《海洋测绘技术》课件 第六章 海底地貌测量

6.1测扫声纳海底地貌测量6.2浅地层剖面仪海底底质探测第六章海底地貌测量

侧扫声纳测量是现阶段扫海测量、应急测量、扫测障碍物的重要手段。它具有分辨率高反映海底地形彻底等单波束多波束设备所不具备的优点，是目前寻找水下障碍物最有效的方法之一。随着声学、干涉技术及计算机技术的发展，现在出现了新型测深侧扫声纳，它能够测量出海底的高分辨三维成像，能够测量海底地形地貌的细微构造，可以同时获得等深线图和地貌图的两大类内容，可应用于海洋工程、海洋开发、海上油田区域和海底油管敷设路径的海底地形测量，航道和港湾水下地形测量

6.1侧扫声纳测量一、概述二、侧扫声纳基本工作原理侧扫声纳又称“旁视声纳”或“海底地貌仪”,是主动声纳的一种,海洋探测的重要工具之一。侧扫声纳由拖在水中的拖鱼、线缆和船上的处理器三部分组成。其工作原理为:由随船行进的拖鱼产生两束与船行进方向垂直的扇形声束,声波碰到海底或礁石、沉船等物体就被反射回来,或者是受到海水密度、温度的影响而传播方向和速度发生改变,反射回来的信号由拖鱼接收系统接收、转换放大,然后由处理器以图像的形式记录、显示反射和散射信号。对侧扫声纳图像进行处理和分析,就可以得知海底的地貌特征。

水平开角垂直开角左换能器阵列右换能器阵列旁侧声纳侧扫工作原理示意图航向AABCD扫描区安放在船两侧的左右两换能器阵列同时向船两侧发射有一定水平和垂直开角的波束并分别接收来自海底ABCD和EFGH梯形面积的反射和散射波束图象；并在显示设备上分别用不同色度来表示海底不同特征一条反映海底信息且与测线垂直的线型图象，而且船在行进中定时发射接收和显示，按周期发射脉冲波束。EFGH5声呐发射示意图水平波束角垂直波束角6KLEIN5000拖体KLEIN3000拖体三、设备构成1、拖体换能器和水听器集合2、主机3、电缆4、记录仪（双通道）四、侧侧声纳的主要类型:高、中、低频侧扫声纳悬挂式、拖扯式侧扫声纳单、双频式侧扫声纳单波束与双波束侧扫声纳CW脉冲和调频脉冲侧扫声纳SandridgesSeabedpipelineFig.4Sandridgesandseabedpipeline(surveyedbySimradEM3000multibeamechoSounder)海底管线沙脊EM3000声纳的高清晰海底侧扫图象五、侧扫声纳的主要技术指标工作频率（与探测深度有关）最大作用距离波束的开角脉冲宽度分辨率覆盖宽度生产厂家型号频率(kHz)最大测幅(m)工作水深(m)KleinKlein2000100/500双频7501000Klein3000100/500双频5001500Klein5000455100-30010000BenthosSIS-1500190-2105002000SIS-300090-1107503000EdgeTech4200100-10550010004200-FS120/410双频5001000侧扫声纳设备的主要产品

2026/9/1511设备释放2026/9/1512设备拖曳13具有极小的水平波束角（0.5-1.5度）提高探测分辨率一般具有两个换能器和水听器提高探测效率发射和接受具有较强的定向性

