西太平洋結(jié)核區(qū)背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集方法研究

于宗澤+楊永+朱峰

摘 要：多金屬結(jié)核作為潛在的戰(zhàn)略資源，日益得到人們的重視。利用多波束采集的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行大洋多金屬結(jié)核大范圍劃分礦區(qū)已逐漸成為廣泛應(yīng)用的海洋探測(cè)技術(shù)和手段。文章依據(jù)海洋六號(hào)船的EM122多波束測(cè)深系統(tǒng)在西太平洋結(jié)核區(qū)的實(shí)測(cè)背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，研究多波束測(cè)深系統(tǒng)的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集參數(shù)及方法，為更好地獲取多金屬結(jié)核分布情況和礦區(qū)的劃分提供保障。

關(guān)鍵詞：多金屬結(jié)核；多波束測(cè)深系統(tǒng)；背散射強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：P744 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0009-03

1 概述

占地球表面71%的海洋，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其中多金屬結(jié)核便是一種重要的海底固體礦產(chǎn)，富含錳、鈷、鋰、銅等金屬元素。多金屬結(jié)核呈大小不等的球形狀、不規(guī)則狀，廣泛的分布于太平洋、印度洋和大西洋的海盆的沉積物表層[1]。隨著陸地礦產(chǎn)資源的日益枯竭，多金屬結(jié)核作為一種潛在的戰(zhàn)略資源，日益得到人們的重視。

國(guó)外很早就利用多波束背散射數(shù)據(jù)進(jìn)行海底底質(zhì)分類識(shí)別方面的研究，特別是在20世紀(jì)八九十年代已有很多的有關(guān)資料。1990年杜克大學(xué)的Alexandrou和Pantzartzis應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)海底底質(zhì)分類進(jìn)行了研究[2]，1993年挪威計(jì)算中

心的Huseby等利用多波束測(cè)深系統(tǒng)背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)海底底質(zhì)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)分類研究[3]。在國(guó)內(nèi)對(duì)于多波束測(cè)深系統(tǒng)的海底聲像圖生成、處理及底質(zhì)分類等方面的研究還處于起步階段。我國(guó)的大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查工作起步較晚，雖然從80年代中期開始，經(jīng)過多個(gè)航次的調(diào)查研究，獲得了一大批成果，并成功在東太平洋CC區(qū)提出我國(guó)的多金屬結(jié)核申請(qǐng)區(qū)，成為第五個(gè)先驅(qū)投資者[4]。

2 多波束背散射強(qiáng)度與底質(zhì)類型的關(guān)系

海底背散射強(qiáng)度可表達(dá)為BS=BSb+10lgA，其中A表示波束照射區(qū)面積，可以通過脈沖寬度（？子）、發(fā)射波束寬度（t）、接收波束寬度（r）以及波束的入射角（）求出。當(dāng)入射角位于中央波束附近（≈0°）時(shí)，A=trR2；當(dāng)入射角為其他值時(shí)， ，c為聲速。BSb為海底的固有散射強(qiáng)度，通常情況依賴于波束的入射角，當(dāng)≈0°時(shí)，BSb通常近似為一常數(shù)（BSn）；當(dāng)0°<<25°時(shí)有研究表明，海底固有散射強(qiáng)度隨入射角作線性變化，變化較大；當(dāng)？叟25°時(shí)海底固有散射強(qiáng)度不但取決于波束的入射角，還依賴于海底底質(zhì)類型特征，其變化服從Lambert定律BSb=BSo+10lgcos2，BSo為斜入射時(shí)海底底質(zhì)背散射強(qiáng)度。綜上所述 ，BS（？叟25°）。因此對(duì)多波束背散射數(shù)據(jù)BS進(jìn)行Lambert法則改正（消除10lgcos2項(xiàng)）、波束照射區(qū)面積改正（消除10lgA項(xiàng)），即可獲得僅反映海底底質(zhì)特征的純量BSo。[5]

