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海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应用

2024-05-10 来源:小侦探旅游网
2011年6月 物 探 装 备 第21卷第3期 海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应用 王 艳 (广东省电力设计研究院,广东广州510663) 摘 要 王艳.海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应用.物探装备,2011,21(3):145~149 浅地层剖面仪以其高效和经济性成为了海底地质情况和海缆路由的有力勘查手段。本文在介绍浅地层剖面 仪工作原理及其技术发展历程的基础上,以实例展现了浅地层剖面仪的应用效果;通过调研阐述了国内外浅地层 剖面仪的发展现状,着重论述了国外各大厂家的商品化Chirp和SES型浅地层剖面仪及其关键技术指标,对浅地 层剖面仪在海缆探测中存在的问题进行了分析和讨论。 关键词 浅地层剖面仪 海缆路由探测 Chirp技术 SES技术 ABSTRACT Wang Yan.Application and current situation of Sub-bottom Profiler in Marine Power Cable Route Detection.EGP, 2011,21(3):145~149 The sub—。bottom profiler has been proved tO be an effective prospecting means for sub—-bottom geologic situation and marine cable route owing tO its high efficiency and economic.In this paper,firstly the principle and technique development of sub—bottom profiler have been introduced,and then the paper demonstrate its application effect.At last,the state—of—the—art of the system has been shown by large of investigation and survey,in which the Chirp and SES type systems aboard and their key specifications are mainly stressed. Key words sub—bottom profiler,marine cable route prospecting,Chirp type,SES type 进行海缆路由调查,确定海缆的埋深和位置,以便于 0 引言 随着沿海及岛屿经济的发展,沿海的供电质量 和供电紧张的问题也提上了日程,为此人们寻找到 海缆的维护和检修。 浅地层剖面仪采用声波反射的方式进行走航测 量形成一连续断面,对海底差异较大的地层、与围岩 差别大的管线和电缆反映明显。正是由于浅地层剖 了一种更经济、更可靠的方法,即通过海底电缆(简 称海缆)来缓解供电紧张的局面、降低电网运行成 本,达到电力互送、调剂余缺,最终实现海陆统一电 网供电的目的。 面仪的这种高效性和经济性得到了人们的青睐,使 其逐渐成为了海洋地质工程和海缆探测的有力勘查 手段。 浅地层剖面仪的应用领域包括:工程勘察、地质 调查、危险品调查、环境现场调查、沉积物分类、海洋 工程、海洋地质勘查、海矿开采及疏浚测量、桥梁工 海缆的维护是电网顺利运行的关键,国内外的 实践充分证明,将海缆埋设于海床是保护海缆安全 最经济、最有效的方法(常见的海缆埋深为1 ̄2rn)。 程及海岸线冲蚀调查、海底管线调查等。 在海洋工程和海洋地质勘查中可以提供覆盖层 的厚度、基岩埋深、断裂构造的分布;查明海底障碍 为了保障海缆埋设的顺利施工和后期的安全运行, 对海底地质情况进行调查、摸清海缆埋设层的情况 是首要且必需的环节。