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一、引言
海洋地球物理以物理学的思维与方法研究占地球71%面积的海洋系统，是地球物理学的一个重要分支。其成果广泛应用于海洋地质、海洋物理、海洋生物和海洋化学等学科研究。虽然对现代海底的认识与了解是由许多学科不同类型的信息集成的结果，但地球物理声学方法是最主要的海底信息收集手段之一，其成果提供了海底不同物质类型的细节和其中的地质和生物成分。
水下文化遗产是一种不可再生的文化资源，联合国教科文组织将水下文化遗产定义为“至少年来，周期性的或连续的，部分或全部位于水下的具有文化、历史或考古价值的所有人类生存的遗迹”。而水下文化遗产包括遗址、建筑、房屋、人工制品、人类遗骸、船舶、飞行器、其他运输工具或其任何部分及其所载货物或内容物，以及相关具有考古价值的环境、自然环境和具有史前意义的物品等。
水下世界与空气隔绝，封存了绝大多数的海洋文化遗址，人类很早就开始了对水下文物的探索。19世纪随着盔式潜水装备的出现，人类对水下世界的探索加速；第二次世界大战后随着自携式呼吸器的发明及其相关应用，水下考古学科最终发展成为考古学的重要组成部分。水下光学条件极差，低温、水体混浊、氮气麻醉等问题严重影响着水下考古潜水调查者的正常工作，无确定目标前提下的潜水调查往往是大海捞针。这种作业方式既不利于提高水下文物资源调查的效率，也不利于水下文物的预防性保护。这些状况促使水下考古工作要借助于现代科学装备进行探测。由于声波在海水中的传播优于可见光和电磁波，因此声学探测技术一直是进行海底探测研究的排头兵。
相对于地质历史时期的漫长演化，水下文物遗址的存在时间相对较短，主要位于海表或者海底浅部沉积层，而针对海底浅表层探测发展而来的地球物理声学探测技术主要包括多波束声呐测深技术、侧扫声呐测图技术和海底浅地层剖面测量技术，这些技术也成为了探测海底文物遗存最主要的声学探测手段。目前的多波束声呐、侧扫声呐和海底浅地层剖面仪是最近数十年快速发展并应用于探测海底浅部结构信息的主要声学设备，相关技术已经广泛应用于海洋工程和海洋开发、海底资源勘查、海底科学研究和海洋军事活动等方面。
早在20世纪60年代，美国探险家菲希尔曾根据有关文字资料寻找公元年沉没在佛罗里达海峡马尔坎伯斯群岛海域的西班牙货船“阿托卡”号，经过4年的搜索而一无所获。后来，尝试运用遥感、海洋磁力和侧扫声呐等手段才发现该船，其位置与文字资料记叙点相差km。我国在年“南海Ⅰ号”沉船的考古探查中也应用了侧扫声呐进行调查，但该船的发现存在一定的偶然性，是在寻找附近的荷兰沉船时发现的。浅地层剖面探测应用较成功的是年辽宁绥中县三道岗海域的元代沉船探查，应用浅地层剖面调查可以揭示沉船盖层厚度，为后续的水下发掘工作奠定基础。可见海洋地球物理声学勘探技术早在20世纪90年代我国最初的水下考古探测工作中已崭露头角。浅层声学方法应用于海洋考古学的主要优点是快速、无损，能够以非常高的分辨率快速测量海底的大片区域。虽然海底声学调查不会完全取代潜水调查，但它们提供环境数据的速率远远超过经验丰富的潜水队。
考古实验控制研究最早起源于陆地考古学，通过建立可控式的人工考古试验场，模拟遗址的内部结构，用于检测考古探测设备测量结果与被测物体的定量关系，以推动考古装备研发和探测技术的提高。较为典型的例子是20世纪70年代建于美国华盛顿州和伊利诺伊州的可控式人工考古试验场。我国在21世纪初也建立了类似的陆地实验场，主要是为了评估不同物探设备在考古探测中的应用效果。
