浅地层剖面仪的测量模拟.docx

1、第29卷第3期2011年7月海洋科学进展ADVANCESINMARINESCIENCE浅地层剖面仪的测量模拟吕连港高大治3,刘进忠2，七王辉武】，2（1.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室.山东青岛266061,2.国家海洋局第一海洋研究所，山东背岛26606、3.中国海洋大学信息科学与工程学院.山东青岛266100,4.潍坊学院物理与电子科学学院.山东潍坊261061）摘要：为获取声传播环境数据，实验中开展了水文调杳和浅地层制面仪的观测.由于声传播实驶发射信号频率与接收船上的浅地层削面仪信号频率接近，因此声传播实验信号在浅地层剖面仪测量图中产生了斜条纹.利用实验中水听器测量的信号模拟

2、浅地层制面仪的测量，解释了浅地层剖面仪测量图像中斜条纹的形成，芥通过控制声传播实淼信号的发射周期和时间模拟条纹的几种形式。关键词：浅地层制面仪；测量模拟；声传播中图分类号：P736文献标识妈：A文章编号：1671-6647（2011）03-0411-08声波在介质中传播时遇到不同声学特性的分界面时会发生反向散射，浅地层剖面仪利用反向散射信号探测地层内沉积物性质（如颗粒粗细）及地层间的声阻抗界面，广泛应用于海岸工程中D21o从声源的角度考虑，剖面仪一般可分为电火花、电磁、压电陶瓷几类勺句。压电陶瓷类的浅地层剖面仪具有脉冲重复性好、频带宽等优点，但是由于换能器较大，安装使用不方便，且波束开角大，容

3、易受风浪的影响。而参量阵浅地层剖面仪，因其体积小、重量轻、波束窄、分辨率高等优点而得以较多应用。国内外有关浅地层剖面仪的研究工作主要是浅地层剖面仪仪器的介绍及其应用包括浅地层剖面仪在考古目标探测方面的应用。有关的研究工作还涉及到浅地层剖面仪的分辨率分析海浪对浅地层剖面仪测钺的影响及修正技术研究W】，海底反射信号的识别及提取叫。在信号源的设计及检验研究中，分析了对Chirp信号加不同包络时测址的分辨率和穿透力。本研究利用声学实验中获取的数据模拟了浅地层剖面仪的测量，解释了声传播实验信号在测量图像中产生的条纹，并通过控制声传播实验信号的发射周期和发射时间模拟了条纹的几种形式。当浅地层剖面仪受到其它

4、声学设备干扰时，本研究对于合理分析浅地层剖面仪的测址结果、提高观测可靠性有一定意义。1声学实验及浅地层剖面仪测量2010年1月在黄海进行了1次声传播实验。为获取声传播环境数据，实验中开展了水文调查和浅地层刮面仪的观测。实验采用双船作业方式。甲船布设声传播实验的声源，声源谐振频率为5.5kHz,工作带宽47kHz。乙船布设10元水听器垂宜阵及记录设备。同时在乙船布设了Benthos公司生产的浅地层剖面仪BenthosChirpU1以测昼实验海区的底质分层情况，在该次实验中发射脉冲宽度5ms线性调频信号，发射重复频率约为2Hz。在甲、乙船上都进行了水文观测。实验海区水深约、25m,实验时海况一级。

5、当声传播设备与浅地层剖面仪同时工作时，由于传播发射信号频率与乙船上的浅地层剖面仪信号频率接近，因此对浅地层剖面仪的测员产生影响，在浅地层剖面仪的测量图上出现了斜条纹（图1）。图1中标注收稿日期：201005-28资助项目：国家自然科学基金项目南黄海热通址的观测分析和SST变化、季节变化的机理研究（40806015）.国家科技支撑计划项目（2008BAC50B02）作者简介：吕连港（1974-）,男，河北吴桥人，副研究员，博士，主要从事声学海洋学方面研究.E-mail：lv】g（张骞编辑）的虚线表明斜条纹在深度上的间隔大于4mII小于5mo声传播实验信号的发射周期是6ms.考虑浅地层剖面仪的测帝

6、为双程则6ms时间间隔对应深度间隔为4.4m（声速为1462m/s）e因此.初步判断浅地层制面仪测图中的斜条纹是由声传播实验信号产生的.而不是仪器本身出现问题、海水和海底介质存在明显的声阻抗声异，在海底界面反射声信号能M较强，因此在浅地层剖面仪的测他图中最显著的是海底的信息（图1中数字所示）。图1中的数字表示二次海底.、表示底质分层的信息。图中的斜条纹对浅地层剖面仪的测ht是一种干扰.但是对地层的判读影响不大。135001360013700发射次数图】浅地层削面仪的测魅结果Fig.1Animageofsubbottomprofilermeasurement2模拟结果声传播实验信号如何在浅地层剖

