浅地层剖面仪在港池探测中的应用.docx

1、浅地层剖面仪在港池探测中的应用王华强I,青平，迟洋3（1.广东海事局海测大队，广东广州510320；2.91561部队，广东广州510320；3.天津开发区测量队，天津300457）摘要：介绍了32OOXS型浅地层剖面仪工作原理及其数据处理过程，在港池开挖前进行浅地层削面测量可以详细/解港池内各地层单元的分布和埋深,并对区内的灾害地质体或者障碍物进行有效识别，以保障施工安全和节约工程支出;结合海南某港池的浅剖探测实例，分析了该港池的地层单元划分及地层内物质识别，针对浅地层剖面测量前发射参数的选择和测量中的多次回波、调头区变形等问题等进行了探讨。关健词：浅地层剖面仪;地层划分;发射参数；多次波;

2、港池探测中图分类号：P714L6文献标识码：B文章编号：1671-3044（2010）04-0076-031引言在进行海洋开发和T.程建设之前，必须对地区的海底地貌特征和工程地质状况做出详细的调查研究，并就工程项目实施过程中可能遇到的困难地质条件和灾害地质状况做出客观评价，以便做好设计避免损失。浅地层剖面探测是近年来海洋工程野外勘察的主要观测手段之一，它依赖声纳技术对海底地质情况（地层层序、地质结构与构造）进行连续走航式测危，与其他的浅海地质调查方法相比，具有操作简单、高效且经济的特点，因此在浅海工程中的应用也越来越广泛。就港池探测工程而言，通过与相应钻探点的数据进行交气比对，能够快速查明海底

3、地层中各类型覆盖物的深度、基岩的埋深与分布、影响工程施工的灾害性构造及其分布，从而为港池开发工程提供详尽的前期地质资料。2浅地层剖面仪的工作原理浅地层剖面仪具备先进的声纳发射接收系统，通过沉积物岩性、沉积层结构和构造变化形成的反射波记录，来获取高分辨率的海底地层剖面信息。其工作原理主要有两种:线性调频声纳（CHIRP）和非线性调频声纳（参量声纳）。目前声纳发射主要是采用CHIRP技术为主,CHIRP是一种线性调频技术,频率在216kHz,具有穿透深度大、分辨率高的特点，因此被广泛采用;CHIRP声纳发射的声波在海水和沉积层传播过程中遇到声阻抗界面，经海底地层散射后被接收端滤波、放大，并以数字形

4、式存入计算机，通过适当的数据处理或识别算法，可以输出为能够反映地层声学特征的记录剖面，从而反映海底沉积结构和地层特征C本文在海南洋浦港实地测量时使用的是美国EdgeTech产的3200XS型浅地层剖面仪，它是一种自激自收型的高分辨率宽带调频（FM）浅地层剖面仪，采用全频谱CHIRP技术。系统发射-个线性扫频调制的脉冲，声反射信号由水听器线列阵接收，通过脉冲压缩滤波，由此产生海洋、湖泊或河流底床的高分辨率地层图像。系统构架主要由一个甲板处理器（FS-SB全频谱处理器）和SB-216S拖鱼组成。3浅地层剖面仪的数据处理浅地层剖面激发的声波辐射到海底地质体后，经地质体反射的声波就携带了地质体的信息。

5、由于声波在这一传播与接收过程中会受到外部扰动的影响，同时受限于仪器本身的设计工艺和地质情况的复杂程度，在对浅剖获取的数据进行解释前，必须经过相应的前期处理,如滤波、叠加、校正等。浅地层剖面测量的地质解译采用从已知到未知，由点及线，从线到面的处理过程,依据瀑布图上的各层反射界面来确定各层层序，并通过与钻孔资料的比对来最终确定各层的地质解释。地层反射界面的划分遵循的原则为:同一层组内的波反射连续、清晰并旦具有相同的反射特性，即层组内的反射结构、形态、能量、频率等基本相似，且与相邻层组有明显差异;相邻测线上的临近区域内的同层反射特性收稿日期：2010-03-30；修回日期：2010-（）6-02作者