在海缆埋设完毕后,还要再 物的分布情况(沉船、铁锚、抛石等);了解海域灾害 *王艳,女,1980年出生,在读博士。2005年毕业于吉林大学检测技术及自动化装置专业(硕士),曾发表文章十余篇;主要研究方向 地球物理仪器及工程应用。 l46 物 探 装 备 地质情况(浅层气、滑坡等)等,从而为海底海缆铺设 提供技术支持。 浅地层剖面仪的工作原理 浅地层剖面仪是按照回声测深原理设计的。声 波的速度与介质的密度和压强等因素有关,因此声 波在不同的介质中传播时其传播速度不同。海底有 很多分界面,假设分界面内岩层的密度和声波的传 播速度分别为J0 和 ,垂直入射时,声波在不同界 面上会发生反射和透射,每个层的反射声波均会被 接收,地层的反射系数R为: R:丝 二 (1) p 2 2 p1 1 式中,p 、fD 分别为上、下层岩层的密度; 、 分别 为声波在上、下层介质中的传播速度。 地层的反射强度与其反射系数尺有关,R越 大,反射强度越大,则反射信号也越强,反之越弱。 接收到的反射信号中携带了海底介质中大量有用的 地质信息,通过连续拖曳观测、记录、分析等处理,最 后输出的成果图可以直观地识别地层、地质构造,并 了解沉积物的地质属性。 浅地层剖面仪由声发射基阵、声接收基阵、发射 机、接收机、记录器等组成,野外具体的工作装置如 图1所示。 发射单元控制处理单元 图1 浅地层剖面仪野外工作不意图 在实际 作时,浅地层剖面仪采用拖曳走航式 的1二作方式,由发射机在工作人员的设置下从声发 射基阵发射声信号,在海底反射之后被声接收基阵 接收,并传回接收机进行滤波、放大等预处理,最后 由记录器把不同时间对应的不同深度地层的点记录 下来,在走航结束时把这些点连接起来形成一条条 反映海底及地层界面的线。从这种直观而连续的水 底地层剖面上进行分层和灰度辨识,即可作 地质 情况分析。 2 浅地层剖面仪的发展 至今为止,浅地层剖面仪的发展经历了一个技 术阶段:连续波(CW)技术、线性调频技术(Chirp)和 非线性调频技术(即参量阵差频SES技术)。 采用CW技术的浅地层剖面仪,如想获得高分 辨率就必须使用窄的发射脉冲,这样就降低了发射 能量,也就降低了探测深度;而想获得较大的探测深 度,就必须增大发射脉冲宽度以增加发射能量,这样 又降低了分辨能力。因此,CW技术存在大穿透深 度和高分辨率的技术矛盾。 Chirp技术的出现完全克服了CW技术的局 限,它发射一个线性扫频调制的宽带脉冲,该脉冲由 于带宽很宽,因此能量大、穿透深;另外,由于Chirp 技术的系统分辨率是由带宽决定而不是由脉冲宽度 决定的,加之系统采用匹配滤波的方法来进行信号 处理,因此能获得很高的分辨率。简而言之,Chirp 技术克服了发射脉宽和分辨率、分辨率和穿透深度之 间的矛盾,使基于Chirp技术的浅地层剖面仪的穿透 深度大、分辨率高。但由于受线性调频声纳工作机制 的限制,为了产生具有足够穿透力的低频,它的换能 器必须做得体积大而且非常重,因此安装很不方便。 此外,其发射的波束角较大,对地层的分辨率尤其是 横向分辨率也较差。 基于线性调频技术的缺点,人们义提出_r SES 技术(非线性调频技术),即换能器发射主频 (100kHz)附近的两组频率采用稍微不同的高频声 波,由于在高声压下声波的传播具有非线性性,这两 组声波相互作用,产生了一种新的、频率很低的声波 (称为次频),而且仍然保持高频时的束角不变。利 用这种原理,因而基于SES技术的浅地层剖面仪具 有很强的穿透性、很高的分辨率和很小的发射波束 角,可以探测海底浅部地层的详细情况,而且换能器 体积小、重量轻。 Chirp技术的优点是在较高分辨率的前提下能 量大、穿透深;而SES技术虽然穿透深度相对浅些, 但纵向和横向分辨率高、体积小、重量轻、安装方便。 因此这两种声源方式的浅地层剖面仪各有优势,选 择时应根据用户的需求来选用。 第21卷第3期 王艳:海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应用 l47 3当前的浅地层剖面仪 3.1基于Chirp技术的浅剖仪 (1)基于Chirp技术研制的浅地层剖面仪以2D 为主,目前国际上先进的2D、3D典型浅地层剖面 仪有: 1)美国EdgeTech公司的3100P/3200XS型浅 地层剖面仪。它们由便携式甲板处理器、电脑、拖鱼 及拖缆组成,配备Discover数据采集控制软件。