与陆上考古相比，水下文物遗址的声学反射信号更为微弱，受到人为和自然环境的干扰更为剧烈，在我国近海受到海洋经济发展和人类活动的影响更为普遍和明显。因此，在水下遗址探测中如何从背景噪音进行有效信号和干扰信号的辨别，并对所含弱信号进行识别和提取，将是水下文物探测所面临的关键问题。
虽然我国已经有许多成功应用海洋地球物理声学方法探测水下文物考古遗址的例子，如南海Ⅰ号和南澳一号等，但随着盗捞与渔民提供有效线索的日益减少，以及水下文物工作从“被动发掘”到“主动寻找”理念的转变，通过水下文物的实验控制从而了解不同调查设备的实际探测效果以及不同材质的声学响应特征，将为海洋声学探测技术在水下文物遗址探寻中的应用提供科学参考和比对范例。
二、典型浅层声学设备水下考古实验
控制研究进展
水下文化遗产以沉船最为常见，数量也最多。以沉船为主的水下文物主要又分为全出露、全埋藏或者半浅埋等不同状态。其中，侧扫声呐和多波束声呐设备对于海底全出露或者部分出露的沉船探测发挥着主要作用，而浅地层剖面仪对于浅埋藏或者部分埋藏的水下文物探测发现则有着重要作用。与陆上考古控制实验类似，基于水下文物的控制实验是将一些已知的类水下文物物体（如磁罐和木板）以及人工物体（埕块和轮胎）放置于海底，通过各种类型的声学设备进行测量，从而获取不同声学设备对已知规模与大小物体的探测效果，以便建立各种声学影像，实现正演与反演的联合研究。
声呐以声脉冲的形式向水中发射能量。当脉冲波前以球面形式向外扩散时，声脉冲的强度随着与声源的距离增加而降低。当声脉冲在水体和沉积物中传播时，一方面随着距离增加，单位面积的能量扩散增大；另一方面由于摩擦效应存在，一些声波能量被介质吸收。使得返回声呐的能量也相对减少。一般而言，声脉冲的频率越高，能量吸收率越高。
已有一些针对海洋考古遗址声学特征的研究发表，由于海洋环境的复杂性，以及地球物理声学方法本身具有的多解性，使得辨别海洋中各种各样的水下文物遗址的声学特征非常困难。而目前量化海洋声学考古数据的方法是通过潜水员、拖曳视频或遥控水下机器人（ROV）调查来确定海底面的异常目标，这种视频探测往往花费巨大。就我国沿海而言，由于水体较为浑浊，水下的光学比对更多地依赖于潜水员的工作。一方面潜水员十分有限的水下工作时间造成了众多的声学可疑点与有限的水下验证之间的矛盾；另一方面，从水下文物预防性保护的角度看，也亟需可靠的地球物理作业方法以支持抽样式潜水确认，以便有效、快速支撑划定保护区等水下文物管理决策。
随着国家、地区对海洋文化的日益重视，以及海洋开发日益增加对水下文物保护的负向反馈，针对水下文物遗址探测的声学调查研究正在逐渐增多，对这些数据进行快速和准确的目标识别显得至关重要，进行相应的水下文物可控实验研究则能增进对不同水下文物的声学特征认识与了解。
⒈侧扫声呐
侧扫声呐是进行海底地貌探测的一种基本设备，20世纪60年代初，侧扫声呐作为一种区域尺度的地质填图工具，在空间覆盖和数据分辨率方面彻底改变了以往的海底填图作业模式。侧扫声呐具有分辨率高、能够得到连续直观二维海底图像的优点，使其能迅速而广泛地应用在海洋地质地貌调查、水下目标检测、工程勘察等方面。在水下文物探测中，侧扫声呐是不可或缺的工具之一，在海洋考古调查中占有重要地位。
侧扫声呐通过换能器往拖鱼两侧发射声脉冲，声脉冲以一定角度向海底倾斜入射。由于海底（以及位于其上的物体）包含固有的粗糙度，入射声脉冲的一部分被介质散射，部分散射波沿入射波方向返回到侧扫声呐，被称之为“后向散射”。后向散射信号的强度是海底粗糙度和入射角的直接函数，底部越粗糙，反射能量越强。然而，粗糙度是一个相对量，其值取决于声脉冲的频率（固有波长）。侧扫声呐正是依靠后向散射的能量变化，产生了海底声图影像。