6、简介：王华强（1983-）.男.湖北鄂州人.硕士研究生，主要从事海洋测绘设角管理和海洋地球物理研究。王华强，等浅地层剖面仪在港池探测中的应用一一*-也具有连续性，且纵横测线上的相同层组能够自然闭合。对浅地层剖面测量瀑布图的识别，一方面要正确地识别出各反射层，确定反射波组,这需要依据已知钻孔资料与瀑布图数据的对比结果来进行，进而确定各反射波组的特征进行合理的地质解释；另一方面需要对干扰信号进行有效识别，影响瀑布图判读的主要干扰信号包括:噪声干扰、多次回波。噪声干扰的来源主要是船舶本身、来往船只产生的机械噪声和外部的洋流、浪等产生的随机噪声，随机噪声可以通过滤波处理来减轻影响；多次回波的生成受水深

7、条件、声波能量和海底地层性质的综合影响，其消除手段目前研究较多，滤波法是常用的压制多次波的方法,它利用多次波和一次波之间动态时差的差异特征来压制多次波。4浅地层剖面仪的工程应用出于保障施工安全和节省工程开支的目的，港池开挖工程中需要预先调查清楚海底的地质特性，利用浅地层剖面仪进行扫海测量目的就是为了查明海底各类型沉积物(砂、粘土、砾石、基岩)的埋深及分布状况，对于影响工程施工的障碍物或者特殊地质构造进行前期调查。因此,通过浅地层剖面和钻探资料进行综合判读，可以对港池内的地质分布状况进行较为详细的了解。2009年8月，利用32OOXS型浅地层剖面仪对海南洋浦港某公直J码头港池进行了扫海测量。在港

8、池内以20mx20m纵横布设测线，测鼠里程总长100kmo实地测最前以稳定船速调试了3200XS型浅地层剖面仪的三个主要发射参数脉冲类型、脉冲功率百分比和发射频率。脉冲类型包含了发射信号的脉冲频率和脉冲宽度两个参数。脉冲频率决定了脉冲的穿透深度，频率越低，则穿透深度越大。而脉冲宽度决定了地层的垂向分辨率，宽度越小,垂向分辨率越高,这两个参数互相限制，其选择主要取决于地层的声波特性和工程需要的探测深度。脉冲功率百分比用于控制发射功率的大小，主要影响浅剖图像上反射信号的强度，选择合适的发射功率有利于直观的对图像进行判读。发射频率主要影响发射信号能够到达的深度和地层的横向分辨率，由于拖鱼横向移动,发

9、射频率越高，则地层的横向分辨率越高,但是信号能到达的深度越小，因为对于单呼发射接收系统，超出发射时间间隔之外的接收信号将不被处理。综合来说，这三个参数主要决定了浅剖图像的横向垂向分辨率、脉冲波束的穿透能力以及成像效果，通过在待测地区反复比较各参数对浅剖瀑布图质最的影响，以确定最佳参数，并在随后的测量过程中尽量保持各发射参数的一致性。走航式测量时定位使用TrimbleDGPS系统，使用HYPACK软件辅助导航。对该港池的浅剖数据处理遵循上文所述的一般处理过程:通过将已有钻孔资料中的地层层面划分与经过该钻孔点的浅剖瀑布图进行对比，从而确定瀑布图上各种反射结果所指示的沉积物类型，进而推广应用到所有的

10、浅剖测线上，最后将所有数据综合成图。对该港池的浅地层剖面测虽结果显示：(1) 结合钻孔资料，浅剖测扯结果可以明确指示出海底地层中的淤泥、砂、粘上层和基岩之间的界线，图1即为钻孔和临近浅剖数据的比对图，两者基本是吻合的;对已知钻孔点的比对完成后，可以进行测线的解泽工作，图2是港池典型测线的浅剖解释图。图1浅剖瀑布图和钻孔资料比对结果图图2典型浅地层剖面图(2) 完成各测线的浅剖解释后，通过综合处理各测线的浅剖数据即可获得各类型沉积物的分布。图3显示了海底表层沉积物在港池内的分布状况,主要以砂和淤泥为主，表层沉积物以下则主要是以粘土层为主;事实上，通过对所有浅剖数据在相同深度上沉积物属性的提取，可