7、面仪测ht图中产生斜条纹？条纹的倾斜程度由何因素决定？为解释测量图中的斜条纹的上述问题.利用乙船水听器垂直阵的接收信弁模拟浅地层剖面仪的测Mo乙船水听器接收的信号包括浅地层剖面仪发射的宜接到达信号、浅地层剖面仪发射信号的海底及地层的反射信号、声传播实验信号。图2给出不同深度水听器的接收信杪.为清楚起见,选择的是没柘实验信号的情况。图2纵轴的数字表示水听器的编号"0号水听器接近海面，编号递减水深增加，01号水听器水深13m。图2中策近海面的水听器，其接收的浅地层剖面仪直达信号与海面的混响信混登在起，I海眠反射信号勺海面反射信号也有混登。因此.选择最深的01号水听器接收的信号进行处理。浅

8、地层剖面仪BenthosChirp|采用匹配滤波处理接收的信号，即用发射脉冲的补偿复本与接收的反射信号相关，匹配滤波使用的夏本包括预定的相位修正和幅度加权，以修正发射接收硬件产生的信号变化。通过匹配滤波处理消弱噪声.以提高信噪比。匹配滤波后的结果可进一步做时变增益处理.以修正海水吸收造成的信号幅度损失。参考浅地层剖面仪的信号处理，首先选取01号水听器接收的浅地层剖而仪占达信号作为相关处理的信号笈本.然后把信号岌本与该水听器接收的信号做相关，得到相关系数的时间序列。然后根据浅地层剖面仪的发射周期.把相关系数的时间序列分段（每段时间长度即发射周期），每段作为浅地层剖而仪的次测化最后根据浅地层剖面仪

9、测It原理把每一段的时间变换成深度，得到相关系数（CorrelationCoefficientCC的深度浅地层剖面仪测量次数（N勉分布图（图3c,相关系数取绝对值）。该图与测量结果（图1）比较.相同处在于显示出海底、底质分层以及斜条纹；不同处在于水听器接收的信弓中有浅地层剖面仪的1*1达信2和海面的反射信号.于是在图3c中出现宣达信号和海面反射信号信息而浅地层剖面仪测量结果图中没有这些信息。132.26132.28132.30tJs图2不同深度水听器接收的声信VFig.2Theacousticsignalsreceivedbyhydrophonesatdifferentdepths帽度相关系数

10、CC帽度相关系数CC图3声信2(a)、相关系数(b)及相关系数的深度浅地层剖面仪测ht次数(.V。分布图(c)Fig.3Acousticsignal(a).correlaiioncoefficient(b)anddepthNsplotofcorrelationcoefficient(c)利用水听器的接收信号可以模拟出浅地层剖面仪测量图中的斜条纹，因此，通过分析水听器的信号来说明规则的斜条纹如何形成。图4给出了间隔3个浅地层剖面仪发射周期的水听器接收信号及相应相关系数。把浅地层剖面仪的直达信号对齐，则声传播实验信号到达有“时间延迟”(图中虚线所示)，这一“时间延迟”对应传播信号在浅地层剖面仪测量

11、图中的深度增加，从而形成斜条纹。因此，传播信号在浅地层剖面仪测量图中的斜条纹是由于传播信号的到达“时间延迟"造成的。15000HM0一*-零-15000-图4间隔3个浅地层剖面仪发射周期的声信号及相应相关系数Fig.4Theacousticsignalsandcorrelationcoefficientwiththreeperiodsofsubbottomprofilershotinterval为了解释稳定的“时间延退”，按照下式进行模拟计算：N=INTCNsXTc-idT)/Tr)(1)Time(Ns点)=(N+QXTr(NsXTc+dT)以=1,2,3,，K)(2)Depth(N

