造的地球物理勘探方法。淺地層剖面儀換能器按照一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過(guò)海水觸及海底以后，部分聲能反射返回?fù)Q能器；另外一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時(shí)回波陸續(xù)返回，聲波傳播的聲能逐漸損失，直至聲波能量耗盡為止，換能器接收一系列反射回波，以垂直縱向剖面圖形方式來(lái)反映海底淺地層構(gòu)造［1］。

上世紀(jì)40年代出現(xiàn)了最早的淺地層剖面儀（Sub－Bottom Profile），隨后60－70年代出現(xiàn)了第一代商用模擬淺地層剖面儀，80年代后期出現(xiàn)了第一代數(shù)字淺地層剖面儀。隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，海洋淺地層剖面儀由最初的脈沖調(diào)制信號(hào)（CW）技術(shù)發(fā)展出了Chirp調(diào)頻信號(hào)技術(shù)，在20世紀(jì)末出現(xiàn)了最新的參量陣技術(shù)［2］。目前，Chirp技術(shù)和參量陣技術(shù)是海底淺地層結(jié)構(gòu)調(diào)查中廣泛應(yīng)用的兩類淺地層剖面技術(shù)，兩類淺地層剖面儀由于其工作原理不同，形成了不同的技術(shù)特點(diǎn)。本文將詳細(xì)介紹兩類淺地層剖面技術(shù)的工作原理，并通過(guò)具體設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及海上實(shí)測(cè)剖面對(duì)比分析兩類淺地層剖面儀的技術(shù)特點(diǎn)。

1 分辨率及穿透能力

淺地層剖面儀的分辨率通常是指其垂直分辨率，其與反射信號(hào)脈沖寬度有關(guān)，通常可以表示為：

式中：C為聲速；T為脈沖寬度。

由公式（1）可知，分辨率與發(fā)射脈寬有關(guān)，即信號(hào)脈寬越窄，才能得到越高的分辨率。但是發(fā)射功率和脈寬也有相關(guān)性，需要較大的發(fā)射功率才能發(fā)射較寬脈沖信號(hào)，發(fā)射功率越低，發(fā)射信號(hào)脈寬越窄。而發(fā)射功率又和穿透能力有關(guān)，發(fā)射功率越大，淺地層剖面儀穿透能力就越強(qiáng)；反之發(fā)射功率越小，穿透能力也就越弱。由以上分析可知，淺地層剖面儀的分辨率和穿透能力是相互矛盾的［3－6］。

2 Chirp型淺地層剖面儀工作原理

Chirp型淺地層剖面儀采用Chirp脈沖信號(hào)技術(shù)。Chirp脈沖信號(hào)是指線性調(diào)頻脈沖，其具有較寬的頻帶寬度和較窄的脈沖寬度。Chirp脈沖信號(hào)的理論表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：A為振幅；f1為開(kāi)始頻率；f2為結(jié)束頻率；T為延遲時(shí)間；t為記錄時(shí)間。

由于Chirp脈沖信號(hào)的頻帶寬，且脈寬較窄，即在保證穿透能力的同時(shí)也能提高分辨率。為了解決Chirp脈沖信號(hào)中太多頻率成分在同一界面處的反射波對(duì)分辨率的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，Chirp波還需要配合相關(guān)的包絡(luò)函數(shù)一起使用，例如常用的SINC函數(shù)等，這樣就可以達(dá)到提高某些主要頻率成分，壓制次要頻率成分的目的。此外，由于采集的信號(hào)與發(fā)出的Chirp脈沖信號(hào)具有很好的相似性，而線性噪音通常不具備相似性。所以對(duì)所獲得的采集信號(hào)進(jìn)行卷積處理后，可以降低噪音，提高信噪比。

3 參量陣淺地層剖面儀工作原理

參量陣淺地層剖面儀在高電壓驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向海底發(fā)射兩個(gè)頻率接近的高頻聲學(xué)脈沖信號(hào)（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)1＞F2）作為主頻，當(dāng)兩個(gè)聲學(xué)脈沖信號(hào)在水體中傳播時(shí)候，會(huì)發(fā)生差頻率效應(yīng)，產(chǎn)生一系列的二次頻率，如F1，F(xiàn)2，（F1＋F2），（F1－F2），2F1，2F2等等。其中F1高頻用于探測(cè)水深，（F1＋F2）可以用來(lái)記錄水體中的信息，而由于F1，F(xiàn)2非常接近。因此（F1－F2）頻率較低，一般在幾千赫茲，主要用于穿透海底沉積物，探測(cè)海底沉積物構(gòu)造，而且可以保持高頻脈沖信號(hào)的波束角不變（高頻波束角一般在幾度，而傳統(tǒng)淺剖發(fā)射波束角一般在幾十度），相比Chirp型淺地層剖面儀具有很高的分辨率，尤其是針對(duì)于深水作業(yè)，其橫向分辨率要高于Chirp淺地層剖面儀。