TT1侧扫声呐探测必须的覆盖宽度太小，探测效率低具有较高的工作频率

（几十KHz——几千KHz）

水体相对均匀，对波的吸收也较少频率高的波探测分辨率较高防止泥面下地层回波的干扰侧扫声呐探测海底Y（m）T（声波传播时间）Y、X、反射波强度Y、T、反射强度海底声阻抗及地形因素探测需求无法在地球上表述通过水体声速测量和斜率校正转化为距离（m）海底每个点的x、y、反射强度，标识于平面图上海面海底声呐拖体T水体声速VmhXAB为了实现不同位置处真实的声波反射强度对比，声呐设备有两个重要的反射波强度放大调节旋钮gain和TVG，通过两者的配合使用，使均匀海底的声呐图像灰度一致。最佳图谱探测实例QingdaoYellowSeaJiazhouBay中沙礁六、侧扫波的与海底形状关系无回波阴影区海底换能器阵列不规则海底时的侧扫波方向示意图*由换能器垂直到海底的声波为反射波，而且波束在海底的投影面积最小*远离换能器非垂直海底的波束投影到海底的面积大，其回波为散射波；*整个波束在海底的扫描阴影呈现梯形状*在不规则且起伏大的海底，由于侧扫角度的原因会产生无回波的阴影区*回波的强弱与海底结构性质有关回波信号的强弱除与海底地貌的起伏、海底底质的性质等有关外，还与传播路径的远近有关。海底有一障碍物(如暗礁、沉船等):从a至b这一段海底基本是平坦的，由于接收机时间增益控制电路的补偿作用，a至b线的黑度是均匀的。而隆起物正面b至c一段海底，由于声波的掠射角增大反向散射回波强，记录bc段的黑度就加深了。过了C点以后，由于Oc和Oc的斜距有一个突变，因而就有一段时间内没有回波信号，直到d点为止，cd段在记录纸上就没有记录。再向前，de段又是平坦海底。回波记录与ab段又一样。海底隆起在记录图形上“左黑右白”，海底凹陷测试“先白后黑”通常情况下，硬质、粗糙、凸起的海底回波强；软质、平滑、凹陷的海底回波弱；被挡的海底不产生回波；距离声呐发射基阵越远，回波越弱。如上图所示.第①点为发射脉冲，正下方海底为第2点，因回波点垂直人射，回波是正反射，回波很强，海底从第4点开始向上凸起.第⑥点为顶点，所以第④、第⑤、第⑥点间的回波较强.但是这三点到换能器的距离不同，第⑥点段近.第④点最远，所以回波返回到换能器的顺序是⑥—⑤—④，这也充分说明了斜距和平距不同，第⑥和第7点之间没有回波，这是被凸起遮挡的区域，第8和第9也是被遮挡的区域，没回回波，是阴影区扫描形成条带图象条带图象拼接成海床地貌图象八、侧扫声纳的应用

最初发明的侧扫声纳主要用在军事方面,用于探测潜艇、海底地形等。直到20世纪80年代后期,随

着海洋开发事业的迅速发展,侧扫声纳才广泛地应用到民事方面。侧扫声纳系统的应用主要有以下几个

方面:探测海底地形,可以测绘出海底地貌、沉积物分布;

搜寻沉船、飞机等(图1);

探测矿产,如石油、金属矿物等;

海洋环境监测和保护;

探测鱼群,有利于渔业的发展;

对水下工程设施、输油管道、海底电缆进行监视和定位

从侧扫声纳出现的时候开始,人们就尝试着从其探测记录来确定海底沉积物的类型,进行海底沉积物分类。但是,早期的侧扫声纳仅有模拟记录,其动态范围小,包含的信息也少,用来解释沉积物类型有困难,特别是在复杂的沉积物分布区内进行小尺度的分区几乎是不可能的。九、声纳的探测方法实施要求粗测：对目标海区进行大面积的海底测量，

初步查明测区目标的位置、高度、走向等

测线要垂直构造走向，相邻测线要相互重叠不出现漏测区。细测：在粗测的基础上，对已知目标的进一步的测量以确定目标的存在；对特定目标要锁定几个方向对目标进行确定。地质调查物体寻找特殊现象探查难度小难度较大难度最大十、侧扫声纳测量的实施侧扫前的准备：

1.调试检查仪器确保系统正常工作

2.进行静动态试验，确定最佳仪器参数与探测工作参数。

3.搜集了解测区概况：水深、地貌、障碍物、潮流、流向、气象等

4.确定测船的航速、吃水等

5.设计确定测扫实施方案与测线设计测扫的海上实施按照设计方案进入测区沿测线实施测量探测规范

地质调查物体寻找特殊现象探查下达的技术要求国家规范行业规程没有规范测线布设

测线：实现探测目的（一般为测区全覆盖探测），探测设备所需要的航行探测路径。测线布设：完成计划测线过程计划测线：实现探测目的（一般为测区全覆盖探测），规划的探测设备应航行的探测路径。实际测线：探测时，探测设备所航行的探测路径。航迹线：实现探测时，探测设备实际航行的探测轨迹。测线一般为多条平行的直线，常被称为一组测线。一个测区可有多组方向不同的测线，实现全区覆盖探测。每条测线都有名字，根据其测线名应可识别出，测线所在的测线组，及其组内名字，有的测线名还可包括任务代号、测区、航次数等。A001B001测线布设的关键:测线方向测线间距测线组数量设计的依据：工作目的、海底情况、调查区形态等设计的原则：准确、高效、易操作性等设计原则：满足规程或实现目标要求，高效。设计依据：规程或实现目标要求，设备情况、水深情况、水体混浊度等。平行测线间的距离拖曳方式的选择

