2018, Vol. 42
文章信息
- 张超, 吕连港, 姜莹, 杨光兵, 刘宗伟, 杨春梅. 2018.
- ZHANG Chao, LÜ Lian-gang, JIANG Ying, YANG Guang-bing, LIU Zong-wei, YANG Chun-mei. 2018.
- 基于多波束测深仪的西太平洋声散射层测量
- Research on the sound-scattering layer in the Western Pacific observed with a multibeam sounding system
- 海洋科学, 42(9): 1-9
- Marina Sciences, 42(9): 1-9.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20170224001
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文章历史
- 收稿日期：2017-02-24
- 修回日期：2017-03-14
2. 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;
3. 齐鲁工业大学(山东省科学院), 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061;
4. 山东省海洋环境监测技术重点实验室, 山东 青岛 266061;
5. 国家海洋监测设备工程技术研究中心, 山东 青岛 266061
2. Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China;
3. Institute of Oceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences), Qingdao 266061, China;
4. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Qingdao 266061, China;
5. National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Qingdao 266061, China
多波束测深声呐作为一种高效、高精度的海洋勘探设备, 是水下地形地貌测量最主要的仪器之一, 在军事和民用方面都有广泛的需求。多波束发展的初期, 仅侧重于水深的测量, 近年来, 利用多波束系统进行水体影响观测, 并应用于沉船、鱼群分布[1-2], 甚至应用于冷泉[2-3]和海洋内波[4-5]的研究, 已经成为一个新兴的研究手段, 并取得了很好的效果。特别是近年来其成像结果在海底生境调查、地质分类等研究中都得到了广泛的应用[6-7]。随着技术的发展、硬件运算速度的提高、磁盘存储空间的快速增长, 多波束测量开始了三位一体的全海底空间测量:海底测深、海底反向散射强度与水体的反向散射强度[8]。在多波束测量时, 先向水下发射窄带脉冲声信号, 并接收海底及水体中散射体的反向散射信号, 通过对回波到达角度及到达时间进行估计, 可以获得海底的深度信息。通过水体回波强度及角度和到达时间, 可以得到水体的垂直方向的回波强度信息[9]。
在海中某些确定的深度上, 聚集有数量众多的生物群, 这些密集的浮游生物和鱼类能在一定的频率范围内散射声波, 深水散射层(DSL)主要是由这些群居的生物群所组成的[10]。深水散射层的深度在一昼夜内要移动两次:黄昏时, 散射层深度上升, 黎明时, 散射层深度下降。造成散射层迁移的原因可能是散射层中的生物体根据其觅食生存的需求和光照的影响[11], 形成复杂的食物网[12], 导致散射层具有明显的日变化特征。目前这些研究主要利用的是声学多普勒流速剖面仪(ADCP)数据[13-19]和回声探测仪的数据[20]。本文利用船载的多波束数据对西太平洋的散射层进行了反演, 证明了多波束数据对于反演散射层的可行性, 并对其优缺点进行了分析, 对以后声散射层的观测分析提供了新的思路。此外, 本文还利用声速仪(SVP)的数据对ADCP的数据进行了修正, 得到了更为精确的散射层垂直分布特征。
1 确定散射层深度(温度及深度修正)本文所采用的数据是由RDI公司的300 kHz骏马-哨兵型下放式声学多普勒流速剖面仪(LADCP)采集的, 其工作原理是向海水中发射一定频率(300 kHz)的声信号, 当声波遇到海水中的颗粒物时发生反射, 然后根据多普勒效应对反射回的声信号进行处理分析, 便可得到海水中各层的流速信息, 同时也会得到各层海水的回波强度, 通过回波强度可以计算后向散射强度, 本次试验中LADCP与SVP共同下放回收。
通过LADCP不能直接得到体积后向散射强度(Sv), 该设备所记录的是回声强度数据E, 其表达式为[21]:
| $E={{S}_{\text{L}}}+{{S}_{\text{v}}}+{{C}_{0}}-20\text{lg}R-2\alpha R$ | (1) |
本文利用1stBinRange的回声信号计算海水Sv, 将回波强度E转换为海水声体积后向散射强度, 其公式为[22]:
| $ \begin{align} & {{S}_{v}}=C+10\text{lg}[(T+273.16){{R}^{2}}]- \\ & \ \ \ \ \ \ {{L}_{\text{DBM}}}-{{P}_{\text{DBW}}}+2\alpha R+{{K}_{\text{C}}}(E-{{E}_{\text{r}}}) \\ \end{align} $ | (2) |