4 典型設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及剖面對(duì)比

2015年3月，筆者采用BATHY2010Chirp淺地層剖面儀（Chirp型淺地層剖面儀）和SES－2000 Medium淺地層剖面儀（參量陣淺地層剖面儀）在南海北部開(kāi)展淺地層剖面海上對(duì)比試驗(yàn)。如表1所示為淺地層剖面技術(shù)參數(shù)對(duì)比表。

通過(guò)表1所示淺剖技術(shù)參數(shù)，參量陣淺地層剖面儀在脈沖發(fā)射速率和波束角兩項(xiàng)參數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Chirp型淺地層剖面儀，即在水平分辨率方面，參量陣淺地層剖面儀要優(yōu)于Chirp型淺地層剖面儀，由于參量陣淺地層剖面儀作業(yè)主頻要高于Chirp型淺地層剖面儀主頻。因此，參量陣淺地層剖面儀的垂直分辨率也要高于Chirp淺地層剖面儀。參量陣淺地層剖面儀的發(fā)射功率和換能器聲源級(jí)要大于Chirp型淺地層剖面儀，同時(shí)參量陣淺地層剖面儀換能器的尺寸要小于Chirp型淺地層剖面儀。由于參量陣淺地層剖面儀發(fā)射主頻遠(yuǎn)高于Chirp型淺剖，其穿透能力要低于Chirp型淺地層剖面儀。

表1 淺地層剖面技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

SES－2000Medium淺地層剖面儀和BATHY 2010淺地層剖面儀在水深100m左右采集的剖面資料如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可以明顯看出在地層分辨率方面，參量陣淺剖要明顯高于Chirp淺剖。

圖1 SES－2000Medium淺地層剖面儀采集剖面（line1某段測(cè)線）

圖2 BATHY 2010淺地層剖面儀采集剖面（line1某段測(cè)線）

圖3 SES－2000Medium淺地層剖面儀采集剖面（line2某段測(cè)線）

SES－2000Medium淺地層剖面儀和BATHY 2010淺地層剖面儀在水深300m左右采集的剖面資料如圖3和圖4所示。通過(guò)圖3和圖4對(duì)比可以看出，SES－2000Medium淺地層剖面儀和BATHY 2010淺地層剖面儀的地層分辨率相差不大，而且BATHY 2010淺地層剖面儀的地層穿透能力要強(qiáng)于SES－2000Medium淺地層剖面儀。

SES－2000Medium淺地層剖面儀和BATHY 2010淺地層剖面儀在水深400m左右采集的剖面資料如圖5和圖6所示。通過(guò)圖5和圖6對(duì)比可以看出，由于SES－2000Medium淺地層剖面儀發(fā)射頻率較高（100kHz左右），其脈沖信號(hào)能量在水體中損失很大，在400m水深的穿透能力較差，造成其資料剖面信噪比較低，因而其地層分辨率也要差于BATHY 2010淺地層剖面儀。

圖4 BATHY 2010淺地層剖面儀采集剖面（line2某段測(cè)線）

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析和典型設(shè)備的對(duì)比，可以對(duì)Chirp型淺地層剖面儀和參量陣淺地層剖面儀兩類設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，具體如表2所示。盡管參量陣淺地層剖面儀具有分辨率高的特點(diǎn)，但是其在地層穿透能力上的缺陷，并且在較差海況的低信噪比，會(huì)嚴(yán)重影響勘探效果。因而在野外實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該綜合考慮作業(yè)技術(shù)要求和野外施工環(huán)境等因素，選擇合適的勘探設(shè)備，以達(dá)到最佳的資料采集效果。

圖5 SES－2000Medium淺地層剖面儀采集剖面（line3某段測(cè)線）

圖6 SES－2000Medium淺地層剖面儀采集剖面（line3某段測(cè)線）

表2 兩類淺地層剖面儀特點(diǎn)分析

［1］張金城，蔡愛(ài)智，郭一飛等.淺地層剖面儀在海岸工程上的應(yīng)用 ［J］.海洋工程，1995（05）.

［2］李一保，張玉芬，劉玉蘭等.淺地層剖面儀在海洋工程上的應(yīng)用 ［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007（02）.

［3］李守軍，陶春輝，初鳳友等.淺地層剖面在富鈷結(jié)殼調(diào)查研究中的應(yīng)用 ［J］.海洋技術(shù)，2007（03）.

［4］吳水根，周建平，顧春華等.全海洋淺地層剖面儀及其應(yīng)用［J］.海洋學(xué)研究，2007（06）.

［5］王艷.海纜路由探測(cè)中淺地層剖面儀的現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.物探裝備，2011（06）.

［6］魏志強(qiáng)，張志強(qiáng)，蔣俊杰.淺地層剖面儀在大亞灣海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.海洋測(cè)繪，2009（06）.