侧扫声呐在富钴结壳探测中的应用前景

冯强强， 温明明， 牟泽霖， 柴　祎

(广州海洋地质调查局，广东广州510075)



侧扫声呐在富钴结壳探测中的应用前景

冯强强， 温明明， 牟泽霖， 柴祎

(广州海洋地质调查局，广东广州510075)

摘要：随着富钴结壳勘查工作的深入和我国深水调查设备的快速发展，侧扫声呐将会广泛应用于结壳区的调查中。介绍了声学遥测方法侧扫声呐的工作原理，分析了已经在结壳区获取的侧扫声呐数据，列举了在将来的勘查中可能用到的新的侧扫声呐技术和数据解释技术。认为传统的调查手段存在一定的局限性，侧扫声呐的使用将会丰富结壳区的勘查手段，促进富钴结壳区的资源评价和圈矿工作。

关键词：侧扫声呐；圈矿；富钴结壳

0引言

富钴结壳又称富钴铁锰结壳、铁锰结壳、钴结壳等，是一种锰铁氧化物和氢氧化物沉积矿产，主要以板状、砾状、结核状、碎块状等形态分布于海山区平缓的裸露基岩上或者钙质沉积物之下(潘家华等，2002)，富含Fe、Mn、Cu、Co、Ni、Zn、稀土等多种元素，是许多金属和稀土元素的重要潜在来源。另外，富钴结壳对于古海洋和古气候以及海洋学的研究也有着重要意义。因此，自20世纪80年代以来，美国、俄罗斯、德国、日本、法国、韩国、中国等针对富钴结壳相继开展了一系列综合调查和研究工作。随着《联合国海洋法公约》以及联合国国际海底管理局制定的相关勘探规章的出台，各国开始对除一些大洋岛屿国家专属经济区外的富钴结壳资源展开了国际海域海底结壳矿区的调查和评价工作,被称作蓝色圈地运动(杨胜雄等，2006)。我国从20世纪90年代后期开始在太平洋麦哲伦海山区、马绍尔群岛海山区、马尔库斯海脊、威克海岭、中太平洋海山区和莱恩群岛海山区等国际海底区域持续开展了富钴结壳资源调查(马维林等，2007)，从地形地貌、地球物理、海洋环境、基岩及表层沉积物、矿石矿物学、地球化学等方面对富钴结壳资源进行了系统研究。

目前，在富钴结壳调查中使用的手段主要有卫星遥感系统、多波束水深测量、深海摄像、电视抓斗、拖网、浅钻、浅地层剖面测量等。侧扫声呐测量是一种声学遥测方法，具有精确、经济、高效的特点。国内外学者对其资料处理和海底特征提取及分类技术已经开展了一系列的研究工作，是一种成熟且有效的海底分类方法。但是，受水深以及设备开发的制约，这种方法在富钴结壳的勘查中只进行过试验性的使用。随着海洋调查技术的快速发展，侧扫声呐的广泛使用将会对富钴结壳区的矿区边界识别、结壳覆盖率的计算有很大帮助，对于整个富钴结壳资源的评价和圈矿工作有着重要的意义。

1侧扫声呐探测的基本原理

侧扫声呐主要用于海底测绘研究，这种技术初始用来探测潜水艇和海底目标物，随后被广泛应用于海洋地球物理和地质工作中，如海底形态和沉积分类、生物群落和珊瑚礁的分布、特殊目标物的识别(沉船、水雷等)(Sakellariou，2007)、工程施工(疏浚、海上平台建设、海底光缆铺设)、环境调查等(Savini, 2011)。

典型的侧扫声呐装置主要由数据显示和记录单元、数据传输和拖曳电缆、水下声波发射和接收换能器组成(图1)。其探测原理是利用海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。侧扫声呐作业时向两侧发送宽角度(垂直方向)声波波束,可以覆盖海底大面积区域，通常单侧每个条带探测宽度可以达到数十米到数百米，然后接收海底返回的背散射数据对海底进行成像。根据不同的探测目的，可以选择不同频率的发射波束，范围从1kHz到1MHz，例如，对海底底栖环境的探测一般选择较高频率(>50kHz)的侧扫声呐才能获得海底表层特征，如沉积类型、出露岩石、海底形态(沙坡、沟壑等)和其他海底表面的结构体。

图1　拖曳式声呐拖鱼作业图(据Sakellariou，2007)Fig.1　Towed fish diagram using towed sonar(after Sakellariou, 2007)

为了获得高分辨率和大覆盖范围的背散射数据，这些声信号被设计成沿船航行轨迹方向很窄而垂直于船航行轨迹方向很宽的声波束。每一次发射声学信号，换能器会接收到1个“脚印”数据，显示单元会将所有的数据进行记录并建立1张实时的海底结构图(图2)。

图2　侧扫声呐实测剖面图Fig.2　Measured profile using side-scan sonar

背散射信号的能量比发射信号小几个量级(Blondel, 2009)，且信号的衰减随频率的增加而变快，低频发射信号(5～12kHz)可以传播较远的距离，从而获得宽接收条带，但是分辨率低，高频(>100kHz)则相反。

