西太平洋结核区背散射强度数据采集方法研究

于宗泽+杨永+朱峰

摘 要：多金属结核作为潜在的战略资源，日益得到人们的重视。利用多波束采集的背散射强度数据进行大洋多金属结核大范围划分矿区已逐渐成为广泛应用的海洋探测技术和手段。文章依据海洋六号船的EM122多波束測深系统在西太平洋结核区的实测背散射强度数据，研究多波束测深系统的背散射强度数据采集参数及方法，为更好地获取多金属结核分布情况和矿区的划分提供保障。

关键词：多金属结核；多波束测深系统；背散射强度

中图分类号：P744 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0009-03

1 概述

占地球表面71%的海洋，蕴藏着丰富的矿产资源，其中多金属结核便是一种重要的海底固体矿产，富含锰、钴、锂、铜等金属元素。多金属结核呈大小不等的球形状、不规则状，广泛的分布于太平洋、印度洋和大西洋的海盆的沉积物表层[1]。随着陆地矿产资源的日益枯竭，多金属结核作为一种潜在的战略资源，日益得到人们的重视。

国外很早就利用多波束背散射数据进行海底底质分类识别方面的研究，特别是在20世纪八九十年代已有很多的有关资料。1990年杜克大学的Alexandrou和Pantzartzis应用神经网络方法对海底底质分类进行了研究[2]，1993年挪威计算中

心的Huseby等利用多波束测深系统背散射强度数据对海底底质进行特征提取和统计分类研究[3]。在国内对于多波束测深系统的海底声像图生成、处理及底质分类等方面的研究还处于起步阶段。我国的大洋矿产资源调查工作起步较晚，虽然从80年代中期开始，经过多个航次的调查研究，获得了一大批成果，并成功在东太平洋CC区提出我国的多金属结核申请区，成为第五个先驱投资者[4]。

2 多波束背散射强度与底质类型的关系

海底背散射强度可表达为BS=BSb+10lgA，其中A表示波束照射区面积，可以通过脉冲宽度（？子）、发射波束宽度（t）、接收波束宽度（r）以及波束的入射角（）求出。当入射角位于中央波束附近（≈0°）时，A=trR2；当入射角为其他值时， ，c为声速。BSb为海底的固有散射强度，通常情况依赖于波束的入射角，当≈0°时，BSb通常近似为一常数（BSn）；当0°<<25°时有研究表明，海底固有散射强度随入射角作线性变化，变化较大；当？叟25°时海底固有散射强度不但取决于波束的入射角，还依赖于海底底质类型特征，其变化服从Lambert定律BSb=BSo+10lgcos2，BSo为斜入射时海底底质背散射强度。综上所述 ，BS（？叟25°）。因此对多波束背散射数据BS进行Lambert法则改正（消除10lgcos2项）、波束照射区面积改正（消除10lgA项），即可获得仅反映海底底质特征的纯量BSo。[5]

多波束测深系统在获取船下方的水深数据的同时，也记录了背散射强度数据，对背散射强度数据进行地形修正和中央波束强反射信号进行处理分析，即可通过计算获得纯粹反映海底底质特征的背散射强度（BSo）信息。通过对多个扇区（ping）、多条测线的的背散射强度数据按照一定的原则拼接、镶嵌，形成海底声呐影像图，即可为海底底质类型划分以及地貌解译提供基础数据和判读依据[6]。

3 多波束背散射强度数据采集参数研究

背散射强度资料的采集过程中，船速、船向等参数的选取直接影响船底换能器周围的噪音等级，在不同波束开角、发射模式以及在不同地形（海盆、海山等）区域所使用的参数不同，都将影响背散射强度数据的质量，对现场处理结果的影响意义重大。

3.1 发射模式的选取

在进行多波束背散射强度调查前，首先根据调查工区水深选择合适的发射模式，保证整个调查期间多波束发射功率的一致性。结合现场监控的情况，本次采集数据的西太平洋结核区海盆，水深范围大致为2000～5500m，在SIS采集软件中，设置发射模式为Deep深水模式进行测量；海山区的水深变化范围较大，设置发射模式为Auto模式进行测量。

3.2 条幅开角的选择

首先由测线间距选择合理的波束开角，条幅覆盖率达到10%左右，保证调查区域的全覆盖以及满足规范要求的条幅重叠；其次根据调查区域不同海况调整条幅开角，海况越差开角越小；海盆区的条幅开角逆流时不低于50°，顺流时开角增加至60°，在浪高1.5m左右以下或现场监控资料质量较好时，开角增加至65°。

3.3 船速对数据质量的影响

不同船速下船底噪音不同，获得的资料质量也不同，对航次中2.5m浪高海况下，同向不同速测线进行比较，如图1至3，其中，图1和2分别是船速8节和2节同向测线获得的背散射数据，图3是两者数据的差值，可以看出正常速度及低速情况下背散射强度数据质量存在明显差异，低速下质量良好，通过公式

计算得出标准偏差为5.154，可见，不同速度下获取的资料差异比较大，如果条件允许，速度尽量低将获得高质量的背散射强度数据。在同方向的资料采集过程中，尽量保持匀速、低速，从而使同方向测线的数据质量一致，得到良好的数据拼接效果。

