淺地層剖面儀在海底管線探測(cè)中的應(yīng)用

孫鵬

摘 要：淺地層剖面儀具有工作高效、成本低廉等特點(diǎn)，目前常被用于海底地質(zhì)和海底管線路由的探測(cè)。本文主要以淺地層剖面儀的工作方式為研究重點(diǎn)，從淺地層剖面儀的工作原理和工作方式出發(fā)，闡述了淺地層剖面儀的發(fā)展過(guò)程。并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用介紹了淺地層剖面儀在海底管線路由中的應(yīng)用，最后對(duì)探測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：淺地層剖面儀 管線探測(cè) 線性調(diào)頻技術(shù)

1.引言

淺地層剖面儀主要是根據(jù)聲波在水下的傳播和對(duì)于沉淀物的反射來(lái)探測(cè)水底情況，是從通過(guò)回聲進(jìn)行水底探測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。淺地層剖面儀具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它具有操作簡(jiǎn)單、效率高、費(fèi)用低、精度高、連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前淺地層剖面儀是海底管線探測(cè)的主要手段之一，通過(guò)多次的實(shí)踐證明，利用淺地層剖面儀進(jìn)行海底探測(cè)具有良好的效果。

2.淺地層剖面儀的工作原理

淺地層剖面儀（sub-bot tom profiler）是利用聲波探測(cè)淺底地層的剖面結(jié)構(gòu)的儀器。聲波在海底的傳播速度受到海水的密度和海底的壓強(qiáng)大小影響，在海底的不同區(qū)域內(nèi)的傳播速度差異明顯。海底具有很多不同的層次，假設(shè)在海底不同地區(qū)的巖石密度和聲波傳輸速度分別是ρ和ν，當(dāng)聲波從海上進(jìn)入到海底以后，就會(huì)形成透射和反射作用，然后每一個(gè)海底的反射層次都會(huì)被相應(yīng)地接收，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以獲得回到海面以后的反射系數(shù)R。

地表的反射強(qiáng)度與相應(yīng)的反射系數(shù)R呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)R值逐漸增大時(shí)，相應(yīng)的反射強(qiáng)度也在不斷增大，在海上收到的反射信號(hào)就會(huì)更強(qiáng)，相反收到的反射信號(hào)就會(huì)更弱。淺地層剖面儀收到的反射信號(hào)攜帶了海底大量的有用信息，通過(guò)連續(xù)的記錄和分析，可以得出海底的地質(zhì)情況和海底結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并能了解海底的沉淀物的物理特性，為以后的工作提供寶貴的數(shù)據(jù)。

淺地層剖面儀的系統(tǒng)組成主要是有聲波的發(fā)射機(jī)、聲波接收機(jī)、控制處理單元，還有相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄和分析等工具，如圖1。

淺地層剖面儀常用拖曳或者側(cè)舷安裝的方式進(jìn)行工作，工作人員通過(guò)發(fā)射機(jī)向海底發(fā)出聲波信號(hào)，水下的聲波接收機(jī)就會(huì)接受到相應(yīng)的聲波信號(hào)，由于海底的深度和介質(zhì)的不同，會(huì)反射出不同的聲波信號(hào)，利用聲波的過(guò)濾和放大裝置對(duì)聲波進(jìn)行處理和記錄，然后通過(guò)專業(yè)的聲波分析儀對(duì)聲波進(jìn)行處理，并分析發(fā)射機(jī)的巡航作用記錄下來(lái)海底不同介質(zhì)下的聲波變化情況，就能真實(shí)地反映出海底的地質(zhì)情況。

3.淺地層剖面儀的發(fā)展

淺地層剖面儀的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段：

（1）早期運(yùn)用連續(xù)波技術(shù)進(jìn)行海底探測(cè)，但是CW技術(shù)無(wú)法同時(shí)滿足大穿透深度和高分辨率的要求。

（2）線性調(diào)頻（Chrip）技術(shù)發(fā)射出的是一個(gè)線性寬帶脈沖信號(hào)，因此具有強(qiáng)大的能量來(lái)穿透更深的界面，一定程度上有效地解決了探測(cè)深度和分辨率之間的矛盾。但是受到線性調(diào)頻的工作原理的限制，為了提高脈沖信號(hào)的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在海底的足夠的傳播效果，就要將水下濕端設(shè)備做得很大，從而使得儀器非常笨重，安裝復(fù)雜，限制了該方法的使用和提高。

（3）近年來(lái)，非線性調(diào)頻（SES）技術(shù)得到了廣泛的認(rèn)可，該方法是利用高聲壓的聲波具有非線性的傳播特性來(lái)探測(cè)海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)非線性調(diào)頻原理的運(yùn)用，淺地層剖面儀在保障很強(qiáng)的穿透力和分辨的條件下，可以詳細(xì)探測(cè)出海底的地質(zhì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)狀況，同時(shí)儀器也更加輕便，減少了不必要的維護(hù)費(fèi)用。