在20世纪末至21世纪初期，大多数海洋考古侧扫声呐调查发表的图像成果大都是长度超过5m的遗址或遗迹。许多发表出来的图像都是直立的船体或完整的飞机，解译者很容易识别和解释这些图像。这些图像中的细节通常包括整个物体上相对较小的部分，如飞机螺旋桨的叶片。然而，需要注意的是，由于这些部分的位置相对于其他可识别成分的位置更加固定，因此它们通常很容易被辨别和解释。而在水下文物遗址调查中孤立的小物体，由于缺乏周边物质的参考，更难识别。
尽管在海洋考古遗址调查中的一些成功案例已经探讨了大量水下遗址的地球物理声学特征，但对其普适性的特征分析仍然知之甚少，这常常导致对考古调查中地球物理声学数据的错误判读。在近岸水域，对侧扫声呐数据的误读往往是由于在海底存在相对现代的人工物体和海洋残骸干扰，而海洋考古—地球物理联合调查的成功与否在很大程度上取决于测量员和解释员的经验。
大多数声学仪器的制造商往往强调声学系统的分辨率主要取决于所用声学设备的频率。也就是说，仪器频率越高，数据的分辨率就越高。而这种看法在侧扫声呐中存在一定的误区。实际分辨率与海上工作环境、作业方式和系统设置等密切相关，一般调查时需选择海况较好的时间进行调查，同时在正式作业前调试系统参数、调整作业方式，以使调查效果达到最佳。就硬件而言，声学仪器和结果数据的分辨率也不仅仅取决于频率，而与脉冲长度、波束角、脉冲速率、拖曳速度、采样频率和显示机制等因素密切相关。如侧扫声呐就有与其扫宽方向相关的横向分辨率，也有与发射脉冲等相关的航向分辨率（图1）。
图1侧扫声呐沿航向与垂直航向分辨率示意图
横向分辨率指平行于航迹线可分辨的两个物体之间的最小距离，即它们在侧扫声呐上能显示为独立物体的最小距离。这相当于水平波束角（随距离增加）与海底上任何点的交点。
Δtr＝Rsinθ，⑴
式中：Δtr代表横向分辨率，θ是水平波束角，R是距目标物的范围。随着探测目标与声呐拖鱼探头距离的增加，最小可分辨距离也增加，即分辨率降低。
航向分辨率（距离分辨率）是垂直于拖鱼行进方向可分辨的两个相互独立物体之间的最小距离。
Δrr＝Vpwτe/2×(1/cosβ)，⑵
式中：Δrr代表航向分辨率；τe是有效脉冲长度；Vpw是水柱中声脉冲传播的压缩波速度；β为掠射角，在平坦海底常被简化为0或某一常数。可以看出在同一片海域，Vpw基本相当，而声呐的脉冲长度是最重要的参数之一，决定着分辨率的理论极限，当然最终的分辨率也与显示系统密切相关。
为了验证侧扫声呐分辨率理论计算与实际效果的差异，年7～8月，北爱尔兰大学的科学家在贝尔法斯特湾进行了一项关于侧扫声呐的可控声学实验。实验中应用了3套不同频率的侧扫声呐设备（表1），通过对海底有计划地投放有机、无机和人造材料，如陶器、玻璃、橡胶轮胎和铝管等不同规格和尺寸的物体，用于了解不同分辨率侧扫声呐对海底目标物的识别。实验中使用的侧扫声呐声学特性如表1所列。
表1控制实验中使用的侧扫声呐系统参数
理论计算给出的范围和分辨率关系表明（图2），影响侧扫声呐分辨率的主要因素是设备电声性能，如脉冲长度和发射脉冲的波束角，而不是实际工作频率。实际实验中，通过对3种商用侧扫声呐系统调节扫测宽度与拖鱼高度进行重复测量以了解不同侧扫声呐分辨率特征。
图2不同侧扫声呐系统的横向分辨率（tr，公式1）和距离分辨率（rr，公式2）对比图
结果表明，与理论计算一致，脉冲长度和声源波束角的声学特性决定了侧扫声呐的最高分辨率，虽然侧扫声呐系统3的频率最高，但是实际的调查结果显示系统1的横向分辨率和航向分辨率最高，系统3的横向分辨率最低，系统1和系统2的横向分辨率相当（图3）。
（a）系统1显示的侧扫声呐影像；（b）系统2显示的侧扫声呐影像；（c）系统3显示的侧扫声呐影像（同一测试地点）
