探测深海富钴结壳厚度的参量阵声呐系统关键技术研究

冯海泓，任晓寰,2，黄敏燕，杨震亚

(1.中国科学院声学研究所东海研究站，上海201815；2.中国科学院大学，北京100049)

0 引 言

富钴结壳又称钴结壳、铁锰结壳，是生长在深海海山上的壳状矿床。矿石中钴的品位最高达1.2%，是多金属结壳中钴含量的4倍，高出陆地原生钴矿几十倍[1]，因而名为富钴结壳；同时含有钛、铈、镍、锆和稀土等多种金属元素，是一种开发价值较大的战略资源。然而，结壳的分布十分不均匀，厚度通常在10～250 mm之间变化[2]。到目前为止，测量结壳厚度最准确的方法是通过岩心取样。这种方式虽然可靠性好，但单个点采样效率低，不利于对结壳区厚度进行大范围探测。

目前，浅地层剖面仪、测深侧扫系统、多波束系统、三维(3D)海底成像系统等声学探测系统已经成功应用于富钴结壳资源的探测和识别，但是尚未开展结壳厚度测量研究。对于结壳厚度的测量问题，常规探测系统对于较薄的结壳层来说分辨率欠佳[3]，针对该问题，本文提出了一种对富钴结壳进行声学原位探测的测量系统。该系统利用参量阵技术发射探测信号，通过对结壳上下表面的回波到达时刻进行估计，实现了结壳厚度的估计。

1 探测系统原理

由声学原理可知，在介质声阻抗发生改变的边界处存在声反射现象。钴结壳的声阻抗在5.6×106kg·m-2·s-1左右；基岩的类型较多，主要以玄武岩为主，声阻抗约为16.6×106kg·m-2·s-1[2]，可见，结壳的声阻抗与基岩存在明显差异。因此，如果结壳内部的声速已知，那么结壳-水界面和结壳-基岩界面处会发生声反射，通过测量结壳上下表面反射波的到达时间，可以计算出结壳的厚度。

参量阵声呐设备体积小、指向性高，而且差频声束无旁瓣，能够避免引入虚假地层，多用于全海域地形地貌测量[4]。Westervelt最早提出了参量阵理论[5]，他仅考虑两个单频信号共轴发射的情况，产生的差频波只有一个频率成分，通常称为双频参量阵。Berktay等在其基础上研究了输入信号为宽带信号的情况，提出幅度调制的方法，使得参量阵技术进一步得到了发展[6]。

宽带参量阵理论中，假设发射信号为

式中：p0是原频波的振幅；E(t)是原频的包络，通常是一个宽带信号，则远场声轴上的差频声压为[3]

式中：ρ0是介质的密度；β是非线性系数；t为时间；α0是原频的吸收系数；c0是介质中的声速；R是场点到声源的距离；s为发射换能器的面积。式(2)表明，经过介质的自解调后，宽带声参量阵得到的差频波的声压和原频包络平方的两次微分成正比。

参量阵体积小，指向性好，但存在转换效率低的问题。参量阵的转换效率与差频波和原频波的频率比、原频的辐射功率、传输介质特性[7]以及包络调制方式[8]等因素有关，通常只有1%左右[9]。因此入射到结壳内部的差频波的声压级较小，而且，由于结壳表面粗糙，引起声波的散射和折射，故结壳与基岩界面的回波很容易淹没在噪声中难以提取。

为了减少噪声和干扰对回波的影响，系统在两个接收通道分别加入6阶巴特沃斯型滤波器。滤波器的中心频率分别为1 MHz和100 kHz，通带带宽分别为200 kHz和20 kHz，阻带衰减为80 dB，以减少噪声和干扰对回波信号的影响。

1.1 回波多脉冲叠加

当系统搭载平台定点作业或运动速度较慢时，多个周期的回波可以认为是某点的多次测量结果，将某一时间段内的多个回波脉冲信号进行叠加，利用信号之间的相关性和噪声之间的不相关性，可以增加信号的强度[10]，使得淹没在噪声里的回波信号凸显出来，从而提高信噪比。

假设在某次定点探测中，换能器接收的回波信号为

对N个周期的回波信号进行叠加后的结果为

式中，n(t)为噪声，s(t)为信号。假设输入信号功率为，输入噪声方差为，且各个噪声之间是相互独立的，则N次叠加后的噪声方差为，由于信号是相关的，则叠加后的信号功率是。因此，理想情况下叠加后的信噪比为

由此可见，理想情况下N个回波信号叠加后的信噪比相比单个脉冲情况下提高了 10lgNdB。故叠加脉冲数越多，信噪比提高得越多。这在定点测试中是比较容易实现的，测量设备处于静止状态，可以将多个周期的回波信号进行叠加。但在走航式作业情况下，测量平台快速航行或者处于运动状态下，多个脉冲可能来自不同的探测位置，多个反射波之间的相关性有所减弱，该方法则不适用。

下面给出某次定点探测实验中，回波多脉冲叠加的结果。将10帧信号进行叠加，单次回波信号和叠加后的信号如图1所示。经计算多脉冲叠加后的原频信号信噪比相对单帧信号平均提高了6.2 dB，多脉冲叠加后的差频信号信噪比相对单帧信号平均提高了6.8 dB。

1.2 双频时延估计

假设结壳中的声速已知，对水-结壳界面和结壳基岩界面的回波到达时间分别进行估计，通过计算两者的时延差可以计算出此处结壳的厚度。信号的包络包含了到达时间的信息，利用包络信号来估计到达时间已成功应用于目标的定位和测量中[11]，故对叠加后的回波信号取包络信号，再利用包络信号估计回波的到达时刻。