式中, C为修正系数, 取典型值–143.5 dB; T是换能器温度(℃); R是沿声波波束方向散射体与LADCP的距离, R=D/cosβ, 其中D是海面到探测水层的垂直距离, β是波束角度, 即换能器发射声波方向与ADCP中轴线的夹角, 本次所使用的LADCP波束角β为20°; LDBM=101gL, L是发射脉冲长度(单位m); PDBM=101gP, P是声波发射功率(单位W), 对于本文所采用的LADCP型号, P取2 400 W; α是海水散射体吸收系数, 取典型值0.069 dB/m; KC是转换系数(dB/计数), 范围是0.35~0.55, 典型值为0.45, 本文取值为0.45; E是LADCP观测的回波强度(计数); Er是接收器接受信号的最低阈值(计数), 取典型值40, 试验时LADCP的频率设置为1 Hz, 盲区为4.23 m, 层厚为2 m, 参考温度为10℃。
从公式(2)中可以看出, 后向散射强度与温度剖面和深度都存在关系, 而LADCP没有温度传感器, 是无法测量温度的, 并且其深度传感器精度比较低, 所以我们可以通过SVP的温度和深度数据对后向散射强度计算进行校准。
本次试验所采用的声速仪是加拿大AML公司生产的, 其声速测量范围1 375~1 625 m/s, 温度测量范围–2~32℃, 电导率测量范围0~70 mS/cm, 耐压达到6 000 dBar。
我们选取了实验区域4个点的温度剖面, 如图 1所示, 从图中可以看出2 000 m深度附近的温度与海表的温差20℃左右, 而我们设置的ADCP参数温度为固定值10℃, 存在偏差, 所以可以利用声速仪的温度数据对公式中的T进行修正。
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| 图 1 试验海域4个站点的温度剖面 Fig. 1 Temperature profiles of four stations in the experimental area |
利用声速剖面仪的深度数据, 与LADCP的深度数据进行对比, 如图 2所示。
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| 图 2 试验海域4个站点的SVP与LADCP深度对比 Fig. 2 The comparison between sound velocity profiler and lowered acoustic doppler current profilers for four stations in the experimental area |
从图 2可以看出, 两种仪器对深度的测量偏差还是比较大的, 并且随着深度的增加, 其偏差逐渐增大, 如图 3所示, 在2 000 m深度附近其差值接近90 m, 这种偏差程度对确定散射层的深度和厚度有所影响, 所以我们可以利用SVP得到的温度及深度数据对后向散射强度进行修正, 其修正后的结果与原后向散射强度剖面对比如图 4所示。
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| 图 3 SVP与LADCP深度差随下放深度的变化 Fig. 3 The variation of the depth difference between SVP and LADCP with lowering |
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| 图 4 修正前后后向散射强度剖面对比 Fig. 4 The comparison of profiles of backscattering intensity before and after correction |
图 4为4个站点的后向散射强度剖面, 其中实线表示未经过修正的后向散射强度剖面, 虚线表示经过温度以及SVP深度修正的后向散射强度剖面。图中可以看出, 整个剖面上, 是否经过修正, 对后向散射强度数值上的影响不大, 但经过修正之后, 深水区的散射层深度有略微的减小, 厚度差异不明显。图 5可以看出, 修正前后的后向散射强度差值在深散射层附近是最大的, 其他区域相对较小, 所以, 通过修正可以得到更为精确的深散射层强度垂向分布。
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| 图 5 修正前后后向散射强度差剖面 Fig. 5 The profiles of backscattering intensity difference before and after correction |
综上所述, 由LADCP回波强度计算得到的后向散射强度与温度和深度存在关系, 但是LADCP并没有温度传感器, 而且其深度传感器精度比较低, 我们利用一起下放的SVP温度和深度数据对后向散射强度进行修正, 经过修正之后发现第一个散射层基本没有变化, 第二个散射层其整体强度变化不大, 散射层的厚度基本不变, 但是其深度整体减小大约20 m, 通过修正后的后向散射强度深度分布图我们确定第一个散射层深度位于0~200 m, 第二个散射层位于500~700 m。
2 多波束数据反演深散射层本次试验所用的多波束测深仪型号是Kongsberg EM122, 走航连续观测。EM122是一款全海深、高分辨率、高覆盖率的海底测绘多波束测深仪。其声波发射频率是12 kHz, 测量深度为20~11 000 m。
EM系列的多波束系统所记录的文件类型是以ALL为后缀的数据文件, 其文件中数据包的主要类型有安装参数数据包、定位数据包、姿态传感器数据包、水深数据包、时间旅程与波束指向角数据包、声速剖面数据包、水底影像数据包、水体影像数据包等, 我们所利用的是水体影像数据包(Water column data)中的数据。