3.4 航向对数据质量的影响

由于水流方向的原因，不同航向下船底噪音不同，获得的资料质量也不同，对航次中2.5m浪高海况下，不同方向测线数据进行比较，如图4，其中，从上到下分别是航向90°（顶流）、270°（顺流）背散射强度数据及两段数据差值，可以看出顺流资料质量明显由于顶流，经计算得出标准偏差为4.503。

以上测线背散射强度数据对比分析表明沿不同航向获取到的背散射数据整体趋势较为一致，但大小存在较为明显的差异，该差异与速度不同及顶顺浪时船底换能器附近的噪音等级有很大关系，顶浪或速度越快时，噪音越大，噪音等级越高，获得的背散射强度越低。所以作业过程中顶浪航行时应尽量降低速度，采用顺流数据对测区背散射强度数据进行整体评估，顶流数据作为参考，在室内后处理过程中应进行进一步分析处理。

对于海盆区，水深变化不大，从航次的资料处理和实时监控情况分析，作业中在海况较好（2m浪左右）时，顶流作业时速度一般不超过9节，顺流速度不超过11节；海况较差时（2～3m浪），顶流速度需低于8节，顺流速度不超过10节。

对于海山区，水深变化快，船速过大将造成数据的丢失，所以在海山区作业时，速度应比海盆区作业时低，从航次的资料处理和实时监控情况分析，作业中在海况较好（2m浪左右）时，顶流作业时速度一般不能超过8节，顺流速度不超过11节；海况较差时（2～3m浪），顶流速度需低于7节，顺流速度不超过9节；遇到海山边缘或地形变化较快区域时，速度应适当减小1～2节。

3.5 其他参数调整

条幅左右覆盖宽度门限应结合开角进行适当调整，去除边缘波束较差数据。

分析现场监控中背散射强度门限的调整结合后处理得到的背散射强度图，强度值的明显分界点为-35db左右，在監控软件中可将门限值调整为-35～-60dB，便于现场监控强背散射强度区域。从获取的背散射效果图（如图5、6）中可以看出，反射强度较强的区域显示为浅色及深色，结合海底摄像、箱式取样等手段可以初步确定，在反射强度大于-35dB的区域可作为参考矿区。

4 背散射强度数据处理研究

本次获取的背散射强度数据采用Caris8.0软件进行处理（图7），首先需要根据调查船数据及测量数据基本信息建立相应的项目信息；其次对导入的多波束原始测量数据依次进行声速和潮汐修正，并通过数据合并将各水深数据从时间相关转化为坐标相关；再次在对测量数据进行自动滤波之后，手动去除水深异常点，获得水深原始数据；最后对水深处理之后的测线数据做背散射处理，使用Geocoder模式对每条测线建立Geobar背散射文件，再进行数据合并，得到背散射Mosaic数据。最终把Mosaic数据利用Surfer9.0软件生成背散射网格化文件。

背散射能量与沉积物的声阻抗存在一定的联系，由于软质沉积物含有大量的水，其声速和密度都远小于硬质沉积物，因此软质沉积物的背散射能量也小于硬质沉积物。从而可依据背散射强度大小对沉积物的声学性质进行简单分类，可以为沉积物的判别提供一定的依据。

本航次获得的背散射强度数据成图见图5、6。从图中可以看出两个海盆的背散射强度范围基本在-20dB～-50dB之间，若定义背散射强度大于-35dB的区域为强散射区，则海盆区的强散射区位于中部和东南部，中部强散射区面积约为4500km2，且该区域大部分为海盆区，地势平坦，水深约5000～5800m，东南部临近海盆边缘，强散射区面积约1800km2；海山区的强散射区位于西南部，散射区面积约为1100km2，该区域位于海山区坡脚，地势较为平坦，水深约5700～6000m。

5 结束语

本文结合海洋六号船采集的背散射强度数据及实时监控情况分析在不同航速、航向、海况、地形等条件下，利用多波束系统在采集背散射数据时的采集参数不同，对数据采集质量产生不同的影响。多波束系统中的背散射强度数据为大洋海底底质分类及多金属结核资源的矿区划定具有重要意义，将为我国大洋多金属结核等矿产资源调查与开发做出更大的贡献。

参考文献：

[1]何高文.大洋多金属结核和富钴结壳底质地球化学特征与成矿机制对比研究[D].广州：中山大学，2006.

[2]Alexandrou D， Pantzartzis D.Seafloor classification with neural network[J].OCEANS'90. Engineering in the Ocean Enviroment. Conference Proceeding，1990：18-23.

[3]Huseby R B， Milvang O， Solberg R. Seabed classification from multibeam echosounder data using statistical methods[J].OCEANS'93. Engineering in Harmony with Ocean.Proceedings，1993，3（3）：229-233.

[4]EM122多波束测深系统在大洋多金属结核资源调查中的应用[J]. 海洋地质前沿，2015，31（9）：66-70.

[5]唐秋华，周兴华，丁继胜，等.多波束反向散射强度数据处理研究[J].海洋学报，2006，28（2）：51-55.

[6]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008：298-304.