图3侧扫声呐影像对比图
～年，英国古迹署委托圣安德鲁斯大学承担了快速考古遗址调查评估的创新方法（RASSE）项目。该项目的主要目的是测试和发展快速、定量的地球物理声学技术，以加强对敏感目标聚集区域的海洋考古遗址调查，从而迅速和及时地勘测水下考古遗址。通过人工投掷星形钢管、铝板、自行车、潜水员头盔、木箱、陶罐等物体于普利茅斯海域，并对这些物体进行多波束和侧扫声呐等探测比对，结果认为在设备参数恒定的情况下，测量船舶的航速对成像质量有着较大的影响。
虽然以上实验比较了大量不同类型物体在侧扫声呐上的声学响应特征，但是应该注意的是，从其图像上并不能很好地分辨单个物体，也就是说，如果没有预先了解目标物体，很难对这些物体进行有效辨别。记录数据的分辨率取决于侧扫声呐本身和获取数据的条件。当侧扫声呐图像受各种环境因素影响在声图强度、目标尺度和图像旋转等方面多变时，解译工作也变得更加困难。此时，不同类型的水下文物遗址检测和分类对人工处理构成了巨大的挑战。
⒉多波束测量
多波束测深系统通常安装在船体或ROV上，多波束测深是单波束测深的直接发展，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，并确保了数据的高密度、高分辨率覆盖。其中每个窄波束产生的数据分辨率与单波束相当。
多波束测深系统可以分为多波束回声测深仪和相干声呐（也称为测深侧扫声呐）两种类型。传统的多波束回声测深仪能同时获取海底上每个点的深度和后向散射数据。高精度的水深数据可以用来导出显示三维地形，但后向散射数据的精度较低。通过后向散射强度结合直接（抓取和岩心）或间接（视频和静止摄影）方法进行海底验证，可用于区分海底底质，这种技术被称为声学海底底质分类技术，目前尚处于发展阶段。而相干声呐系统能提供水深数据和真正的侧扫数据。但相干声呐条带中心的噪音非常大，导致仪器正下方测深数据质量较差，需要进行额外的校正。此外，相干声呐条带边缘波束的数据误差也较大，与传统的多波束尚存在一定的差距。
在海底沉船遗址探测中，海洋地球物理声学调查传统上被用于探测发现可疑目标并对目标进行现场定位。多波束在海底文物遗址中的研究主要通过物体的高度特征变化进行识别。而水下遗址（尤其沉船遗址）受海洋沉积动力影响，器物大都散布于海底或者处于半出露状态，有的沉船仅剩下部分隔舱板，具有完整船体的出露水下遗址较少，而沉船残骸出露海底的高度一般不高。因此，在早期的水下文物可控实验中很少单独使用多波束进行水下文物遗址调查研究。随着多波束应用场景的增多，逐渐发展出将多波束探测技术应用于沉船遗址场地重建和场地形成的研究中，使得其在沉船遗址的定量化研究方面取得很大进展。
关于多波束场地重建的一个成功例子是关于阿克洛海岸沉船的研究。该沉船遗址位于爱尔兰东海岸约11km（图4）。在年的一次海上风电场勘探中，通过侧扫声呐测量发现了该沉船。随后于年8月12日和23日对沉船遗址进行了多波束的重复调查工作（图5）。
图4阿克洛海岸沉船遗址位置图
（a）来自阿克洛海岸沉船地点的侧扫声呐数据，显示船只以及相关的冲刷和隆起特征；
（b）多波束得到的沉船地点DEM影像
图5阿克洛海岸沉船的声学影像图
沉船伫立于海床上2m，沉船残骸沿海洋潮流方向约60°排列。船的东端受冲刷影响，最大记录深度达16.3m，低于平均底床约3m。两个潮流脊一个位于船中部，另一个位于沉船的西端，平行于主潮流方向。对多波束重复调查的结果进行潮汐校正，并生成相应的空间网格（0.05m空间分辨率）。两次调查的结果相减可生成淤积—侵蚀图，以显示11天时间沉船遗址周边的海床面侵蚀变化情况（图6）。
图6阿克洛海岸沉船时移变化图
