浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用

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1、浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用杨仁辉（中交广州航道局有限公司广州510220）内容摘要：目前有多种障碍物的探测手段，包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。浅地层剖面法可以对浅地层埋藏障碍物进行探测，选择窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术（Chirp）的浅地层剖面仪，采取一些必要的方法和条件，可以取得比较满意的探测结果。关键词：障碍物；浅地层剖面仪；反射系数；分辨率；天然气管线；扫测；沉船1前言在石油天然气开采、管线铺设、航道开挖、码头、桥梁等海洋工程项目施工区域内，经常存在诸如

2、沉船、礁石、管线、残留物体等影响设计施工的障碍物。这些障碍物需要在设计施工前进行探测，摸清障碍物的类型和分布，采取有效的措施进行规避或清除。目前，有多种障碍物探测的手段，包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。每一种探测方法都存在优点和不足，单纯依靠一种方法无法对障碍物进行全面的探测，通常做法是根据区域特点综合多种手段实施作业的。但前述这些手段中大多数都是针对表层障碍物，只有浅地层剖面法可以开展浅地层内的障碍物探测。基于原理和目标的不同，浅地层剖面法对障碍物的探测有着相对特殊的应

3、用方法。2浅地层剖面仪原理浅地层剖面仪（以下简称浅剖仪）又称次海底剖面仪，它是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具，其工作原理与回声测深仪相同[1]。浅剖仪一般由收发机、换能器、电源等组成，换能器周期性向海底发射低频声波信号，声波遇到海底地层界面时产生反射信号，经收发机接收处理绘制成海底地层剖面图像。浅地层剖面法优点是在同一剖面上能快速不间断地进行扫描探测，对于有一定规模的障碍物的探测，无论其是否有掩护，探测效果都较好，一般常用浅地层剖面法探测障碍物以提供准确的平面位置及埋深[2]。图2-1浅剖仪工作示意

4、图2.1反射系数由于声波的海底反射能量大小由反射系数（R）决定，反射系数R为：R=ρ2v2-ρ1v1ρ2v2+ρ1v1[3]ρ1V1，ρ2V2分别表示一、二层介质的密度和声速,ρV称为声阻率，简单地说，海底相邻两层存在一定声阻率量差，就能在剖面仪显示器上反映两相邻的界面线，并能分别显示两层沉积物的性质图像特性差异。2.2分辨率浅剖仪的分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率指在纵向上能分辨岩层的最小厚度，横向分辨率指在横向上确定地质体（如断层点、尖灭点）位置和边界的精确程度[4]。垂直分辨率与反射脉冲宽

5、度相关：垂直分辨率=12Cτ式中：C：声速τ：脉冲宽度在特定区域内地层的声速是固定的，所以要获得高垂直分辨率就要使用窄的脉冲宽度，而脉冲宽度过窄会影响穿透深度。所以目前多数浅剖仪都采用匹配滤波技术（Chirp），既获得较窄的脉冲宽度保证垂直分辨率又能穿透较深的地层。水平分辨率取决于第一菲涅尔带的宽度。第一菲涅尔带对水平分辨率影响因素是这个带的半径大小，其半径R可由下式表示：R=12v（tf）12式中：t：到达反射体的时间（s）V：声源与反射体之间介质的平均速度（m/s）f:声波信号的频率（Hz）菲涅尔带是一

6、个圆弧带，中心距这个带的边缘是1/4λ，R小，剖面声图能反映探测反射界面的小隆起和凹陷形态；R大，剖面声图不能反映出所探测反射界面的小隆起和小凹陷地貌形态。3应用分析使用浅剖仪探测障碍物主要关注问题在于两点，一是对障碍物图像识别；二是对障碍物位置确定。根据浅剖仪的原理，障碍物的成像首先取决于障碍物与周围地层的声阻率，声阻率越大图像界限就越明显；其次取决于仪器分辨率，分辨率越好能识别的障碍物的尺寸越小。障碍物的位置确定主要取决于水平分辨率，由于定位仪器的精度是相对稳定的，所以水平分辨率越高定位半径越小，位置越

7、准确。所以在浅剖仪的选择上应偏重于窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术（Chirp）的仪器。比如TELEDYNE公司的ChirpⅢ浅地层剖面仪，采用匹配滤波技术（Chirp），有两种换能器选择，2-7kHz和10-20kHz，表3-1为计算得到的参数。图3-1ChirpⅢ浅地层剖面仪ChirpⅢ浅地层剖面仪计算参数表3-1另外在使用浅剖仪进行探测时还应该注意以下几点：⑴采用旁挂式安装，避免拖曳式安装带来的位置误差；⑵采用高平潮时段进行作业，保证天气状况良好，换能器远离发动机，船速保持在4节以下，避免作业船姿态和

8、混响影响；⑶在对特定障碍物探测时，应尽量横切障碍物。对作业区域扫测时，应垂直潮流方向作业；⑷判图时定位点应选择在绕射图像顶点位置。4案例分析4.1天燃气管线探测航道疏浚、码头施工等水运工程建设项目经常会遭遇管线路由这类障碍物，管线经常会横贯整个施工区域。油气管线、海底电缆等具有非常重要的社会经济价值，一旦破坏必然造成十分严重的经济损失和安全事故。所以设计施工前对管线路由的探测就显得很重要，其中部分管线是埋藏于海底