海洋工程物探勘察中的几种声学假象 - 海洋工程测量特点分析

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多鱼

一、引言

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     海洋工程勘察是海洋油气田勘探开发所必须的地质灾害分析与评价工作，其主要的服务对象为海上油气勘探、油气田开发、管道建设等。海洋工程勘察主要的调查方法可分为工程物探、工程地质和海洋环境，其中工程物探主要通过声学、光学、电磁学等原理，以间接的手段对海底、地层及已建设施进行调查和研究。

     从目前我国的研究和应用现状来看，地震勘探在海洋物探中是首选方法，声学勘探应用也很广泛，海洋电法及磁法也逐渐引起了大家的重视。物探方法众多，要保证原始资料的品质，就需要尽量减小甚至消除外界干扰的影响，采用最有效的采集方式获取最佳原始资料。

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    经过数十年的更新发展，工程物探调查设备愈加完善，在海洋工程勘察领域，主要采用的声学系统包括多波束测深系统、侧扫声呐及电火花剖面系统。其中多波束测深系统主要用于进行水深地形的探测，根据水深的不同，主频在20～400kHz；侧扫声呐主要用于探测海底表层的障碍物和地貌特征，一般主频在100～500kHz，部分高频侧扫声呐可达1000kHz;中地层剖面系统主要用于获取海底以下地层的信息，其中Chirp（线性调频）、参量阵的震源主频在3.5～5.5kHz，电火花等震源的主频在800～1200Hz。不同的主频和作业方式决定了不同的设备会受到不同的影响。

     国内外已有很多学者论述过声学系统可能会产生的噪音和声学折射等现象，并给出了相应的处理方案。如李文杰等研究了多波束测深系统在海洋工程勘察中的参数误差产生的影响，魏玉阔研究多波束测深声呐中的“隧道效应”测深假象的消除技术。赵君毅等研究了多波束测深表层声速误差的动态影响及改正方法，王春丽研究了声线折射引起的多波束测深假象分析与消除技术。本文主要研究在海洋工程物探调查作业过程中，可能会遇到对解释产生影响的声学假象。

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二、多波束测深资料声学假象

     ⒈原因分析

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     多波束测深系统是利用安装于船底或拖体的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟/数字信号处理，形成多个波束，同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据，其测量条带覆盖范围一般为水深的2～8倍，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度高分辨率的数字成果图。其探测原理为发射换能器发射波束，接收换能器接收回波，对目标的散射回波信号方位(DOA）、回波到达时间（TOA)以及回波方向上的回波强度（IOA)进行精确估计，确定海底的水深地形。

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     在实际的工程物探调查作业过程中，多波束测深系统依赖外部辅助设备及环境测量，包括船体DGPS(差分全球定位系统）、罗经系统、姿态传感器、声速计、潮汐等，前人已经对多波束的“哭脸”等由于声速原因导致的问题进行过探讨，也有较多关于多波束降噪的算法，本文主要关注多波束测深系统由于发射波束宽度导致的声学假象。

     ⒉实例解析

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     2017年，笔者团队在某工区水深330m对一处已建30in海底管道进行了调查，调查载体为AUV(自主水下机器人），多波束测深系统采用Kongsberg公司的EM2040。作业过程中，AUV定高40m进行作业，多波束主频为200kHz，扫宽约170m。

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     图1剖面a显示多波束在海底管道附近形成了较为明显的假象，近似为以多波束换能器为中心的圆弧，圆弧长度约为3.8m，无法反映出海底管道的在位状态。此时如果将假象当作海底地形来处理和解释，则会对海底管道的出露高度和悬空产生不准确的描述。

图1 海底管道水深地形图和剖面

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     多波束测深系统所发射和接收的声波有一定的宽度。本次作业采用EM2040多波束测深系统，图2中接收换能器的物理波束宽度为θ＝1.5°，按照AUV作业定高h＝40m，预定管道在其一侧d＝50m，其斜距L＝（h²＋d²）0.5≈64m，在海底管道位置处，波束的宽度W约为tanθ×L≈1.7m。

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图2 多波束系统探测海底管道示意图

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     此外，由于到达管道的波束反馈的是波束强度损失较小的反射波，而不是波束强度损失较大的后向散射波，理论上在管道与多波束换能器最近的点位附近的±1.7m范围内，所有波束，无论是波束中心到达管道，还是波束边缘到达管道，均会因为较强的反射波掩盖了所有的后向散射波，因此，在所获取的资料上呈现为接近为以多波束换能器为中心的圆弧。这个宽度与多波束资料中的圆弧长度也基本一致。

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     在这种情况下，圆弧所反映的并不是真实的海底，也不是真实的管道，真正的管道在位状态，可以通过多波束换能器与圆弧的中心延长线进行近似判断，也可以采用浅地层剖面仪、管线仪等设备进行进一步的调查。