背散射信号的能量大小不仅与海底的地形相关，还与发射信号的入射余角有关。为了满足合适的入射余角，声呐拖鱼需要在一个相对海底的固定高度，通常为水平量程的10%～20%，这样可以利用由于目标物阻挡产生的声学阴影，有效探测到海底出露的小的目标物或者海底小尺度的形态特征。

分辨率是侧扫声呐的一个重要指标，它指的是在声呐图像中能区分2个目标物的最小距离，可以分成沿航迹分辨率和垂直于航迹分辨率(图3)。沿航迹方向分辨率Δrx是指测量平行于船航向的分辨能力，与水平波束的宽度θhx和量程R有关，它们的关系表示如下：

Δrx=θhxR

(1)

根据公式(1)，沿航迹方向的分辨率随离拖鱼之间距离的增大而减小。因此，2个目标物只有在它们之间的距离小于所在位置的Δrx时才会被区分开。

垂直于航迹的分辨率是指在垂直于船航行方向的2个目标物被区分的能力，信号的脉冲长度(T)是最大的影响因素。由于声波是斜入射到海底的，因此表示为：

(2)

式(2)中，θ为入射余角，c为声波在水中的速度。

图3　侧扫声呐分辨率示意图(据Mazel, 1985)(a) resolution horizontal to the track; (b) resolution vertical to the track Fig.3　Sketch showing resolution of side-scan sonar(after Mazel, 1985)

2侧扫声呐在我国富钴结壳调查中的应用

我国在大洋科考第21航次和第29航次分别使用SIS-3000XL型(Benthos公司)和国产DTA-6000型声学深拖在富钴结壳区进行了高分辨率的微地貌地形探测。其中，第21航次利用搭载的侧扫声呐的数据对结壳区的地形地貌进行了初步识别，利用背反射信号强度的差别区分不同的地形地貌特征，如圆形平底坑、台状凸起、陡坎、平缓区等(图4)。另外，对于地形相对平缓的区域，结合海底摄像和浅钻资料对不同声强反射信号结果中的沉积物、基岩和结壳区进行了初步判读(徐建等，2011)。

图4　大洋第21航次特征地形地貌的侧扫声呐灰度图(据徐建等，2011)Fig.4　Side-scan sonar grayscale images of typical topography during the 21st ocean voyage(after Xu et al., 2011)

在大洋第29航次富钴结壳的调查中，使用我国自行研制的DTA-6000型声学深拖在采薇海山区域进行了2条测线的测量，侧扫声呐的工作频率为150kHz，发射线性调制的Chirp信号，侧扫声呐结果可以区分均匀的沉积物区域和沉积物与基岩、结壳混合区域(图5)。

图5　大洋第29航次侧扫声呐灰度图(据曹金亮，2013)Fig.5　Side-scan sonar grayscale images of the 29th ocean voyage(after Cao, 2013)(a) side-scan image of sediment area; (b) side-scan image of sediment and basement/crust areas

3技术发展

自19世纪中期以来，侧扫声呐设备经历了长足的发展，从单一频率到双频率，从二维海底成像到三维立体成像，此外还有更高分辨率的合成孔径声呐、参量侧扫声呐。由于目前在富钴结壳调查中获取的侧扫声呐的数据量较少，一些成熟的解释手段也无法得到应用，随着设备的发展应用以及调查的深入，这些方法也将会在富钴结壳资源的勘查中发挥更大的作用。

3.1合成孔径声呐

合成孔径声呐技术自合成孔径雷达技术演化而来，利用小尺寸基阵沿空间的匀速直线运动来虚拟大孔经的基阵，从而获得沿运动方向的高分辨率的扫描图像。从一定角度上讲，合成孔径声呐是扇形声呐和传统侧扫声呐的一种结合。合成孔径声呐具有以下优势：沿航迹方向分辨率与孔径大小有关，与距离和工作频率无关，远近距离都可以高分辨成像；在分辨率相等的条件下，测绘效率高于传统侧扫声呐，更加适合深水复杂海域作业。图6为合成孔径声呐以及传统侧扫声呐的工作示意图。

图6　合成孔径侧扫声呐和传统声呐示意图(据Hansen, 2011)Fig.6　Sketch showing synthetic aperture sonar and conventional sonar(after Hansen, 2011)(a) fan-shaped sonar; (b) side-scan sonar; (c) synthetic aperture sonar

3.2参量侧扫声呐

不同于传统的线性声学声呐参量侧扫声呐，利用非线性的差频原理，即设计1个参量阵列，向水体发射2个频率接近的高频声波主频信号(f1,f2)，这2个信号在水体发生干涉，生成一系列二次频率声波信号，如f1、f2、f1+f2、f1-f2、2f1、2f2等声波信号虽然只有约1%的能量转换为二次频率的信号，但是仍然可以获得良好的高分辨率背散射数据。对上述具有不同分辨率和穿透深度的声呐图像进行对比分析，不仅可以识别小的结构体，还可以探测一些埋藏地质体及其埋藏深度(图7)。利用这一点可以确定富钴结壳的厚度，有益于富钴结壳的资源评价。