12、sk)=Time(Ns,k)XC/2(3)式中，Tc为浅地层剖面仪信号发射周期；TV为传播实验信号发射周期；Ns为浅地层剖面仪发射次数以丁为接收第一次浅地层剖面仪信号与第一个传播实验信号的时间差HNT表示取整，N为整数；Time(Ns,龙)为接收Ns次浅地层剖面仪信号后接收的第4个传播信号的时间;Depth(Ns,4)为接收Ns次浅地层剖面仪信号后接收的第人个传播信号的对应深度；C是声速。在传播距离、传播信号声源深度，浅地层剖面仪接收深度及环境不变(声速剖面，水深)的条件下dT是定值，定值dT不影响条纹的形状。式(3)是根据浅地层剖面仪测量为双程，把时间(Time)转变为深度(Depth)&#

13、176;根据上式模拟得到声传播实验信号的深度浅地层剖面仪发射次数分布图(图5),计算取实验中的浅地层剖面仪发射周期(Tc=533.33ms)和声传播实验信号发射周期(Tr=6.00ms)。简化起见，图中只给出前4个信号的分布。图5示出的声传播实验信号形成的条纹与浅地层剖面仪观测(图1)一致。该模拟计算表明稳定的“时间延迟”来自浅地层剖面仪发射周期和声传播实验信号发射周期的差异。3讨论浅地层剖面仪发射周期不变，如果传播发射周期取7.50ms,则按上式计算得到图6a的图形，条纹的方向改变。如果浅地层剖面仪发射周期是传播信号发射周期的整数倍(丁。=533.33ms,丁厂=5.3333ms),则传播信

14、号会在浅地层剖面仪测量图中形成水平的条纹(图6b)。浅地层剖面仪发射周期和传播信号发射周期决定了条纹的倾斜程度，在已知浅地层剖面仪发射周期情况下，通过改变传播信号的发射周期，可以模拟得到传播信号在浅地层剖面仪测景图上的不同条纹。而传播信号发射周期决定了条纹在深度上的间隔。浅地层削面仪发射次数图5声传播实验信号的深度浅地层剖面仪发射次数分布图(Tc=533.33mS,Tr=6.00ms)Fig.5Depth-Nsplotofacoustictransmissionsignalarrivals(Tc533.33Tr=6.00ms)(a)Th=7.50ms2520浅地层剖面仪发射次数40608010

15、01216(b)7>=5.3333ms,4=4图6声传播实验信号的深度浅地层剖面仪发射次数分布图Fig.6Depth-Nsplotofacoustictransmissionsignalarrivals以上通过改变传播信号的发射周期，模拟得到不同的条纹。也可以通过控制传播信号的发射时间来计算。传播信号按一定周期a发射，从第一次发射起，发射TH浅地层剖面仪发射周期)时间后，下一次的信号不再按照Tr发射，而是控制该信号发射时间，然后再按照发射。即按照式(1)计算N,然后按照下式计算：Time(Ns,k)=(N十b)XTr(NsXTc+dT)+f(NsXTc)点=1,2,3,，K(4)式中，/

16、为任意时间函数，实现发射时间的控制。然后按照式(3)把时间转变为深度，则传播信号在浅地层剖面仪图中的条纹形状就是f函数的图形。浅地层剖面仪发射次数图7声传播实验信号的深度-浅地层剖面仪发射次数分布图Fig.7Depth-Nsplotofacoustictransmissionsignalarrivals图7给出/是正弦函数和指数函数模拟计算的条纹，计算取实验中的浅地层剖面仪发射周期(Tc=533.33ms)和传播信号发射周期(Tr=6.00ms)。通过控制传播信号的发射时间，可以模拟得到任意的图形。式(1)式(4)的模拟计算，需要获得浅地层剖面仪的发射周期，并实现对传播信号发射周期或发射时间的

17、控制。而且是在传播距离、传播信号声源深度，浅地层剖面仪接收深度及环境(声速剖面，水深)不变的条件下，在定距离，定点实验中这些要求易实现，图5即模拟了实验中观测到的条纹。在浅地层剖面仪与其它声学设备同时工作的情况下，上述模拟工作有助于合理分析浅地层剖面仪的测域结果，对提高观测可靠性有一定应用价值。参考文献(References):1ZHANGJC,CAIAZ,GUOYF.etal.SubbottomprofilerapplicationinthecoastalengineeringfJ.TheOceanEngineering,1995,13(2) ：71-74.张金城，蔡爱智.郭一飞，等.浅地层

18、制面仪在海岸工程上的应用J.海洋工程.1995,13(2)：71-74.2J.lYB.ZHANGYF.LIUYL,etal.Applicationofsubbottomprofilertooceanengineering。.ChineseJournalofEngineeringGeophysics,2007,4(1)：48.李保，张玉芬.刘玉兰.等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用口.工程地球物理学报，2007,4(1),4-8.3 PEIYL.WANGKY,LIUCG,ctal.Thesparkersourcechargingtechnique.OceanTechnology,2007.26(