沉船遗址具有波痕迁移的明显特征，表明活动的底床参与了沉船遗址周边地貌的改造。在图6中，最显著的特征是一系列平行于潮流的侵蚀槽和在沉船东北缘形成的加积脊。加积脊的波高超过4m，表明在11天内，与主潮流方向平行的船中部积聚了至少4m的泥沙。如果假设沉积速率恒定，等于每天约有0.36m的沉积。多波束的重复调查结果突显了沉船地点在极端天气状态下的动态变化特征，大面积的底床沉积物在短时间内迅速迁移变化。这一结果对许多沉船遗址场地形成模型的有效性提出了质疑，这些“过程”通常经过几百年甚至上千年时间而达到平衡，而如何确定这些过程的变化结果是缓慢积累还是突发变化，值得进一步研究。
⒊浅地层剖面的控制测量研究
许多水下考古遗址位于高沉积速率区，导致水下考古遗址部分或全部掩埋于沉积物中是水下考古常见的现象；另一方面，随着人类海洋开发活动的增强，出露于海底容易辨识的水下文物目标日益减少，在浅水海域尤盛。当非金属人工构筑物、遗址和景观被掩埋时，适合探测它们的主要技术是海底地震技术。由于水下文物埋存时间较短（一般数百年至上千年），沉积相对较浅，对大部分水下文物遗址而言，适用于浅部海底以下的探测技术是浅地层剖面探测技术。
浅地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构探测方法，根据震源的能量和激发方式不同，可以分为线性和非线性2种。线性浅地层剖面探测技术又可分为两种主要类型设备：以单频脉冲（主频）为主（如Pinger，Boomer和Sparker）的浅地层剖面仪和线性调频（宽带）（如Chirp信号）的浅地层剖面仪。
声波随传播距离增加，其扩散范围也越大，从而导致其分辨率降低。Pinger类型的浅地层剖面仪输出主频为一定频率的短脉冲（如3.5kHz），其垂直分辨率为0.3～0.5m，穿透地层能力为20～25m。
Boomer类型的浅地层剖面仪输出脉冲频率（1～6kHz）和能量可根据调查的要求进行调整，该类浅剖系统的穿透深度是50～m，垂直分辨率可达30cm～1.0m。Chirp类型的浅地层剖面仪带宽通常为5～15kHz，在穿透深度30m以内可获得优于30cm的垂直分辨率。而Sparker类型的浅地层剖面仪频率一般为Hz～1kHz，穿透可达50m以上，垂直分辨率一般大于1m。一些浅剖设备（如Pinger和Chirp）属于自激自收方式，即脉冲发射和返回波束的接收在单个换能器组中进行。而另一些则具有独立震源和水听器（如Sparker和Boomer系统），在水深稍大的深度（≥10m），为了减少能量衰减和优化系统的分辨率，“鱼”（换能器单元）与水听器需要进行“深拖”，以使鱼更接近海底（通常在海底以上5～10m），从而获得理想的记录。
浅地层剖面存在“穿透与分辨率”折衷的矛盾，即震源发射频率越高，垂直分辨率也越高，但能穿透的沉积物距离较短；而低频信号能穿透较远，但垂直分辨率较低。20世纪90年代初，线性调频（Chrip）技术的发展一定程度上解决了传统的穿透与垂直分辨率之间的平衡问题，通过发射扫频脉冲，能够穿透10余米的地层，同时仍然保留分米的分辨率。然而，需要注意的是，浅地层剖面系统的垂直分辨率有效性在很大程度上取决于地层的地质特征，较粗的沉积物（沙和砾石）比细颗粒沉积物（淤泥和黏土）更难穿透，其探测效果也更差。由丹麦国家博物馆海洋考古中心实施的“大规模测绘和鉴别海底沉积物中考古学异常的调查优先策略”项目是基于浅地层剖面的水下考古控制实验之一。由于丹麦水下文化遗产位于浅水沉积区，水下文物大部分遗址都被掩埋，因此进行相应的浅地层剖面调查必不可少。～年，通过对已知埋藏沉船声学分类拓展到后续的区域浅地层识别，进行了有效的浅地层剖面声学辨别探索。