这 两款浅剖仪探测的最大工作水深都在300m;拖鱼可 选SB216S、SB一424或SB一512i,拖鱼频带宽度多 段可选;垂直分辨率6~20cm(与频带宽度有关,如 SB216S拖鱼2~15kHz,分辨率6cm);波束宽度16。 ~32。;穿透深度:粘土80~200m,砂质石灰岩6~ 20m。特别说明:SB一512i拖鱼重量190kg。 2)美国SyQwest公司的Bathy2010系列和 StrataBoxTM型浅地层剖面仪。Bathy2010系列是兼 容单波束测深和地层剖面成图的深水设备,地层穿 透深度200 ̄250m(视底层情况);4~6cm分辨率; 频率输出3.5~200kHz;StrataBoxTM是一款适用于 浅水工作的便携式浅地层剖面仪,40m地层穿透深 度时分辨率6cm;输入电源1O~30VDC;输出频率 10kHz;输出功率300W(脉冲)。 3)加拿大Knudsen Engineering公司标准 Chirp320X系列和便携Chirp321X系列(X代表通 道数)浅地层剖面仪。所有系列仪器发射频率为3.5 ~12kHz;输入电压交直流可选;脉冲宽度可达 64ms;增益可选人工或自动编程;工作水深5~ 5000m;分辨率1 cm、1 dm、1 m(和工作水深有关); 侧扫功能可选等。 4)德国General Acoustics公司生产的SUB— PRO 1210型浅剖仪。最大输出功率10kW;换能器 束角10。;发射频率12kHz;穿透深度>10m(砂);技 术分辨率(理论上的)1 mm;水深>1.5m即可工作。 5)芬兰Meridata公司生产的MD DSS型浅地 层剖面测量系统。系统支持多种声学操作模式,广 泛用于沙滩、河口、航道、海岸及大陆架等处的沉积 及浅层剖面测量。针对来自各种声源发射的不同声 学信号,系统能够生成用户定义的各种输出格式;可 以接收、处理、导入并图像化显示声学反射信号;其 先进的信号处理和图像增强技术可以展现最详细的 地层结构;可以将这些数据与对应的位置数据同时 存储起来,为船的空间运动提供动态的参考;多工作 模式,如地震测量(气枪、Sparker或Boomer);频率 从lOHz起;Chirp浅地层浅剖(软件可选频率、频带 宽和脉冲窗口);侧扫声纳:1O0~1250kHz;宽频带: 10~40kHz。 6)韩国Sonartech公司生产的Z—TAM I/II 系列浅剖仪。发射频率2~7kHz,主频3.5kHz;脉 冲发射技术可以是CW也可以是Chirp型;脉冲宽 度2 ̄200ms;垂直分辨率6~10cm;束角45。~90。; 穿透深度:5~10m(砂),8O~120m(粘土);最大工 作水深500m。 7)英国GeoAcoustics公司生产的3D Chirp型 浅剖仪是目前唯一一款真正的3D浅剖系统,是在 GeoChirp II浅剖系统的基础上构建的,采用2D网 格划分接收单元从而形成的真正3D浅剖系统。整 个系统采用最优化几何构造(图2);发射系统由4 个换能器组成;发射频率1.5~13kHz可编程;接收 包含60个水听器;水平和纵向的间距均为25cm;cc、 方向水平分辨率5cm,2方向垂直分辨率10cm;采 用4个RTK—GPS进行定位并提供姿态系统信息; 3D数据处理包括:几何结构处理、逐条迹线处理、中 点网格化、三维基尔霍夫叠前偏移等。 图2 3D Chirp浅地层剖面系统结构 (2)国内的浅地层剖面仪有: 1)中科院东海分站研制的GPY—N型浅地层 剖面仪。其工作性能稳定;图像直观;软地层穿透深 度可达50m;分辨率达0.3~1.0m;但后处理软件落 后,有待提高其自动化性能。 2)第七一五研究所利用分频合成技术结合超 宽频深水换能器技术研制出的超宽频浅剖仪。其工 作频带0.7~30kHz;海底地层穿透深度超过50m; 148 物 探 装 备 海底地层分辨率小于7.5cm。 度:P70>200m,P35>150m;束角4.5。~5.0“;最人 深度分辨率6cm;地层分辨率小于1 5cm;测深精度 ±0.2m或水深的±0.2 。 英国Tritech公司生产的Seaking Paramctric 国内的这两款浅剖仪已经在野外有了很多应用。 3.2基于SES技术的浅剖仪 德国Innomar公司的SES系列浅剖仪是世界 上最早的便携式参量阵浅地层剖面仪,共有7种类 型:SES一2000 Compact小型、SES一2000 Light轻 SBP型浅剖仪。