经验交流▏参量阵浅地层剖面测量技术在近岸海洋工程的应用
随着经济社会的不断发展，近年来人们的开发方向逐渐向海洋迈进。在进行海洋近海岸工程建设过程中，需要做好相应的探测勘查工作，了解和掌握海底沉积物结构与属性的不同特征。在探测手段中声学探测和设别应用非常普遍，尤其在海底沉积物结构和属性特点探测过程中发挥着巨大的作用。浅地层剖面作为一种先进的测量技术，在对海底沉积物探测过程中，通过声波反射以及不同沉积物的反射特性来实现连续探测海底沉积物的分层结构目的，该技术不仅分辨率非常高，且可以开展连续快速测量，因此，在海底沉积物测量中发挥着巨大的作用。
同时，探测海底沉积物的地质属性是该方面探测更有价值的工作。利用声波的时间特征对沉积物进行探测具有广泛的应用，但在声波频率与幅度方面则考虑较少，且沉积物属性与这些特征也存在非常紧密的联系。在海底沉积物声学分类识别中，我国多数学者有着较深的认识，分析对比了砂质地层与泥质地层不同的声学地质特征。浅层剖面在不同地质条件但仪器采集参数相同的情况下，存在不同的记录面，清晰细线的反射是泥质底质沉积区记录的主要面貌特征，分辨率非常的高，噪声在水体中较小，粗线条模糊反射是砂质底质沉积区的主要的记录面貌，噪声在水体中较大，高频声波会被砂质地层大量吸收。实际上浅剖应当转变探测浅海海底沉积物结构，继而转向沉积物地质属性与结构的直接探测，结构探测（高分辨率）为主的浅剖仪器设备应当转向，具有地质识别与结构探测能力较高的多波束参量阵地质声纳探测方向，继而使水声学地质探测设备功能更加的齐全和先进。
线性调频声纳在过去石英的声学探测中应用较为普遍，这种技术为一种主动声呐，具有宽频带的特点，线性调频信号是声脉冲发生的主要信号特点，对海底散射回波信号进行接收，同时将这些信号放大，通过转换之后在计算机中进行存储，信息量大以及宽频带和重复性较好的脉冲是线性调频声纳的主要特点。然而因线性调频工作机制的影响，其换能器却非常的大，给安装造成很大影响，同时其具有较大的波数开角，风浪会对其造成很大影响，降低了地层的分辨率。
为了有效降低线性调频声纳存在的缺陷，换能器通过参量阵进行制作。能够较好地对频率进行发射，且其穿透力非常的强，并且在体积上非常的小，重量也较轻，能够发射较小的波束角，分辨率也非常高。尤其是在现代科学技术的高速发展，仪器设备开发力度不断加强，在国外地质调查以及航道、港口等探测中参量阵( 非线性调频声纳) 技术得到了非常广泛的应用，而且相关仪器设备也快速研发出现了很多型号。我国在参量阵声纳技术的研究近年来也有了重大的突破，“堤防隐患监测声纳”在2002 年研制成功，换能器达到了波束角2°差频换能，波束为15个，100kHz的主频，共有7个挡的3～24kHz的差频。
一、参量阵声纳工作原理
水介质的非线性特性是声参量阵的工作原理的主要特性，差频与频波的获取是在远场中通过高频初始波（2个）随着同一方向进行传播的，其主频是高频声波信号（f1、f2）于高压下通过参量振声纳发射向水底的2个频率，因水的非线性效应，水介质中声波的传导产生差频波，而通过差频波的控制，通过将两个主频频率进行改变便可进行有小孔，水体影响换能器声波，在其发射之后便会出现f1、f2、（f1+f2）、（f1-f2），2f1、2f2 等二次频率的一系列声波信号，由于在频率上f1、f2 非常接近，因此在频率上差频（f1-f2）则很低，沉积层的穿透力则会更强，能够对海底浅部地层情况进行探测，水深测量便可通过主频反射的信号进行精确的测量，因居于较高的主频频率，换能器的体积较小。相较于主频声波信号差频声波的强度会变高，呈现较慢的衰减特点，当在1个衍射单位长度传播时，便会加大声强，之后在慢慢衰减，单位衍射长度和衍射长度的比值为Z/ZD。波束角在高频与差频声波信号中极为接近，不存在旁瓣，故具有非常好的波束指向性，分辨率也非常高，大量的沉积层信息通过可控差频声波信号来承载，更好的识别和分类沉积层。
参量振声纳换能器与线性浅地层剖面系统相比，能够将低频声波信号发射出来，同样是100kHz回波信号，参量阵声纳回波出现的斜坡较陡，在波束角上同样是100kHz 参量阵声纳相较于线性调频声纳要小很多。
与低信噪比的前提下更能很好的设别这些尖脉冲声波信号，将小的声阻抗变化反映出来，沉积信号能够被声波反射信号更多的承载。如海底与地层目标的识别上正弦脉冲信号（12kHz）能够实现5cm的分辨率。
二、参量阵声呐的主要特点
⒈使用方便性和高分辨率
将SES-96型参量阵浅地层剖面仪作为本次研究对象。该设备是由德国NNOMAR 公司生产，其换能器既可对震源发出同时也可对信号进行接收，换能器的体积很小，重量较轻，在船舷上利用其安装杆便可快速安装，能够很好的穿过各种障碍，在安装杆上能够直接的安装GPS 定位仪，测量点与定位点保持一致，不必进行校正。但是传统的CHIRP 技术，低频换能器（10kHz）体积相对较大，而且重量较重。中浅层剖面探测中SBP/AAE 浅地层剖面系统（英国产）具有较大的应用优势，在船后两侧的水听器与震源通过拖曳式施工；在浅部特别是地层在10m以下时，具有较低的分辨率，需要校正和估算测量点与定位点。而浅部地层中通过参量阵型浅地层剖面仪的应用，能够对发射频率进行调节，便可实现20An以内的分辨率，相较于GPS定位仪二者在定位精度上非常的类似，故该系统存在优越的施工性能，不仅定位精度高，而且分辨率也非常的高。