EM122型多波束测深仪每次激发288列波束, 其发射角度约–50°~50°, 由图 6[23]可知, 多波束测量过程中, 边缘波束位于波束扇面两侧, 入射角大, 所以边缘波束受船体姿态偏差和误差声速剖面影响较大且明显, 而船底垂直正下方的中央波束区附近由于受到镜面反射的影响, 多波束换能器接收到的多为反射信号, 所以我们不采用边缘波束和中央波束的回波声强数据, 我们将采用第50列波束的数据进行散射层反演, 其波束入射角度32°左右(由于受到船自身的摇摆, 所以其发射角度数据不稳定)。
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| 图 6 多波束发射/接收波束几何形状图 Fig. 6 The geometric orientation of beam transmitting and receiving |
整个传播距离可以通过以下公式求得:
| $R={{S}_{\text{10}}}D/2{{F}_{\text{100}}}=5SD/F$ | (3) |
式中, S10=10S, F100=F/100。R表示整个传播距离, S代表声速, F代表采样频率。
根据求得的传播距离R和数据包中的波束入射角度数据, 可以求得每一个波束发生散射时的深度, D=Rcosα, 其中D表示散射深度, α为波束入射角。
通过上述过程得到的深度D, 以及多波束数据包中的回波声强(EI)数据, 可以得到回波强度的时间-深度图(图 7)。
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| 图 7 多波束测深系统的散射强度时间-深度分布图 Fig. 7 Time-depth contour of scattering intensity measured by the multibeam sounding system |
由于其他试验需要, 多波束系统被关闭, 或者多波束数据完好率比较低, 剔除了几段时间的数据, 即图中白色部分。从图 7中可以看出, 在整个航线上都存在着两个声散射层。一个散射层位于深度200 m左右, 其散射强度具有强烈的日变化特征, 而另一个散射层位于深度600 m左右, 其强度日变化特征与上一个相反。
将每天同一时刻的散射强度数据进行平均, 然后将数据按照每10 min一组进行平均, 得到24 h的多波束散射强度时间变化规律图(图 8)。
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| 图 8 多波束测深系统观测的散射强度平均日变化 Fig. 8 The mean diurnal variation of the scattering intensity measured by the multibeam sounding system |
从图 8中可以更为明显地看到两个散射层的日变化特征, 并且可以清楚地看到两个散射层之间在6:00和18:00前后的垂直方向的强度变化规律。经分析可知, 变化规律主要是由于散射体的昼夜迁移现象所导致, 即有一部分散射体黎明时分向深海迁移, 傍晚时分向浅海迁移。通过生物拖网试验发现, 傍晚散射层的变化是由于深海鱼类以及一些虾类和头足类迁移到上层引起的, 而这些生物白天会迁移到下层, 深散射层也存在一些没有迁移习性的生物, 其生物构成种类也比较多[24], 西太平洋浮游动物种类丰富与多样, 其中栉水母类、磷虾类、浮游软体动物和被囊类比率比较大, 其生物个体尺寸差异比较大[25-26], 所以通过多波束和LADCP均能看到两个散射层以及散射层的迁移现象。
另外, 从图 8中可以发现, 发生迁移的散射体并不是全部移动到了600 m附近的深散射层, 其中有一部分只迁移到了600 m以浅的水深处, 还有一部分向更深处迁移, 最深的甚至达到800~1 000 m附近。
目前其原因有3种主要假说, 第一种光驱动假说, 其认为浮游动物有某种光感受机制, 通过垂直迁移运动保持他们生活在最合适的光强环境中; 第二种逃避捕食者假说, 其认为垂直迁移的行为是浮游动物的一种防御机制; 第三种能量和资源利用假说, 其认为垂直迁移是浮游动物针对不同的能量代谢因子或者资源被动做出的适应性反应[27]。
3 结论利用同时下放的声速剖面仪的温度和深度数据, 对由下放式声学多普勒流速剖面仪数据计算后向散射强度剖面进行了修正, 从而确定了西太平洋两个散射层的位置。
利用多波束测深系统的观测数据, 研究了西太平洋声散射层的垂向分布和日变化特征, 观测结果表明, 西太平洋存在两个散射层, 其深度与LADCP得到的散射层位置基本相同, 即第一个散射层位于0~200 m, 第二个散射层位于500~700 m。两个散射层具有明显的日变化, 白天上散射层弱, 深散射层强, 夜晚则相反, 这种变化规律与浮游动物的昼夜迁移现象相一致, 其变化主要发生在黎明时分和傍晚时分。
另外, 通过24 h散射强度分布图可以发现散射体迁移规律, 黎明时分, 发生迁移的散射体并不是全部移动到了600 m附近的深散射层, 其中有一部分只迁移到了600 m以浅的水深处, 还有一部分向更深处迁移, 最深的甚至达到800~1 000 m附近, 这导致深散射层的厚度增加, 同样, 傍晚时分, 散射体由深散射层向上散射层迁移, 深散射层的厚度减小。
利用多波束测深系统的水体影像反演散射层分布, 相对于传统的方法有一些优势:细节刻画更明显; 可测量深度更大; 有更多的辅助数据, 可以研究其相互作用, 比如海底数据等。但是也相对有一些缺点:数据量大, 处理速度慢; 不同型号的多波束测深仪所得到的数据格式不同, 所以没有相对通用的程序进行处理。建议相关实验过程中增加生物采样, 与海洋生物科学家联合进行相关研究。
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