海洋论坛▏无人艇载单道地震系统集成与海试验证 - 海底地质矿产勘探仪

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传统的海洋地震勘探通常以调查船为平台，搭载各类地震测量设备完成地质调查、资源勘查、工程勘察等任务.然而，在环境复杂、工况恶劣的水域，传统调查平台作业局限性显著：大型船舶受吨位、吃水深度的影响，近岸航行机动性、安全性差，不适合近岸浅水区的作业；小型船舶抗风浪能力、作业条件差，人员、设备安全风险高，且频繁往返、补给消耗大量时间；传统作业模式普遍存在系统集成化、自动化程度低的问题，调查船航行、设备运行、数据质量监控均需人员现场操作，需要大量人工成本。此外，不同船舶的本底噪声特征不同，加大勘探前期环境噪声调查的难度，噪声过大时会严重影响地震数据的质量。

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无人化作业是海洋探测技术发展的新趋势，其平台包括无人艇、AUV和波浪滑翔机等，其中无人艇应用最为广泛，相关的路径规划与跟踪、自动避障、高速通讯、数据传输、远程航行等技术已趋于成熟。地震勘探技术在油气/矿产勘查、地质调查、工程勘察等领域均发挥了不可忽视的作用，新技术的突破和应用是地震勘探学发展的重要基础。目前无人平台在海洋探测领域已成功实现了单/多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪、CTD等设备的搭载和无人化作业。然而，基于无人平台的海洋高分辨率地震探测技术和系统研究工作较少，在国外有若干前瞻探索，而国内罕有报道。欧盟WiMUST计划利用多个水面AUV搭载单道接收系统，其震源系统依旧采用调查船拖曳；韩国地球科学矿产资源研究所相关团队则是利用波浪滑翔机搭载单道接收系统，震源系统同样是采用调查船拖曳，以上任务载荷与无人平台的集成程度仍需进一步提升。

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一、设备与方法

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⒈云洲L25C大型无人艇

本文研究中使用云洲L25C多用途无人艇搭载导航定位系统和单道地震系统。L25C多用途无人艇采用双机推进的非对称截面立壁式槽道双体船型，航行时船体兴波小，槽道内无水花、气泡，对声学、光学载荷干扰小；利用两个片体浮力产生的横摇恢复力矩和两侧立壁面积产生的阻力抑制无人艇的横纵摇，提升平台抗风浪性能；大推力线间距的双桨推进系统提升了平台的操纵性和机动性，同时提高平台的航向稳定性；全封闭式设备舱能够确保电子设备的安全，开敞式后甲板、通顶月池及升降鳍可满足多种海底探测设备的搭载需求。L25C船体的主要结构见图1。

图1云洲L25C多用途无人艇结构示意图

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搭载单道地震系统后，L25C无人艇船体吃水深度约0.3m，适用于浅水区作业；自主航行循线精度高，避障灵活，可显著降低人员操作误差，并且能够减轻工作人员负担、改善海上工作条件。此外，高度集成化后，地震数据采集及质量监控均可在在岸基或母船上进行远程控制，未来可实现无人化集群作业模式，能够极大的提高勘探效果及施工效率。

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⒉单道地震系统

无人艇搭载能力与任务载荷的适配性是无人艇载单道地震系统集成的研究重点之一。适配性研究需要解决的问题包括载荷系统总重量、干端体积、湿端阻水面积、功耗、通信及接口等与无人艇的适配性。水面自主测量平台的能源供应主要来自于发电机或储能电池，在满足任务载荷最大功耗需求的同时需要解决物理接口与电气接口兼容问题(常继强等，2019)。相比于单/多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪等海底探测设备，单道地震系统所需输入功率更高，系统集成首先需要确保平台的输出功率满足载荷功率。此外，无人艇集成单道地震系统时，海上观测系统设计是重要一环，主要参数包括震源位置、接收缆的排列方式、偏移距等。

在观测系统设计方面，本文从系统集成化的角度考虑，选择将震源发射头安装到通顶月池的升降鳍，而不是采用常规拖拽(平行后拖)，从而提升无人艇作业的机动性和灵活性。从系统功耗的角度讲，这种震源集成安装方式能够显著缩短甲板充放电单元到水下发射头的电缆长度，有效减少传输损耗，从而提高震源的能量转换效率，相当于减少高功率地震勘探系统的功耗，从而延长无人艇测量平台的作业时长，提高工作效率。

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本文研究采用的地震震源是由中国科学院深圳先进技术研究院自主研制的电磁式脉冲震源系统，包括甲板充放电单元和水下Boomer发射头，其中甲板单元的最大瞬时功率为1.6kW，能满足L25C无人艇对载荷的最大功耗要求(3.5kW以内)；接收端采用西安虹陆洋机电设备有限公司生产的单通道组合缆及采集系统获取数据，其功耗可忽略不计(震源和接收系统详细参数见表1)。本研究选用短排列、窄间距的水听器组合缆能够减小纵向排列观测方式对浅部地层分辨率的影响。

表1单道地震系统主要参数

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二、系统集成与海上试验

无人艇集成海底声学探测设备，一方面要求天线定位数据与探测定位数据严格一致，必要时需要对位置信息进行校准，确保探测数据的有效性；另一方面需要在对设备形成有效保护的前提下，以对声学设备航行扰动最小的方式安装设备湿端。海上地震勘探通常采用收发分置的观测模式，包括横向排列和纵向排列两种观测模式(图2)，其中常规海上单道地震勘探通常采用横向排列，即震源和接收缆平行后拖于调查船后一定距离，而多道地震勘探通常采用纵向排列，也称端射模式，即震源和接收缆位于同一直线上。针对海上单道地震勘探，Baradello等对两种排列的优劣进行了详细的探讨，当接收缆的水听器基元数量和间距固定时，横向排列对于浅水区浅层高分辨率勘探具有明显的优势。然而，为充分发挥无人艇作业灵便和安全优势，本研究仍采用纵向排列观测模式。根据L25C无人艇船体结构特征，本文研究将震源发射头安装在无人艇通顶月池的升降鳍，接收缆从船尾两个推进器的护栏中间布放下水，并通过合理选择接收缆(短排列、窄间距)和控制偏移距来减小纵向排列观测方式对浅部地层分辨率的影响(图3)。值得一提的是，横向和纵向排列方式对勘探效果的影响会随着水深的增加而减小。