调查船固定安装侧拖尾拖适应的环境浅水浅水深水优点安全安全信号好缺点噪音大噪音大安全性差探测船速的控制

调查目的拖曳方式调查船船速船速越低，炮点密度越大，探测分辨率越高一般正常调查船速4－6节固定安装的船速可较大，拖曳调查的船速较低（受制于拖缆强度和入水深度），深水拖曳的船速最低。定位点间距的选择

主要指的是老设备，GPS信号未接入声呐。根据调查比例尺，图上1cm，有一个定位点。对于GPS定位信息可接入的声呐设备一般不做要求。定位装置的连接GPS定位计算机声呐主机WGS84经纬度坐标保存于声呐记录数字文件中定标器方式1方式2导航软件，完成坐标系转换及拖体位置校准我所需求的坐标保留在声呐探测数字记录中声速的确定

计算获得海底声速水温、盐度查表法CTD计算法SVP（声速剖面测量仪，实质就是CTD计算法一般以水体垂直声速的平均值为准，输入声呐设备中十一、测扫资料的分析整理检查定位与声图资料质量对声图资料进行综合分析整理内容：水深与海底沉积物的分布特点；声图反映海底地貌特征的可信度；海底微地貌特征及其分布范围；确定障碍物的性质：位置、高度、与海底接触关系绘制测区测扫图编写测扫报告十二、测扫声图资料的分析解释声纳图的特点：用灰度强弱反映物体的形状人员判度须知：了解声图特征和相关知识（照相、定位、地貌、航海、测深等）掌握判度方法。声图特性分类：

--目标图象（如沉船、礁石、海底管线等）

--海底地貌图象：海底底质图象（砂带岩石等）

--海底起伏图象（沙坡，沙洲，沟槽，沙丘等）

--水体图象（水体散射，温度阶层，海面反射等）

--干扰图象（换能器阵列的摇摆，海海底与水体的混响，电子仪器的干扰图象声图判读特征（分析依据）

--形状特征：反映目标性质与地貌类型

--大小特征：反映在声图上声波特征的大小

--色调与颜色特征

--阴影特征：无回波区域，阴影长度反映目标高度

--纹形特征：声图上由灰阶强度形成的各种形态的点、线、环、条带、栅状的声图像。如，沙波为波状形态，鱼群为椭圆、燕尾状。

--相关特征：指伴随某特定图象同时出现无固定纹形特征的相关图象；如：沉船图象周围伴随出现的堆积和沟槽图象等。十二、测扫声图资料的分析解释声图象的判读方法

--直读判读法：利用声图特征直接判读

--对比判读法：同测线的粗测细测两记录图象对比

--相邻测线之间的相互对比

--相交测线之间的相互对比

--综合分析的推理判读：根据各个方面的资料信息进行综合分析与评判十二、测扫声图资料的分析解释声图资料分析示例SandridgesSeabedpipelineFig.4Sandridgesandseabedpipeline(surveyedbySimradEM3000multibeamechoSounder)海底管线示例分析海底飞机与沉船图象示例分析示例分析海底管线淤泥(silt)

沙(sand)

基岩(bedrock)

由于不同的海洋底质对声波的反射强度不一样,所以在侧扫声纳的显示器上,它们就会通过颜色的深浅显示出来,从而可以进行分类和监测。

北部湾的浅中深区域的声纳海底形态沙波形态和地形图深水区中区浅水区东1km北部湾海底沙质地形的声纳图象台风前后的海底形态对比冲蚀沟槽b.台风后悬跨段台风后出现冲蚀沟槽的区域a.台风前光缆悬跨段北部湾海底沙波沙脊形态声纳图象

台风对次一级的小沙波及其海底管线的影响a.台风前b.台风后海底管线沙波小沙波

台风前后海底地形变化对比图

台风后海底出现冲蚀凹坑和冲蚀沟槽。并且造成了两条沙波移动，移动了30～40米，沙波的高度也有所增大

原沙波移动并增大的沙波a台风前b台风后管线冲蚀沟槽人工沙堆冲蚀凹坑管线处海底的淘蚀图a.台风前b.台风后淘蚀坑

浅地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。浅地层剖面仪又称沉积物回声探测仪，作为海洋工程、海上地层物性的勘探手段已经广为接受，实践表明适于探测海底沉积结构和地层变化的界面信息。其应用范围涉及到水上工程勘察和海洋地质研究的诸多领域。

6.2.浅地层剖面探测底质技术

浅地层剖面技术利用声波在不同介质中传播性质不同,不同介质界面处(声阻抗界面)会发生反射与透射,透射波在下一个界面处继续产生反射波与透射波,通过分析接收记录的反射波返回时间、振幅、频率等信息,获得声波有效穿透地层的特征与性质(图1),一、浅地层剖面探测工作原理