图7　参量声呐与传统声呐对比示意图(据Blondel，2009)Fig.7　Sketch showing comparison of parametric sonar and conventional sonar(after Blondel, 2009)

3.3解释方法

在对侧扫声呐图像解释前需要考虑很多影响背散射强度的实际因素，如信号频率(100～1 000kHz)、地形因素(决定声学信号的入射角)、地质因素(决定海底声学属性的参数，如孔隙度、粗糙度)等。在富钴结壳区，由于结壳与其附近的沉积物或者裸露的基岩在产状、孔隙度、粗糙度等声学属性因素等方面存在较大差异，对背散射强度影响不同。因此，可以通过处理后的海底背散射图像圈定结壳的分布范围。

前人对声呐图像的分析和解释进行了大量研究，提出了许多识别不同海底类型的图像处理方法(Atallahetal.，2004；Satyanarayana，2010；Geethalakshmietal.，2011)。声呐图像解释工作的第一步是区分不同海底类型在声呐图像上的声学相，此过程可以通过人工分类，也可以使用软件进行声呐图像的自动分类，如ESRIArcGIS、ERDASImagine、ENVI和ERMapper等软件，分类方法包括监督分类和非监督分类2种(图8)。对声呐图像的定性解释依托对背散射数据的量化分析以及对海底结构的研究。因此，结合海底真实情况(沉积物取样、海底视频和图片资料)有助于正确地进行海底分类。在一些富钴结壳矿区已经开展了拖网取样、浅钻取样等工作，获取了大量的富钴结壳实物样品。因此，可以利用这些样品和侧扫声呐背散射数据建立分类数据库，然后对测扫声呐数据进行监督分类，以获得更准确的结壳分布范围。

图8　声呐图像分类流程图Fig.8　Flowchart showing classification of sonar images

4结论

(1) 传统的调查手段都存在自身的局限性。深海摄像资料虽然最直观, 但从所得的结果中很难分辨出富钴结壳与玄武岩等裸露基岩的界限, 难以判断富钴结壳的厚度(马维林等，2007)。拖网是较常规使用的手段, 但同样无法对富钴结壳覆盖率进行准确判断, 有时利用拖网在平整的连续板状结壳处采样时还可能出现空网现象。同时, 拖网这种拖曳式设备定位困难,要想准确确定矿块位置, 必须对所测的站位位置和水深进行校正。浅钻虽然可以准确测得结壳的厚度和基底岩石的信息，但有的海山受到后期火山活动的影响，即使有厚层结壳，也往往成点状分布，且厚度分布不均匀，很难全面掌握其分布特征(武光海等，2005)，如采薇海山。浅钻站位的布设还面临选址问题，虽然可以结合海底摄像的结果，但海底摄像调查面积有限，短时间内很难获得整个海山的结壳分布情况。

(2) 相对于上述设备小面积调查的特点，侧扫声呐单侧条幅宽度可以达到数十米到几百米。因此，利用侧扫声呐可以进行大范围的调查，快速获取结壳区的资源分布特征。

(3) 随着我国DTA-6000声学深拖、“潜龙号”AUV、“海马号”ROV设备的研制成功和投入使用，打破了水深对声呐设备的限制，因为这些设备都可以搭载和扩展最新技术的侧扫声呐。另外，结合高精度的超短基线和长基线水下定位技术，可以在富钴结壳区开展更高密度的侧扫声呐测量工作，从而获取高精度侧扫声呐背散射数据，有助于加快结壳区的资源评价工作。

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Prospect of side-scan sonar in the detection of cobalt-rich crusts

FENG Qiangqiang， WEN Mingming， MU Zelin， CHAI Yi

(GuangzhouMarineGeologicalSurvey，Guangzhou510075,Guangdong,China)

Abstract：This paper introduces the working principles of side-scan sonar as an acoustic remote-sensing tool, and analyses previously acquired side-scan data in cobalt-rich crusts. We also list the newly developed side-scan sonar technology and data interpretation technology which will be utilized in future exploration. For the limitation of traditional survey methods, it is recommended that side-scan sonar will promote the resource assessment and ore delineation in cobalt-rich crust areas.

Keywords：side-scan sonar； ore delineation； cobalt-rich crust

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.320

收稿日期：2015-06-30；修回日期：2016-02-02；编辑：陈露

基金项目：国家海洋局项目“富钴结壳资源勘查技术方法体系与勘查方案研究”(DY125-13-R-09)、“富钴结壳勘探区资源综合评价”(DY125-13-R-01)、“富钴结壳成矿演化模型研究”(DY125-13-R-05)

作者简介：冯强强(1987—)，男，工程师，硕士，从事海上探测技术方面的研究工作，E-mail： jianfeizaixian@163.com

中图分类号：P631.5+21； P744.3

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)02-0320-06