11、以做出不同深度上的沉积物分布图，并显示各层沉积物的厚度。(3) 部分区域海底多次回波效应明显，图4即为多次回波的成像图，图中清晰地显示了二次回波和三次回波，从图上可以看到，由于测址时为减少尾流噪声，浅剖拖鱼放置在船舷一侧，这些多次回波应该是声波信号在海底和船底之间多次反射的结果。从浅剖探测的原理可知，多次回波的产生需要有较强的波阻抗界面，坚硬的海底和基岩地区会产生强烈的多次波反射，该港池区域内的砂质坚硬海底应该是造成多次回波的主要原因。对于海底多次回波，一方面后期数据处理时可以通过随机软件DISCOVER-Sub-bottom来进行技术处理，另-方面，现场测星时可以实时标注多次回波区域，在该区

12、域通过调节浅剖发射参数来进行二次测量:以获取最佳图像效果。图4浅剖多次回波成像图(4) 由于港池边长较短，为了对港池水域进行有效覆盖，造成浅剖测量时的掉头区较多，在掉头区时浅剖的瀑布图会发生明显变化。如图5所示，竖线左边是正常测量过程，竖线右侧开始掉头转弯，从图上看，由于掉头时船速减慢,位于船体侧面的浅剖拖鱼速度变慢，此时浅剖换能器发射的信号横向上密度变大,且部分区域由于同一点的回波发生叠加，导致回波信号明显增强；同时在转弯时的高心力作用下浅剂信号从垂直发射变为斜向发射，信号在地层中的历时增加，会明显增加地层厚度，导致瀑布图发生变形。对该类掉头区的数据应尽量舍弃不用,因施工要求确实需要的数据应

13、考虑转弯区的地层厚度变化。图5船舶掉头时浅地层剖面仪的成像图(5)3200XS型浅剖仪的SB-216S拖鱼同时集成了发射换能器和接收换能器，两者间距可近似等于0,不考虑船速位移的影响，声波垂直向下正射并且垂宜接收，可避免因换能器间距过大而产生的垂直深度偏差，特别是在本次扫海项目所在的浅水区(水深大约在10m左右)时，对该偏差效应的屏蔽尤为明显，可有效减少深度偏差校正的工作量。5结束语浅地层剖面仪可以提供海底连续的地层剖面,获取的图像直观、易于直接判读，越来越多的应用于海洋工程勘察。本次港池探测工程,通过浅地层剖面仪的扫海调查,配合前期的钻探工作，详细探明了区内淤泥、砂、粘土层以及基岩的分布和埋

14、深状况，没有发现明显的有碍施工的地质结构体，保障了港池开挖工程的顺利开展。在浅剖测栖过程中，充分比较各种发射参数对瀑布图质城的影响，在不同地质区应选择不同的发射参数来满足港池探测的需要；同时,全面分析了测虽过程中出现的多次回波效应、掉头区影响以及船速位移等影响因索，测量时应对这些影响进行有效规避以提高瀑布图质量，有利于后期数据分析时对瀑布图的判读。参考文献：1李-保，张玉芬,刘玉兰，等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用JJ.工程地球物理学报,2007,4(1)：4-8.2王化仁，田春和，王鹏，等.浅地层剖面仪在管线铺设路由调查中的应用J】.水道港口,2007,28(2):133135.3罗深荣.

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18、ng,116023)Abstract:Highradiometricresolution(NlObit)digitalremotesensingimageobtainedbyaeronauticsandastronauticstechnologyhasgraduallybeenthemaindataacquisitionsourceofspatialgeographicinformation.Thecombinationofqualitativeanalysisandquantitativeanalysishasalreadymadetheapplicationofhighprecisionr

19、emotesensingdatarunningtoanewstagefromthesinglequalitativeanalysisstage.Thispaperanalyzesthecharacteristicsofhighradiometricresolutionremotesensingimage,discussesitsstorageformatconversionanddynamicrangeadjustment,thenpresentsanadaptivestretchingalgorithmbasedonmulti-scalegradient,andpointsoutmoreap

20、plicationdirectionsofhighradiometricresolutionremotesensingimageinfuture.Keywords:remotesensingimage；highradiometricresolution；storageformatconversion；dynamicrangeadjustment:multi-scalegradientIIKHIKIII|即圳II!'I(!：Il|lll<.1|111IIlli*Il!：!.I1出1I!'!II(上接第78页)51张金城，蔡受智，郭一飞，等.浅地层剖面仪在海岸工6夏美永，朱晓

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