多波束測(cè)深系統(tǒng)在獲取船下方的水深數(shù)據(jù)的同時(shí)，也記錄了背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行地形修正和中央波束強(qiáng)反射信號(hào)進(jìn)行處理分析，即可通過計(jì)算獲得純粹反映海底底質(zhì)特征的背散射強(qiáng)度（BSo）信息。通過對(duì)多個(gè)扇區(qū)（ping）、多條測(cè)線的的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照一定的原則拼接、鑲嵌，形成海底聲吶影像圖，即可為海底底質(zhì)類型劃分以及地貌解譯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和判讀依據(jù)[6]。

3 多波束背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集參數(shù)研究

背散射強(qiáng)度資料的采集過程中，船速、船向等參數(shù)的選取直接影響船底換能器周圍的噪音等級(jí)，在不同波束開角、發(fā)射模式以及在不同地形（海盆、海山等）區(qū)域所使用的參數(shù)不同，都將影響背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處理結(jié)果的影響意義重大。

3.1 發(fā)射模式的選取

在進(jìn)行多波束背散射強(qiáng)度調(diào)查前，首先根據(jù)調(diào)查工區(qū)水深選擇合適的發(fā)射模式，保證整個(gè)調(diào)查期間多波束發(fā)射功率的一致性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的情況，本次采集數(shù)據(jù)的西太平洋結(jié)核區(qū)海盆，水深范圍大致為2000～5500m，在SIS采集軟件中，設(shè)置發(fā)射模式為Deep深水模式進(jìn)行測(cè)量；海山區(qū)的水深變化范圍較大，設(shè)置發(fā)射模式為Auto模式進(jìn)行測(cè)量。

3.2 條幅開角的選擇

首先由測(cè)線間距選擇合理的波束開角，條幅覆蓋率達(dá)到10%左右，保證調(diào)查區(qū)域的全覆蓋以及滿足規(guī)范要求的條幅重疊；其次根據(jù)調(diào)查區(qū)域不同海況調(diào)整條幅開角，海況越差開角越小；海盆區(qū)的條幅開角逆流時(shí)不低于50°，順流時(shí)開角增加至60°，在浪高1.5m左右以下或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控資料質(zhì)量較好時(shí)，開角增加至65°。

3.3 船速對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

不同船速下船底噪音不同，獲得的資料質(zhì)量也不同，對(duì)航次中2.5m浪高海況下，同向不同速測(cè)線進(jìn)行比較，如圖1至3，其中，圖1和2分別是船速8節(jié)和2節(jié)同向測(cè)線獲得的背散射數(shù)據(jù)，圖3是兩者數(shù)據(jù)的差值，可以看出正常速度及低速情況下背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量存在明顯差異，低速下質(zhì)量良好，通過公式

計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.154，可見，不同速度下獲取的資料差異比較大，如果條件允許，速度盡量低將獲得高質(zhì)量的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在同方向的資料采集過程中，盡量保持勻速、低速，從而使同方向測(cè)線的數(shù)據(jù)質(zhì)量一致，得到良好的數(shù)據(jù)拼接效果。

3.4 航向?qū)?shù)據(jù)質(zhì)量的影響

由于水流方向的原因，不同航向下船底噪音不同，獲得的資料質(zhì)量也不同，對(duì)航次中2.5m浪高海況下，不同方向測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖4，其中，從上到下分別是航向90°（頂流）、270°（順流）背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)及兩段數(shù)據(jù)差值，可以看出順流資料質(zhì)量明顯由于頂流，經(jīng)計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.503。

以上測(cè)線背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明沿不同航向獲取到的背散射數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)較為一致，但大小存在較為明顯的差異，該差異與速度不同及頂順浪時(shí)船底換能器附近的噪音等級(jí)有很大關(guān)系，頂浪或速度越快時(shí)，噪音越大，噪音等級(jí)越高，獲得的背散射強(qiáng)度越低。所以作業(yè)過程中頂浪航行時(shí)應(yīng)盡量降低速度，采用順流數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)區(qū)背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行整體評(píng)估，頂流數(shù)據(jù)作為參考，在室內(nèi)后處理過程中應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。

對(duì)于海盆區(qū)，水深變化不大，從航次的資料處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控情況分析，作業(yè)中在海況較好（2m浪左右）時(shí)，頂流作業(yè)時(shí)速度一般不超過9節(jié)，順流速度不超過11節(jié)；海況較差時(shí)（2～3m浪），頂流速度需低于8節(jié)，順流速度不超過10節(jié)。