4.淺地層剖面儀在海底管道路由探測(cè)中的應(yīng)用

4.1儀器的選用和安裝

現(xiàn)在常用的淺地剖面儀主要有線性調(diào)頻（Chrip）技術(shù)和非線性調(diào)頻（SES）技術(shù)兩類，對(duì)于不同的工作要求，選用不同的設(shè)備。Chrip技術(shù)的淺剖穿透深度大且有一定的分辨率，但是換能器通常較大；參量陣原理的淺剖，水下?lián)Q能器體積小且輕便，分辨率較高，但是穿透深度較淺。根據(jù)項(xiàng)目的需要，管道掩埋較深時(shí)適宜選用Chrip技術(shù)淺剖，掩埋較淺且分辨率要求較高時(shí)適宜選擇參量陣淺剖。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的還是基于ChripIII技術(shù)的淺地層剖面儀。

淺地層剖面儀的安裝方式主要有船舷固定安裝和船尾拖曳式安裝兩種。船舷固定安裝：換能器安裝位置需選擇靠近船舷中間位置，且與發(fā)動(dòng)機(jī)保持一定距離，盡量減少船舶晃動(dòng)對(duì)探測(cè)效果的影響以及避免發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)及尾流氣泡對(duì)探測(cè)的干擾，為了提高定位精度，可將GPS安裝于換能器的正上方，并且使用波浪補(bǔ)償器，對(duì)剖面圖中的波浪影響進(jìn)行修正；拖曳式安裝：常用于水深較深的區(qū)域，合理利用纜長(zhǎng)、分水翼以及配重可以調(diào)節(jié)水下拖魚(yú)的深度，為了提高定位精度，可以利用GPS和超短基線對(duì)拖魚(yú)進(jìn)行精確定位。

4.2應(yīng)用分析

（1）由于海底管線鋪設(shè)的工藝以及海底沖積等自然因素的影響，管線在海底主要有懸空、出露和懸空三個(gè)狀態(tài)，要在剖面圖上快速準(zhǔn)確的找到管線位置，不僅要對(duì)管線狀態(tài)有一定的了解，而且要求技術(shù)人員對(duì)管線在剖面上的繞射弧進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。圖2顯示了管線不同空間狀態(tài)下的剖面位置。

（2）為了獲得準(zhǔn)確的剖面數(shù)據(jù)，一方面需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)參數(shù)以提高設(shè)備的性能，另一方面減少測(cè)量中的干擾。設(shè)備性能可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)深度和泥質(zhì)等情況，通過(guò)選擇設(shè)備發(fā)射脈沖寬度和發(fā)射頻率，調(diào)節(jié)發(fā)射功率、增益等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得清晰高分辨率的剖面圖像。測(cè)量中的干擾主要有：風(fēng)浪干擾、馬達(dá)噪聲干擾以及海底反射與管道發(fā)射的區(qū)別。可以通過(guò)一定的措施進(jìn)行控制：①風(fēng)浪干擾：在采集過(guò)程中，安裝涌浪補(bǔ)償器，去除船舶搖動(dòng)所產(chǎn)生的影響；②噪聲干擾：為了減少噪音影響，在數(shù)據(jù)采集中，當(dāng)接近管道位置時(shí)關(guān)閉船舶馬達(dá)，使其依靠慣性通過(guò)管道上方，這樣可以使得數(shù)據(jù)信噪比較高，有利于對(duì)管道反射特征的識(shí)別；海底挖溝反射：對(duì)于海底挖溝，可以看成是凹的反射界面，根據(jù)其在剖面圖上的反射形態(tài)進(jìn)行判斷。

（3）檢測(cè)通常會(huì)受到一些特別的海底地質(zhì)的影響，或者是受到天氣變化和海況等條件的限制，這會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性帶來(lái)很大的誤差，導(dǎo)致無(wú)法從剖面圖上準(zhǔn)確地判斷海底管線的準(zhǔn)確位置。在這種條件下可以配合使用海洋磁力儀或多波速系統(tǒng)、側(cè)掃聲納等聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析從而找出海底管線的實(shí)際位置。圖3（a）為側(cè)掃聲納掃測(cè)出的裸露懸浮管線的圖像，圖3（b）為海洋磁力儀探測(cè)管線的磁異常圖像。

（4）淺地層剖面儀的探測(cè)深度與穿透的介質(zhì)相關(guān)，聲波對(duì)淤泥、砂有著一定程度的穿透能力，但是對(duì)于塊石、金屬等材質(zhì)穿透能力有限。目前國(guó)內(nèi)部分管線不僅采用砂覆蓋，而且使用塊石進(jìn)行覆蓋，淺地層剖面儀等常規(guī)聲學(xué)途徑無(wú)法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，于是就需要采用不受影響的磁學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，海洋磁力儀是淺地層剖面儀管道探測(cè)很好的補(bǔ)充。

5.結(jié)論

淺地層剖面儀在海底地質(zhì)調(diào)查、海底路由探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，它具有成本低、效率高的特點(diǎn)，正確合理的使用淺地層剖面儀是快速高效探測(cè)海底管線的關(guān)鍵。在海底管道探測(cè)的工程中，淺地層剖面儀一直都是最常用且最重要的方法，對(duì)于復(fù)雜的工程，要根據(jù)實(shí)際情況將其與其它聲學(xué)、磁學(xué)方法配合一起進(jìn)行綜合探測(cè)。

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