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图2横向排列和纵向排列观测方式俯视示意图

图3无人艇载单道地震系统集成示意图

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本文海试区域选在广东省大亚湾，测线位置如图4所示，测线覆盖海域水深在10～15m之间。大亚湾岸线曲折，沿岸港湾众多，呈大湾套小湾的特点。湾内岛屿和礁石众多，素有“百岛之湾”之称。周边沿海多为山丘地，没有大型河流输入，只有一些小溪注入，地表径流量很小，因此沉积物来源匮乏，沉积层薄，以细颗粒沉积物类型为主，粉砂质黏土和黏土质粉砂居绝对优势，并具有近岸粗远岸细、湾口粗湾内细的特点；湾内基岩埋藏浅，水下浅滩、岩滩分布广泛。

图5是采用常规作业方式(横向排列观测系统)获取的地震剖面，震源发射头和接收缆后拖于调查船后20m，甲板单元、接收缆及采集系统与无人艇测试采用的是同一型号，仅Boomer发射头的传输电缆长度有所差异，分别是30m和5m。震源激发参数及海上观测系统参数如表2所示。图5显示的地震数据采用常规海上单道地震资料处理流程，包括带通滤波(150～300～4000～6000Hz)、振幅恢复(时变增益)、去除野值(二维中值滤波)、预测反褶积(压制海底二次反射)及显示增益控制。

图4测线位置示意图

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图5常规横向排列观测方式获取的地震剖面

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表2两种作业方式的采集参数

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图6是无人艇载单道地震系统(纵向排列观测系统)获取的地震剖面，数据采集过程中震源发射头与水听器阵列的几何中心距离约为10m。震源激发能量为200J，激发间隔为1s，作业船速设定为3.5节；震源子波主频为800Hz左右。地震资料处理流程中，除显示增益控制外，其他参数与常规作业数据一致。

图6无人艇载单道地震系统(纵向排列)获取的地震剖面

由图5和图6可见，当水深在10m左右时，无人艇载单道地震勘探系统能够取得较为理想的探测结果，与常规作业方式的勘探效果不相上下。图7a是图5中第3850至4550道的显示结果。图7b是图6第3300至4800道的显示结果。由图7可见，在细节方面，由于道间距较小，无人艇载单道地震勘探系统的探测效果具有更高的横向分辨率。而由于水深较浅且偏移距较大，地震波的入射角偏大，故海底及浅部地层的反射能量相对较弱。理论上，这种情况可通过缩小震源和接收缆的偏移距来改善，但由于本文研究中将震源安装于无人艇船底，而接收缆拖曳于无人艇后方，偏移距过小将会导致螺旋桨尾流对接收端的影响加剧，从而降低反射信号的信噪比。

(a)横向排列；(b)纵向排列 - p: S# E" n4 h% `

图7两种排列方式获取的地震剖面对比

三、结论

无人艇具有吃水浅、机动性强、安全高效等特点，可弥补常规调查船平台在环境复杂、工况恶劣的水域作业的局限性。本文研究以单道地震系统的工作机理为基础，充分考虑两种常用排列方式对单道地震勘探效果影响的前提下，兼顾维持无人艇作业的灵便性和安全性，以纵向排列对无人艇载单道地震系统进行了集成与海上应用测试，并通过合理选择短排列、窄间距的接收缆以及控制偏移距来减小纵向排列观测方式对浅部地层分辨率的影响。与此同时，偏移距的设定还需要兼顾螺旋桨尾流对接收端信号的影响。当偏移距为10m时，纵向排列方式在水深10～15m之间的海域能取得较为理想的效果。理论上，深度越大，水听器阵列组合的影响越小，因此预计在10m以上水深的海域，此无人艇载单道地震系统均可正常工作，应用前景广阔，需进一步开展相关研究工作以支撑未来发展。

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为进一步提升无人艇载单道地震系统的工作效率，未来工作需要充分考虑不同航速下、不同后拖距离的背景噪声等级，结合正演模拟和实验测量研究不同观测系统参数的勘探效果，进一步优化观测系统设计参数。另一方面，为提高无人艇载单道地震系统的应用范围，需要考虑如何在强风浪条件下保持船体的稳定性，确保平台和载荷的安全，并降低平台对任务载荷的扰动。

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【致谢】感谢珠海云洲智能科技有限公司周俊熙、李嘉健、叶业辉三位工程师以及“荣耀扬帆”号船长洪贵兴在海试过程中的鼎力协助，感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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【作者简介】文/李天光郑江龙李林伟江彪谢晋兴黄晓鑫孟凡盛惠格格黄逸凡，分别来自南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)、中国科学院深圳先进技术研究院。第一作者李天光，男，1990年出生，硕士，工程师，主要从事海洋地质地球物理调查技术、设备应用与研发等研究；通讯作者郑江龙，男，1989年生，博士，工程师，主要从事海洋声学探测技术、海洋沉积声学、海洋地震资料处理等研究。本文受基金项目资助，南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) (SML2021SP318)。文章来自《地球物理学进展》（2024年第2期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载本文已经取得了作者授权。

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