19、3)：73-76.裴彦良，王投洋，刘晨光.等.电火花震源系统充电技术研究J.海洋技术，2007,26(3)：73-76.4 LIZL.Q!FQ.NewsubbottomprofilerC-Boomwithuniquelowvoltagetechnique.2005,24(3):72-77.李增林，亓发庆.采:用独特低电压技术的新型浅地层剖面仪C-BoomJ.海岸工程，2005,24(3)：72-77.5 LIUXJ,GAOS,YANGY.Apreliminarystudyonthemethodforcorrectingwindwave-induceddistortioneffectinimag

20、esofGeoChirpIIsubbottomprofilerCJ,AdvancesinMarineScience,2007,25(2):160-167.刘秀娟，高抒，物阳.浅地层剖面仪GeoChirpD图像中以浪变形效应的校正方法初探J.海洋科学进展2007,25(2)：160-167.6 CHUHX.ZHAOTH,SHIHJ,ctal.Theefficiencyevaluationofnon-linear(parametric)sonarsystemapplicationinseaengineeringinvestigationJJ.Geophysical&GeochemicalE

21、xploration,2005,29(6)：526-529.褚宏宪，赵钦虎，史取杰，等.参缺阵浅地层制而测址技术在近岸海洋工程的应用效果口.物探与化探，2005,29(6)：526-529.7 WUSG,ZHOUJP.GUCH,etal.Introductionandapplicationofsubbottomprofiler(TOPASPS018)system。.JournalofMarineSciences.2007,25(2)：91-96.吴水根.周建平.顾春华，等.全海洋浅地层剖面仪及其应用J.海洋学研究.2007,25(2),91-96.8 SELBYI,FOLEYM.Anappli

22、cationofchirpacousticprofiling：monitoringdumpedmudsatseabeckdisposalsitesinHongKongJ,JournalofMarineEnvironmentalEngineering.1995,1(3):247-261.9 BULLJM,QUINNR,DIXJK.Reflectioncoefficientcalculationfrommarinehighresolutionseismicreflection(chirp)dataandapplicationtoanarchaeologicalcasestudyJJ.Mar.Gco

23、phys.Res.,1998.20：1-11.10 PLETSRMK.DIXJK.ADAMSJR,etal.Theuseofahigh-resolution3DChirpsub-bottomprofilerforthereconstructionoftheshallowwaterarchaeologicalsiteoftheGraceDieu(1439),RiverHamble,UKJ.JournalofArchaeologicalScience,2009,36：408-418.11 VARDYME.DIXJK.HENSTCXKTJ,etal.Decimeterresolution3Dseis

24、micvolumeinshallowwater：acasestudyinsmallobjectdetectionJl.Geophysics.2008,73(2):B33-B40.：12WANGQ.LIUYC.BAOJY.Ananalysisofverticalresolvingpowerforsub-bottomprofiler£j.MarineSciences,2003.27(6)s77-80.王琪，刘雁春，暴景阳.浅地层削面仪仪垂宜探测分辨力分析J.海洋科学.2003,27(6),77-80.13：LUOJH、PANGF.DINGWF,etal.Researchonprocess

25、ingtechniqueo(eliminatingwave-induceddistortioneffectonsub-bottomprofileJlTechnicalAcoustics,28(1),21-24.罗进华，潘国富，丁维风.等.消除涌浪对海底声学地层剖面影响的处理技术研究J.声学技术.2009,28(1)：21-24.14LIUXJ,GAOS.ZHAOTH.Therecognitionoftheseabedreflectionsignalandtheautomaticpickupofseabedtopographyfromtheoriginaldataofsub-bottomprof

26、ile。.Geophysical&GeochemicalExploration.2009,33(5)：576-579.刘秀娟，高抒，赵铁虎.浅地层剖面原始数据中海底反射信号的识别及海底地形的自动提取口.物探与化探，2009,33(5)：576-579.15GUTOWSKIM,BULLJHENSTOCKT.ctal.Chirpsub-bottomprofilersourcesignaturedesignandfieldtesting。.MarineGeophysicalResearches,2002,23：481-292.SimulationofSubbottomProfilerMeasurementLULian-Gang1,2GAODa-zhi3LIUJin-zhong2,4,WANGHui-wu1,1(1.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModelingSOA,Qingdao26606,China；2. FirstInstituteofOceanographySO