對(duì)于海山區(qū)，水深變化快，船速過大將造成數(shù)據(jù)的丟失，所以在海山區(qū)作業(yè)時(shí)，速度應(yīng)比海盆區(qū)作業(yè)時(shí)低，從航次的資料處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控情況分析，作業(yè)中在海況較好（2m浪左右）時(shí)，頂流作業(yè)時(shí)速度一般不能超過8節(jié)，順流速度不超過11節(jié)；海況較差時(shí)（2～3m浪），頂流速度需低于7節(jié)，順流速度不超過9節(jié)；遇到海山邊緣或地形變化較快區(qū)域時(shí)，速度應(yīng)適當(dāng)減小1～2節(jié)。

3.5 其他參數(shù)調(diào)整

條幅左右覆蓋寬度門限應(yīng)結(jié)合開角進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，去除邊緣波束較差數(shù)據(jù)。

分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中背散射強(qiáng)度門限的調(diào)整結(jié)合后處理得到的背散射強(qiáng)度圖，強(qiáng)度值的明顯分界點(diǎn)為-35db左右，在監(jiān)控軟件中可將門限值調(diào)整為-35～-60dB，便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控強(qiáng)背散射強(qiáng)度區(qū)域。從獲取的背散射效果圖（如圖5、6）中可以看出，反射強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域顯示為淺色及深色，結(jié)合海底攝像、箱式取樣等手段可以初步確定，在反射強(qiáng)度大于-35dB的區(qū)域可作為參考礦區(qū)。

4 背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理研究

本次獲取的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采用Caris8.0軟件進(jìn)行處理（圖7），首先需要根據(jù)調(diào)查船數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù)基本信息建立相應(yīng)的項(xiàng)目信息；其次對(duì)導(dǎo)入的多波束原始測(cè)量數(shù)據(jù)依次進(jìn)行聲速和潮汐修正，并通過數(shù)據(jù)合并將各水深數(shù)據(jù)從時(shí)間相關(guān)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)相關(guān)；再次在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波之后，手動(dòng)去除水深異常點(diǎn)，獲得水深原始數(shù)據(jù)；最后對(duì)水深處理之后的測(cè)線數(shù)據(jù)做背散射處理，使用Geocoder模式對(duì)每條測(cè)線建立Geobar背散射文件，再進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，得到背散射Mosaic數(shù)據(jù)。最終把Mosaic數(shù)據(jù)利用Surfer9.0軟件生成背散射網(wǎng)格化文件。

背散射能量與沉積物的聲阻抗存在一定的聯(lián)系，由于軟質(zhì)沉積物含有大量的水，其聲速和密度都遠(yuǎn)小于硬質(zhì)沉積物，因此軟質(zhì)沉積物的背散射能量也小于硬質(zhì)沉積物。從而可依據(jù)背散射強(qiáng)度大小對(duì)沉積物的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，可以為沉積物的判別提供一定的依據(jù)。

本航次獲得的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)成圖見圖5、6。從圖中可以看出兩個(gè)海盆的背散射強(qiáng)度范圍基本在-20dB～-50dB之間，若定義背散射強(qiáng)度大于-35dB的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)散射區(qū)，則海盆區(qū)的強(qiáng)散射區(qū)位于中部和東南部，中部強(qiáng)散射區(qū)面積約為4500km2，且該區(qū)域大部分為海盆區(qū)，地勢(shì)平坦，水深約5000～5800m，東南部臨近海盆邊緣，強(qiáng)散射區(qū)面積約1800km2；海山區(qū)的強(qiáng)散射區(qū)位于西南部，散射區(qū)面積約為1100km2，該區(qū)域位于海山區(qū)坡腳，地勢(shì)較為平坦，水深約5700～6000m。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合海洋六號(hào)船采集的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)控情況分析在不同航速、航向、海況、地形等條件下，利用多波束系統(tǒng)在采集背散射數(shù)據(jù)時(shí)的采集參數(shù)不同，對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。多波束系統(tǒng)中的背散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)為大洋海底底質(zhì)分類及多金屬結(jié)核資源的礦區(qū)劃定具有重要意義，將為我國(guó)大洋多金屬結(jié)核等礦產(chǎn)資源調(diào)查與開發(fā)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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