三、汽浅地层剖面绕射波假象

     ⒈原因分析

     浅地层剖面仪原理与多波束系统类似，其发射和接收的声波也具有一定的宽度，所接收的反射波不仅是海底正下方的地层反射，而是一定范围内能够接收到的所有反射信息，因此遇到海底管道、障碍物、硬质海底、沙波、陡坎等特征便会形成绕射波，并被记录下来。绕射波可以让工程师更容易找到已建管道和电缆，但在某些作业环境中也会造成错误的解读。

     绕射波的形态与测线方向、目标物形态和类型、声波频率等相关，例如当测线方向垂直沙波脊线时，绕射最为收敛，斜交则较为发散；目标物形态与周围地形差异越大、目标物越硬（物性或岩性），越易产生绕射；声波频率越高，绕射越收敛等。

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     绕射波是浅地层剖面不可避免的声学反射现象，在进行海底特征分析时，如果遇到似绕射波的特征，应以侧扫声呐和多波束测深资料为校验方法，综合判断，避免绕射波造成对海底的错误解读。此外，随着水深的增加，浅地层剖面固有的波束角将会“照射”到更大范围的海底，造成资料的不准确性增加，因此在深水区应尽量采用载体搭载的浅地层剖面系统对海底进行调查和研究。

     ⒉实例解析

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     2018年，在水深约280m的某工区，笔者团队使用船载Ixsea ECHOES 3500高分辨率浅层剖面系统和AUV搭载EM2040多波束测深系统进行了调查作业。根据资料分析（图3），调查区域内存在大型、巨型水下沙丘，其波高约5～8m，波长约100～280m。然而船载的浅地层剖面的海底形态与AUV多波束调查的水深地形存在较大的差异。浅地层剖面中水下沙丘以对称形态为主，而AUV多波束调查的水下沙丘呈现为明显的不对称性。

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图3 水下沙丘的浅地层剖面和多波束地形剖面

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     经过对比分析（图4），浅地层面资料中受绕射影响较大，大部分的海底反射均被绕射波所覆盖，仅在沙丘顶部可表现出真实的海底、相对而言，多波束测深系统所获取的沙丘形态特征更为准确、可靠。

图4 水下沙丘浅地层剖面和水深地形调查成果的综合对比

四、电火花中地层剖面声学假象

     ⒈原因分析

     电火花剖面仪主要分为震源箱、电极架和水听器等几个部分，通过高压放电作为震源，水听器接收反射回波，形成地层剖面资料。由于水听器不具备指向性，因此对于水体中所有方向的反射全部接收，如侧向回波、直达波、多次波、地层反射波等信息会被记录下来。这种模式在一般的开阔海域不会有太大问题，但在较多已建设施的区域，容易出现声学假象。

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     ⒉实例解析

    2021年，在中国南海某已建平台附近水深约90m的海域，作者团队使用船载AAE电火花中地层剖面仪进行了调查。根据电火花剖面分析，调查区域内存在异常反射区，其内部呈“烟卤状”，但对下部地层不存在明显的遮蔽作用。按照常规解释方法，该特征与浅层气特征具有一定的相似性，然而在综合解释过程中有2种非常规律的特征比较特别（图5，图6）：首先，离已建平台越近，异常反射的顶部埋深（海底以下)就越浅，反射信息也越丰富，且其顶部埋深和已建平台的水平距离几乎相同；其次，所有异常反射的平面位置均位于已建平台到测线的垂足位置。

 图5 已建平台附近的电火花地层剖面

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图6 异常反射深度与测线距离平台的关系

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     根据多条测线和多种调查设备的综合解释，分析认为该异常反射为已建平台的水平直达回波，是由于导管架平台的反射波被电火花水听器接收所产生的声学假象。按照位置关系有规律地记录在不同剖面中，对真实地层反射信息形成一定程度的干扰，距离平台越远，干扰越小，直至消失。在有些调查区，常常遇到仅在一两条测线上发现此类现象而无法确定其性质的情况，这就需要结合多波束测深资料、侧扫声呐资料进行综合分析，如果经验认识不够，就可能解释为浅层气、管道泄漏等，得到错误的认识，对后续工程设计施工增加额外的影响因素。

五、结论

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     本文结合实际的工程勘察资料，分析出多波束测深、浅地层面、电火花剖面资料中均可能会存在声学假象，并对3类声学假象的形成原因、呈现规律、声学反射特征等进行了研究分析，对实际海洋工程勘察资料中的声学假象从声学原理角度给予支持。

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     ⑴研究发现，通常海底管道及结构物、平台导管架、沙波沙丘、硬质海底、珊瑚礁、陡坎、深沟、断裂等均可能产生绕射，各种声学假象虽然表现形式各有不同，但均基于声学也受限于声学反射原理。

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     ⑵工程勘察作业前期应做好工区环境、海底设施、背景资料等研究，后期综合利用水深地形、海底地貌、地层剖面的相互印证解释，可以有效提高对于声学假象的识别能力。

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文章来源| 文章来自《工程地球物理学报》（2023年第3期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流。由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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