其初始发射频率200kHz;仞始束 宽4。;低频20kHz,低频束宽4.5。;高频深度分辨率 1~10cm,低频深度分辨率为30m(6O , 『J I 7kHz 时);可选网络和RS232传输;厂作水深4000m。 国内,中国科学院东海研究站于2002年研制 了一套“堤防隐患监测声纳系统”,其差频换能器发 型、SES一2000 Light Plus旁扫二合一型、SES一 2000 Standard标准型、SES一2000 Midium中型、 SES一2000 Deep深水型和SES一2000 ROV水下 机器人型。由于采用SES技术,该系列浅剖仪重量 轻;换能器直接安装在船舷边;对载船要求很低;因 而经济、快速、安全。探测水深l~500m;对于所有 射的波束角2。;15个波束;主频为100kItz;差频为3 ~24kHz共7挡。 频段(4,5,6,8,10,12,15,100kHz)波束发射角 均只有±1.8。;在测量浅地层数据信息的同时还可 获得精度很高的水深数据;测深精度为0.02m测量 值的±0.O2 ;由于带宽宽,系统可发射非常短的脉 4浅地层剖面仪的应用 在声波遇到差异大的层面时,浅地层剖面反射 冲,脉冲无响声(ringing)干扰;最高垂向分辨率可 达5cm;总重量30kg;由于换能器和GPS定位均在 波组的振幅、频率、连续性、波形和反射形态会发,{ 相对变化。当海底为沉积物时,由于沉积物相埘J古J 围介质的反射要强,其存在会使反射波的波形和反 射形态变得絮乱、不规则;当海底存在管线或海缆 时,由于其结构和周围介质的性质相差很大,探测fIlf 浅剖仪在管线上方正交经过,管线在浅剖断面冈上 水面,因此定位准确;除此之外,由于波束角窄使参 量阵系统可工作于非常浑浊的水域。 德国Atlas Hydtrographic公司生产的Atlas Parasound系统(P35型和P70型)是深水型可选发 射脉冲方式的参量阵浅地层剖面仪。可选脉冲方 表现为单独的抛物线。德国Innomar公司采 SES 一式:参量阵、CW、Chirp和Barker等;频带宽度:高 频18~33kHz,参量阵低频0.5~6.0kHz;穿透深 2000系统对沉积物和管线分别做r实验,其结果 见图3所示。当识别管线或海缆之后,如还需定化 (a)沉积物探测 (b)管线探测 图3 SES一2000的应用效果 其埋深,只需在浅剖的断面图上找到抛物线的顶点, 这个顶点就是管线或海缆所处位置,而此顶点的深 断,造成严重的经济损失。 度与相应位置海底高程之差即为管线或海缆在海底 的埋深。如检测到海缆裸露于浅海的海底,就需采 5结束语 浅地层剖面仪根据发射声源技术主要分为 取措施(最安全的方法是重新埋置)以防止海缆被刮 第21卷第3期 王艳:海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应用 149 Chirp和SES两个类型;根据工作水深可以分为浅 水型和深水型;根据功能分为单功能和多功能型;根 据探测方法和成图维数分为2D和3D等。其种类 全满足海缆路由探测的高要求,无法完全解决分辨 细小电缆目标体的关键问题,需要结合其它物探方 法如磁力仪和管线仪等以实现高精度探测。 参 考 文 献 1刘秀娟,高抒,赵铁虎.浅地层剖面原始数据中海底反 繁多,各有优缺点,适合不同的工作情况需求。 3D浅地层剖面仪无论从原理上还是从实际探 测效果上都要优于2D方法;但其体积、数据量大, 射信号的识别及海底地形的自动提取[J].物探与化 后期处理也相对复杂。目前已有的3D Chirp浅剖 探,2009,33(5):576~579 仪是在GeoChirp II上发展起来的,其3D的性能直 2夏美永,朱晓利.浅海剖面仪在海洋工程中的应用I-J]. 接受该2D浅剖仪性能的影响。GeoChirp II技术指 物探装备,2002,12(1):52~54 标中垂直地层分辨率低于其它厂家较先进的浅剖 3徐海涛.GPY—N型浅地层剖面仪在航道工程中的应 用i-J].水运工程,2002,(1O):77~78,89 仪,因此3D浅剖技术还有待完善和提高。 4张兆富.sEs一96参量阵测深/浅地层剖面仪的特点及 SES技术浅剖仪出现的初期,其穿透深度要低 其应用[J].