相对于常规地质调查对浅部地层结构的研究而言，针对埋藏于沉积物中的水下文物探测工作迥然不同。后者需要通过调节增益和截止频率来调整浅地层剖面的显示效果，这往往以牺牲地质地层最佳记录特征为代价。在浅地层剖面上，有时候出现于地层中的异常干扰往往是水下文物遗址探测的重要信息来源。如浅地层剖面上出现的一些尖刺特征，在常规的浅地层剖面调查中，这些“尖刺”往往被认为是设备发出的电噪声或者一些其他干扰，而在丹麦的水下文物控制实验中这些尖刺往往代表了仅有桅杆部分出露于海底的沉船残骸特征。随后对这些“尖刺”位置的潜水证实，它们确实代表沉船桅杆残骸，直径只有8～10cm（图7）。
图7桅杆在浅地层剖面上的影像
研究结果揭示浅地层剖面调查测线之间的距离取决于所测目标特征的大小。港口结构和较大的沉船通常可将测线间距设置为10～15m，在这些测线之间需要间距为几米的大量辅助剖面。中石器时代的定居点和5～10m的小沉船残骸则需要更小的探测距离。进行浅地层剖面探测时需要控制船速，以大约1m/s的速度（3knot）进行调查可获得最佳水平分辨率。
与基于线性原理的浅地层剖面仪相比，基于非线性调频（如差频）的参量阵浅地层剖面仪具有窄波束、高指向性、无旁瓣等优点。当物体位于海底附近或地层与海水交界的边界层附近时，微小物体可能被噪声水平遮挡，而参量阵浅剖能反映出较小的声阻抗变化，相比于宽波束而言具有较低的混响水平，同时，窄波束具有更好的横向分辨率，从而使得近海底目标物体更易识别。
三、结论与展望
海洋声学测量方法在识别水下文物乃至绘制水下文物的分布图等方面起着重要作用。利用侧扫声呐和多波束技术可以绘制出露于海底的水下遗址等要素分布，而对部分或全部嵌入海底沉积物中的考古遗址和沉船探测则依赖于高分辨率浅地层剖面仪调查。
基于海洋声学技术测量水下遗址的成功案例在很大程度上取决于测量员和解译员的经验。随着数字采集、信号处理和高级可视化的进一步发展，对水下考古数据的采集、处理和可视化方面的研究将会一直持续发展。对水下考古学而言，声呐技术每一个新的发展阶段都增加了传感器的分辨能力，因此也就增加了对越来越小的水下遗址进行更细致成像的能力。现代海底声学探测技术领域本身也有了极大的发展，这些现代海底声学探测技术在水下文物、遗址勘探以及发掘保护领域将会有更密集应用。然而，就目前而言，这些探测技术的应用尚显零散，缺乏系统性，对这些探测技术能力、效果、精度和准确度的系统评价有待完善。加之资金和观念上的限制，尚未形成现代探测技术在水下考古研究中的系统应用，这种状况阻碍了水下考古领域现代科学技术的进一步发展，因此，有必要在我国开展类似的水下文物探测控制实验研究。
随着海洋物探技术的不断发展，新的技术将使考古学家们能够以全新的、有启发性的方式来审视过去。在此过程中，考古遗址的发现、发掘也给科学家、工程师带来了新的有趣的待解决问题，并导致理念的不断更新。这一双向反馈过程也必将推动水下考古学科不断前进与发展。
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文/胡毅丁见祥房旭东王立明刘伯然李海东，来自自然资源部第三海洋研究所和国家文物局水下文化遗产保护中心。第一作者胡毅，年出生，男，湖南湘乡人，教授级高级工程师，主要从事海洋地质与地球物理研究。本文为基金项目，国家文物局项目“水下考古区域调查与物探技术方法研究”（编号：）和海洋公益性行业科研专项“水下文物探测、保护技术体系研究与示范”（编号：）。文章来自《地球科学进展》（年第10期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”