⒉在线信号处理技术
⑴发射频率。该技术主频为100kHz发射频率（2 个），低频通过二者之间的差便可获得，能够依照测量的目的不同对发射的脉宽和频率进行调整，能够实现50m的探测深度。通过频率的调节，可以实现更高的分辨率与探测深度。
⑵滤波处理。通过滤波门限能够设置低频和高频，高频与低频存在两种色标，依照回波信号动态范围，能够对滤波门限以及彩色编码参数进行设置，通过线性彩色编码来设置较小动态范围的回波信号。通过对数彩色编码来设置较大范围的回波信号，可有效探测弱的信号层。与滤波门限的相关设置参数进行配合，通过调整参数，实现显示与打印的作用。对数彩色编码通常用于深部地层的探测。
⑶信号叠加处理。信噪比在叠加平均滤波技术的应用下能够得到很好的改善，信噪比在降低噪声干扰的情况下，得到了倍提升。随着叠加次数不断增多，降低了分辨率，应当根据现场的实际情况对叠加参数进行选择。
⑷信号强度的差分处理。倘若在分辨率上海底目标以及地层有着较高的要求，需要通过差分算法来对信号进行处理。在该算法过程中不考虑回波振幅负的变化量，只重视其正的变化量。如此声波的反射层在处理结果中便更加的突出，促进系统分辨能力的提升。
三、应用效果分析
在某海工程项目中应用参量阵浅地层剖面仪（SES-96 型）进行探测，该系统在硬盘中存储大量的原始数据，浅层剖面图以及测深剖面图通过软件系统能够实施的进行显示，利用热敏打印机的彩色模式以及灰度模式输出声图记录。叠加与滤波和涌浪分层等通过ISE28处理软件来完成。
参量阵声纳测量在某码头3～5m近海岸区域的测量应用，充分掌握基岩在码头埋深和底层结构，将专控布置于浅地层测量交线上。在测量的前提下，显示岸边到海的方向，基岩顶面出现慢慢变低的情况，同时存在台阶分布特征，存在明显的沉积层理，达到4～10m厚的沉积覆盖层，槽沟发育于海底，都比较小。而且基岩顶面错断、岩性破碎特征在海底地层上比较明显。和该区地质资料断层位置的标注存在类似的特征。通过测区钻孔资料对沉积层进行定名。结合钻孔资料将区内的基岩埋深等值线图以及沉积层厚度图制作完成，为相关工程的设计与开展提供数据支撑。
参量阵（SES-96型）或浅地层剖面测量系统在探测浅层目标物以及水底管线中发挥着重要的作用，波阻抗差异明显存在与海底管线和起周边的土层之中，管线强反射特征在浅层剖面山得到记录。通过浅地层测量剖面对某海底管线进行了测量。水中目标物和管线达到了3m的水深深度，约为80cm的埋深，在30cm的直径，在测量过程中显示强反射特征，而在水中细长物体测量中不断放大和增强起信号，如通过浅层剖面测量5cm，水深深度在3m，相距1m海底高度时，更好于浅层剖面图上进行识别，更能清楚的辨别海底地层。水中缆绳在浅地层测量剖面图上得到了全面反映。能够清楚的辨别基岩顶面以及砂质沉积层故在探测水中物体以及海底障碍物中分辨率更高。
浅地层测量在海洋工程调查中发挥着巨大的作用，特别是近岸工程中应用更为广泛，浅地层剖面系统以及参量阵（SES-96型），不仅便于施工，而且具有非常高的分辨率，如通过浅地层剖面与参量阵（SES-96型）对宽约6km的某海域近海岸的低潮坪浅滩高潮期进行测量施工，达到了较好的效果，通过钻探资料进充分结合，有效的划分了测区的浅底层序，并开展了剖面解释。
四、结束语
⑴换能器在参量阵浅地层剖面系统中，不仅具有较小的体积，而且其重量较轻，方便安装，具有较小的波束角，同时具有较好的指向性，信号处理技术非常的独特，在泥质砂层与泥质层互层沉积层（小于50m探测深度）上的测量，其分辨率非常的高，海底测沉积层信息能够全面详细的反应出来。
⑵在3m以下的水深中，依然能将浅地层良好的剖面信息记录下来。探测海底管线与浅部地层中，参量阵浅地层剖面系统，不仅具有非常高的分辨率，而且数字化梳理数据的作用非常明显。
⑶原来的结构探测海底声学探测技术逐渐转向于地质识别与属性的探测，在浅海沉积物探测过程中，相较于线性调频声呐，参量阵声纳技术的应用优越性更加的明显，在海底分类设别研究逐渐深入的前提下，海底探测中参量阵声纳的应用将会有更加深入的发展。
【作者简介】本文作者/付作民 尚华超 位涛 岳云奎 俞磊，来自黄河口水文水资源勘测局、泺口水文站和济南勘测局；第一作者付作民，1971年出生，男，高级工程师，研究方向海洋测绘；文章来自《工程技术与应用》（2019年第12期），参考文献略，文章有删节，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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