中国港湾建设,2001,(3):41~44 于Chirp型,随着技术的发展,目前两者之间已经不 5王福林,周利生,张军.国产超宽频海底剖面仪.声学与 电子工程,2006,(2):1~3 存在穿透深度的差别,要大的穿透深度,可以选择深 6 Ruth M K Plets,Justin K Dix,et a1.The use of a high— 水型仪器,但是相应的分辨率就会降低,仪器的重量 resolution 3D Chirp sub——bottom profiler for the recon—. 也会相应增大。SES技术浅剖仪在轻便、经济和分 struction of the shallow water archae0logical site of the 辨率尤其是水平分辨率上还是优于Chirp型浅剖仪 Grace Dieu(1439),River Hamble,UKEJ ̄.Journal of Archaeologica1 Science,2009,36:408~418 的。值得一提的是,SES系列的浅剖仪均带有较精 7 Bull J M,Gutowski M,Dix J K,Henstock T J,er a1. 确的水深测量功能,可提高解释精度;另外由于SES Design of a 3D Chirp sub—bottom imaging system.Ma— 技术的束角很窄使得其可以工作于浑浊水域。 rine Geophysical Researches,2005,26:157~169 8 Martin Gutowski,Jon Bul1.Chirp SUb-bottom profiler 国外浅剖系统的后数据处理自动化程度很高, source signature design and field testing r-J].Marine 极大地降低了工作人员的工作量,而国内系统的后 Geophysical Researches,2002,23:481~492 处理技术还有待提高和完善。 9 Selby I and Foley M.An application of chirp acoustic profiling:monitoring dumped muds at sea bed disposal 浅地层剖面仪对浅地层的分辨率很高,可以高 sites in Hong Kong.Journal of Marine Environmental 分辨率地描述浅海底地质情况,并反映海缆的存在, Engineering,1995,1(3):247~261 是一种高效、经济的海底物探方法。但是提高穿透 10 Schock S G and LeBlanc L R.Chirp Sonar:New Tech— nology For Sub-Bottom Profiling.Sea Technology,1990, 深度以降低分辨率和增加仪器重量为代价,当这对 31(9):35~43 矛盾无法平衡时,需要考虑采用电火花或BoOM— 11 Mark E Vardy。Justin K Dix.。Case History Decimeter- ER震源加水听器的方法解决,如英国Applied A— resolution 3D seismic volume in shallow water:A case coustics Engineering公司以及Ixsea公司提供的地 study in small—object detection.GEOPHYSICS,2008。 73(2):33~4O 震震源系列浅地层剖面仪。 虽然浅地层剖面仪的优点多多,但还是无法完 收稿日期:2010—12—28 ・消息与简讯・ 《物探装备》20周年刊文汇编(纪念光盘)征订通知 \ 《物探装备》自1991年创刊以来,走过了2O年发展历程,今年将迎来她2O岁的生日。为与广大读者共 同庆祝这一生日,本刊将与清华知网共同出版、发行1991年创刊至2010年的20卷的全部发表论文集(光盘 版),供广大读者方便查阅与收藏。定价2O元。凡需订购的读者,请从速来电订购,售完为止。 另:本刊尚有部份过刊积存,2001(11卷)~2008(18卷)年度中,除2003年(13卷)外还在少量合订本, 欢迎需要的读者订购。 ——本刊编辑部 

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