侧扫声纳和浅地层剖面仪联合应用

侧扫声纳和浅地层剖面仪联合应用

周凯任立华程平

河北省电力勘测设计研究院河北石家庄050031

摘要：本文结合海洋风电工程实际应用，介绍了侧扫声纳和浅地层剖面仪两种重要的海洋勘测仪器的工作原理以及各项参数指标，展示了以上两种勘测传感器在海床石油管线探测中的联合应用，通过海洋风电工程选址及海底石油管线探测作业实践，分别详述了两种勘测传感器的实际作业过程以及作业方法。首先使用侧扫声纳系统对目标海域进行海底面状况扫测，通过海底面纹理对疑似石油管线进行定位，然后使用浅地层剖面对疑似石油管线进行探测，并对浅埋石油管线进行准确定位。

关键词：侧扫声纳；浅地层剖面仪；声纳图像；浅地层剖面图。

1前言及工程背景

侧扫声纳系统现已成为广泛应用的海底成像技术，侧扫声纳技术运用海床地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，从而直观地提供海底形态的声成像,在海底测绘、海底地质勘测、海底工程施工、海底障碍物和沉积物的探测，以及海底矿产勘测等方面得到广泛应用。浅地层剖面仪利用声波在水下地层的传播、反射，多种地层反射界面的特性和深度不同，甲板单元接收到的回波时间和强度也不同，回波信号经过放大和滤波等处理后，记录显现灰度不同的点组成线条图像，清晰地描绘出水下浅地层剖面结构，然后结合地质解释，可以探明水下地质构造情况。

本次近海风电项目场址位于渤海湾，水深约20m～25m，地势平缓，场址附近有多处石油钻井平台。场址勘测工作前搜资确认场址北侧有连接石油钻井平台的石油管线，但是仅有管线的概略坐标及走向。为准确确定浅埋石油管线的位置及走向，以判定其是否在风电场场址内或是否在安全施工距离外，本次投入侧扫声纳系统和浅地层剖面仪对浅埋石油管线进行搜寻及探测。

2侧扫和浅剖的工作原理

(1)侧扫声纳是基于回声探测原理进行水下目标探测的，运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态和目标，直观地提供海底声成像的一种设备。声纳拖鱼中的换能器发射基阵发射一定倾斜角度、发射频率的指向性脉冲超声波，换能器的接收基阵接收海底或海底目标反射或散射回波，处理单元通过声波增益、信号滤波和图像处理等技术，按照回波时间和回波信号强度进行记录，生成以不同灰度表示的声图。根据声图灰度的变化可判读海底地貌状况(海底地物的形状、高度、相对位置等)，甚至可以判读出海底底质。一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底回波较强；软的、平滑的、凹陷的海底回波较弱；被遮挡的海底不产生回波；距离越远回波越弱。

图1侧扫声纳回波示意图

(2)浅地层剖面系统应用全频脉冲处理技术使得到的图像比宽带有限的普通声产生的图像信噪比有极大的图稿。海底浅地层剖面仪工作方式与测深仪相似，工作频率较低，测深仪只能测量换能器到海底的水深，而浅地层剖面仪不仅能测量换能器到海底的水深，还能探测换能器垂直下方的海底一定的深度，反映海底地层分层情况和各地层底质的特征。浅地层剖面仪的换能器按照一定的时间间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声能反射回换能器，另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传输的声能逐渐损失，指导声波能量消失耗尽为止。测量地层厚度，实际是测量声波穿透地层传播的时间，如表示地层上下两个界面的时间，v表示该地层的声速，这样就可按下式算出该地层的厚度：

为入射脉冲振幅、为反射脉冲振幅而声速的大小与介质的密度有直接关系，所以介质间必须有大的密度产生大的声速差，如相邻两层有一定的密度和声速差，其两层的相邻界面就会有较强的声强，在剖面仪甲板单元上就会反映灰度较强的剖面界面线。

3投入仪器简介

本次使用的侧扫声纳系统为EdgeTech4300MP侧扫声纳系统，与常规的双频侧扫声纳系统相比，该侧扫声纳系统具有独特的技术优势，EdgeTech4300MP提供两种同步100/400kHz或300/600kHz，并且通过软件提供两种工作模式：高分辨率模式（HDM）、高速模式（HSM）。高分辨率模式为常用的同步双频模式（船速小于4节），通过加长陈列获得更高分辨率；高速模式可以在船速高达10节时多脉冲方式进行测量，可以大大提高作业效率，该功能在本次石油管线的位置确定中发挥了重要作用。

另外本次为准确确定石油位置及走向还投入了EdgeTech3200XS浅地层剖面仪，该仪器采用全频谱CHIRP（线性调频脉冲）技术，是一种高分辨率快带调频（FM）浅地层剖面仪系统，能获得清晰海底回波信号。EdgeTech3200XS、EdgeTech4300MP在作业的过程中可以同时接收GPS仪器输入的GGA、VTG数据，在采集实施过程中发现目标物后及时标定，然后输出目标物的坐标信息。

4工程实施过程

4.1侧扫声纳系统作业实施

作业以前，通过搜资确定场址北侧约500～2000米范围内有一条东西走向的石油管线。为准确确定石油管线距离场址边沿的距离，在场址北侧500～2000米带状（1500米）海域内东西向（平行于管线）布设4条侧扫航迹线，由北向南依次为航线1～航线4，测线间隔400米，为快速判定管线的大概位置，首先采用高速模式按照预订航线进行高航速扫测，现场通过判读声纳图像在第三条航线北侧发现疑似管线，在软件中直接对管线位置进行标定。在疑似管线的左右两侧各布设两条侧扫测线，测线间隔为200米，然后使用高分辨率模式对管线进行扫测。扫获的疑似管线附近的声纳图像如下：

图2侧扫管线声纳图像

然后对管线进行定标，由GPS输入的GGA数据生成管线坐标成果表。

4.2浅地层剖面仪作业实施

为探明管线的管径及埋深情况，使用EdgeTech3200XS浅地层剖面仪进行浅地层探测。首先根据侧扫标定的管线坐标信息，布置探测测线，探测测线布置方案：垂直于管线布置测线长200米，测线间隔200米。其中一条探测线在管线附近浅地层剖面图如下：

图3浅剖管线剖面示意图

分析探测的浅地层剖面图像可知，管线埋深0.5～0.8米，管径约0.5米。

5结束语

本文介绍了侧扫声纳系统和浅地层剖面仪两种海洋勘测仪器的工作原理及方法。笔者通过海洋工程实例，阐述本工程中侧扫声纳系统用于海底管线位置确定及浅地层剖面探明管线埋深管径两个作业，并详述了两个作业过程的具体实施方法。两种海洋勘测手段的结合能快速准确确定海底管线或其它地物的位置、埋深、大小等信息。

参考文献：

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