定义:海面震源水听器海底A层B层探知介质垂向结构的声学设备。二、浅层剖面探测的特点系统的发射频率较低产生声波的电脉冲能量较大具有较强的穿透力具有较好的分辨率StrataBox™主机（电子单元）发射、接收和信号处理,防水机壳符合EN60529IP65 封装标准。防化学腐蚀，符合UV标准。StrataBox™换能器由特殊聚合物材料制成的锥形体。电声转换效率高， 重量轻。300声功率.三、浅地层剖面仪组成剖面仪分类浅地层剖面仪频率>3.0kHz（压电换能器震源）中地层剖面仪3.0kHz——几百Hz（电磁脉冲或微型电火花）较深地层剖面仪小于几百Hz（电火花震源或气枪震源）压电陶瓷式：主要分为固定频率和线性调频声脉冲（Chirp）两种。声参量阵式：如Innomar的SES和Kongsberg的TOPAS。电火花式：如英国AAE公司生产的CSP系列。电磁式：通常多为各种Boomer或Bubble。其它声源：主要有气枪、蒸汽枪、水枪、组合枪、炸药等。根据声波的产生原理不同可分为以下几类：生产厂家型号频率(kHz)分辨率(cm)穿透深度(m)工作水深(m)InnomarSES-9696和108差频3100SES-20003.5-12和100差频5<503-1500EdgeTech3100-G4-244-82-4030033002-166-106-803000BenthosSIS-10002和7Chirp20502000SIS-30002和7Chirp10503000C-ProductsC-Boom0.5-330800GeoAcouticsGeoChirpII0.5和13Chirp6根据岩性定3000GeoPulse2-1210-20根据岩性定0四、

浅地层剖面设备的主要产品

BenthosSIS-1000InnomarSES2000EdgeTechSB-424EdgeTechDT-1GeoAcousticsChirpII2026/9/151、图谱的获得震源水听器信号处理记录系统发射声波脉冲接受声波滤波显示调整剔除不需要的频率通过GAIN、TVG进行灰度补偿数字记录记录的是最原始的声波信号模拟记录打印的是显示调整后的记录五、

浅地层剖面探测

2、图谱的识别1、图谱内容记录声波返回时间和强度距离0时间线的远近灰度，越强的就越“黑”，无反射的就没有灰度。震源与水听器海面海底A层B层C层D层距离传播时间零时间11波的强度234n234n距离传播时间零时间1波的强度234n反射界面（同相轴），反射界面的强度可分为强、中等、弱直达波反射界面之间的声学地层极为均匀，则无声波反射，称为声学透明层反射界面之间的声学地层不均匀，则出现声波杂乱反射。如果这种杂乱反射是由众多方向不定的小同相轴组成则称为嘈杂反射用于地层结构分析用于某套地层成因分析炮点数（距离）T（传播时间）0A（振幅）2026/9/15713、图谱的分析层系的定义：地质上成因类似或形成环境相互关联的一套连续地层组合。其顶界面和底界面可为整合或不整合界面。物探上具有相同反射特征的声阻抗界面组合。2026/9/1572层系间的关系及代表意义

2026/9/1573地震相1)、Sheriff(1982将地震相定义为:“由沉积环境(如海相和陆相)所形成的地震特征”.Vail(1977)认为地震相分析是根据地震资料来解释环境背景和岩相；2)、地震相是指具有一定分布范围的三维地震反射单元,代表产生反射的一定岩性组合及沉积特征.在划分地震层序后,就可以在任一层序或亚层序组内,根据各种地震反射参数进行地震相划分；3)、“在一个地震层序中,具有相似地震特征参数的地质单元称为地震相.它是能反映由岩相因素引起的反射几何特征和波形特征的总和。4、图谱中的假波海面海底阻抗界面1阻抗界面2拖体现场示意探测理想结果示意同相轴2海面反射同相轴3（海底）同相轴1（直达波）——零时间同相轴4（阻抗界面1）同相轴5（阻抗界面2）海面海底阻抗界面1阻抗界面2拖体现场示意探测结果示意同相轴2海面反射同相轴3（海底）同相轴1（直达波）——零时间同相轴4（阻抗界面1）同相轴5（阻抗界面2）同相轴3－1（海面回波）同相轴4－1（海面回波）同相轴5－1（海面回波）同相轴4－2（层间多次）同相轴4－3（层间多次）同相轴4－4（层间多次）海面多次反射剖面探测中的假波极为复杂探测设备的工作频率越低、能量越大则假波越