图1 单次回波信号和叠加10次后的回波信号对比图Fig.1 Comparison of single echo signal and the echo signal after 10 times superposition

探测系统发射的信号为大功率原频波，由于是在近距离(距离结壳层0.5～1 m处)对结壳进行测量，而且水中原频波的吸收系数比较小(约为0.26 dB·m-1)，故原频波的回波幅度较大。相关研究指出[2]，结壳层中的声吸收系数约为(6.37±1.8) dB·MHz-1·cm-1，由于结壳层的衰减效应，结壳-基岩界面的原频反射波已经难以被接收端检测到。考虑差频波入射的情况，由于频率较低，差频波在结壳层中的衰减要小于原频波，能够穿透结壳层[2]反射回接收端，但是受到转换效率低的制约，回波幅度较小。原频和差频的回波信号如图2所示。

从图2中可见，结壳上表面的回波信号到达接收机大约在0.001 1 s左右，从原频回波信号中比较容易确定这一点，但是差频回波信号受到外界干扰的影响，难以直接从信号包络中确定结壳上表面以及下表面的回波到达时间(见图2(b))。故借鉴超声双频组合利用[12]的思想，提出一种双频延时估计方法。该方法首先利用幅度较大的原频波确定结壳上表面回波的到达时刻，然后利用穿透性较好的差频波确定结壳下表面的回波到达时刻，通过计算两个回波到达的时延差，从而估计出结壳层厚度。

图2 原频和差频的回波信号Fig.2 Primary frequency and difference frequency echo signals

采用双通道延时估计方法测量结壳厚度的软件流程图如图3所示。在接收差频回波的同时，系统接收原频波的反射回波，根据原频波的包络信号可以确定结壳上表面回波的到达时刻，结壳-基岩层界面回波的到达时刻可以通过对差频回波信号进行处理，采用峰值检测的方法进行确定。

图3 结壳厚度测量流程图Fig.3 Flow chart of crust thickness measurement

2 探测系统组成

系统基阵采用球形凹面阵设计。阵面曲率半径为750 mm，球缺底面直径为230 mm，阵面环形排布24个发射通道，发射采用幅度调制方式，原频波频率为 1 MHz，差频波频率为 100 kHz，发射声压级为220 dB，阵元瞬时功率可达250 W，产生的差频波声压级约为186 dB。阵面中心位置安装两个接收通道，分别接收原频回波和差频回波，采样率分别为5 MHz和500 kHz。

系统硬件系统由主控板、信号调理采集板、功放板和底板组成。主控板是基于NI公司SbRio-9607采集模块开发的，实现系统远程控制及数据传输、发射信号相控以及信号发射和接收。

系统软件分为显控软件模块和水下控制软件模块显控软件模块为操作者进行声学测量提供参数输入窗口，实时显示设备的工作状态，以及测量过程中的波形图、趋势图等；水下控制软件模块主要负责数据采集控制和数据转换功能，和主控计算机之间的通信选用传输控制(transmission control protocol, TCP)协议，以保证数据传输的安全性和可靠性。

系统软件采用客户机-服务器的模式。水下控制软件作为服务器方，负责创建通信端口，并侦听请求；当客户端(主控机)提出连接请求时，服务器端响应连接，建立起安全可靠的连接。

3 系统性能测试及应用

系统完整的工作流程为：载体下潜过程中打开噪声采集模块，采集海洋环境噪声。到达海底探测区域后，主控计算机发出控制指令，启动声波发射采集模块工作；声波发射模块中的功放板生成设计好的脉冲波形，将信号放大并发送给发射换能器；发射换能器产生周期性的探测脉冲。声波采集模块同步开始工作，接收和处理来自接收换能器的信号，并把波形和计算结果实时显示在主控计算机上。

图4给出了系统探测过程中某一站点显控软件的部分结果图。图4(a)、4(b)给出了高频通道和低频通道接收回波多脉冲叠加后的原始波形，图4(c)、4(d)是对应的包络信号，图4(e)、4(f)给出了结壳厚度和离底高度的估计值。

图4 探测系统显控软件结果图Fig.4 Processing results of display-control software of detection system

经分析可知，0～0.000 5 s(图 4(b))的信号是外界的干扰信号，从图4(b)中可以看出，虽然引入了回波多脉冲叠加技术抑制噪声，相对原频回波信号，差频回波的幅度仍小于干扰信号的幅度，若直接对包络信号进行峰值检测，会得到错误的结果。而采用双通道延时估计方法，可以从原频回波的到达时刻确定差频波的直达回波到达时刻，从而避开之前干扰信号的影响，准确地确定前表面和后表面的回波到达时刻。假设结壳声速均匀不变的前提下，系统可以给出结壳的厚度变化趋势。

对于结壳层厚度的计算，系统中选取的结壳中的声速为2 500 m·s-1，相应地计算得到该站点的结壳厚度为14 cm。潜器搭载有遥控无人潜水器钻机，在该站位成功地钻取到岩芯样品，揭示了探查站位点富钴结壳的真实厚度，此站点的结壳厚度约为15 cm。通过与岩心样品测量结果比对，厚度测试结果较为接近，说明本系统时延估计精度较高，对富钴结壳的厚度计算结果是准确的。

4 结 论

本文研究和分析了富钴结壳原位探测系统的探测原理，对系统架构和主要模块进行了介绍，并着重分析了富钴结壳厚度原位探测过程中的关键技术。探测系统搭载潜器进行了出海试验。试验期间系统工作正常，性能较为稳定。试验结果验证了测厚算法的性能，对富钴结壳探测设备的研发具有一定的参考价值。