在海上油气资源开发、海底管道线缆规划、海上航道锚地扫测、桥梁架设等海上工程项目中，经常存在如沉船、礁石、管线、残留物等影响工程项目的施工。这些障碍物需要在设计施工前进行扫测，摸清障碍物的类型和分布，采取有效的措施进行规避或清除。目前，海底障碍物探测的手段有很多，包括单多波束、声呐、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工潜水探摸等。每一种探测方法都存在优点和不足，单纯依靠一种方法无法对障碍物进行全面的探测，通常做法是根据区域特点综合多种手段实施作业的。但前述这些方法中大多数都是针对表层障碍物，只有浅地层剖面法可以开展浅地层内的障碍物探测。
基于原理和目标的不同，浅地层剖面法对障碍物的探测有着相对特殊的应用方法。近年来，一种以非线性为原理的新型浅地层剖面仪，德国Innomar公司经过十年的不断理论研究和技术创新，推出了新一代的参量阵浅地层剖面系统SES2000系列，即SES-2000标准浅地层剖面仪，是目前应用最为广泛、分辨率最高的海底管线剖面测量系统，已得到众多专业海洋测绘勘察机构认可，在众多工程中得到了广泛应用。本文简要概述了该设备的工作原理、工作优势及基本配置参数，并以渤海某海域锚地障碍物扫测和唐山港某海域海底管线埋深扫测两个实例进行了应用效果分析，获取的基础数据为海底浅地层障碍物的识别和处理提供科学依据和技术支持。
⒈工作原理
参量阵浅地层剖面仪是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具，其工作原理与测深仪相同。它采用了参量阵SBP探测技术，是根据声学原理进行海洋地质物理调查的方法，在测量船的侧舷垂直固定安装浅地层剖面仪换能器，向海底发射不同频率的声波，以穿透海底浅地层，接收反射信号形成地层的模拟图像，找到地层中目标物。SES-2000标准浅地层剖面仪由甲板单元、带收发单元、信号处理单元和数据采集工作站四部分组成，换能器向海底发射高压声波，声波非线性声传播变形产生泛音效应。当至少两个频率的声波同时发射时，二者相互作用产生新的频率可以穿透海底，声波遇到海底地层界面时产生反射信号，经收发机接收处理绘制成海底地层剖面图像。
参数阵列浅层剖面仪主要用于穿透海底沉积物和探测海底沉积物结构，可以保持高频脉冲信号的波束角不变。针对深水作业，横向分辨率高于Chirp浅地层剖面仪。如图1所示，参量阵列浅层地层剖面仪在高压环境中向同一方向发射两个频率相近的初级高频初始声波信号（A1、A2）。在通过水体时，可以产生许多变换的频率，其中一个高频主频（A1）用于探测海水水深，两个主频高频之间的差频更具穿透力，用于探测海底浅层地层的内部结构。与线性浅地层剖面仪相比，参数阵列浅地层剖面仪发出的脉冲低频声波尖锐，脉冲宽度更短，脉冲频率更高，图像信号分辨率更好；因此，波束方向性较好，在信噪比较低的情况下，尖锐的脉冲声波信号更容易区分和提取海底浅层的障碍物信息，可以显示地层中障碍物界面的轻微变化。
参量阵浅地层剖面仪扫测是在同一剖面上能快速不间断地进行扫描探测，对于有一定规模的障碍物的探测，无论其是否有掩护，探测效果都较好，一般常用浅地层剖面法探测障碍物以提供准确的平面位置及埋深。
图1 参量阵浅剖仪采集过程声学信号
⒉工作优势
SES-2000浅地层剖面仪实物如图2所示，它在硬件、软件及性能上有很多优势。硬件优势。参量阵浅地层剖面仪以SES-2000标准浅地层剖面仪为代表，具有以下特点优势：①系统高度集成、安装轻便。参量阵系统采用一体化设计，结构稳固轻便、携带和安装容易。②操作安全。换能器通过杆子直接固定在船舷旁，安装回收便捷安全。③扫测效率提高,仪器系统可在半个小时内完成安装、调试和开始工作，作业效率高。④节约成本。测量实施对船只的要求较低，租用小渔船即可实施水上扫测作业。
图2 SES-2000标准浅地层剖面仪实物图
⒋性能优势
①高精度。系统对于所有频段（5，6，8，10，12，15，100kHz）波束发射角均只有±1.8°，因此可获得比线性系统及chirp系统高很多的横向分辨率，海底的细微变化也能检测。广泛用于海底管线等的探测。②定位准确。GPS天线直接安装在换能器上方，测量结果与定位信息直接对应，不需要计算偏移，避免了拖鱼水下定位不准的问题。③高分辨率。在低频段带宽高，波束角窄，参量阵系统可获得很好的分辨率，相反线性系统受此影响很大，因此参量阵系统在勘测近底层及海底表层物体的检测时，效果要比线性系统好很多。④混浊水域。波束角窄使参量阵系统可用于混浊的水域，例如，在疏浚水域，若使用线性系统，由于只能使用低频（7KHz～12KHz），很难找到真正的海底，无法完成海洋测绘工程，使用参量阵系统则可轻松完成扫测作业。
⒌数据处理
SES-2000浅地层剖面仪数据处理使用的ISE2.0后处理软件，软件可以对外业采集的水深和地层数据进行回放和处理，可以实现管线标记、地层分层提取、海底钻孔资料插入、图层的转换、海底层厚及土方量的计算等，根据不同工程项目和技术要求，对海底浅地层信息进行提取分析。ISE可以处理外业采集的两种格式数据，一种为RAW格式的原始数据，一种为定义预处理后的SES格式的数据，该数据格式可转为标准文件格式，可以在第三方软件显示处理。在海洋测绘工程中，SES格式文件常用于地层划分、水深提取及海底地层厚度的计算。RAW文件常用于管线的查找、标定、计算及海底浅地层障碍物的查找。后处理软件ISE只能加载身采集的RAW格式和SES格式的数据。
如图3所示，内业处理软件加载的SES格式数据，对海底浅地层进行分层处理，数据处理流程与一般的声学剖面资料基本相同，通过设置频带宽门限、调整时变增益、去除水体噪声、调整压缩比和平滑等参数，在高频和低频下，可以分别读取水深和海底地质数据。
⒈渤海某海域锚地障碍物扫测
在渤海某海域锚地，该区域可能会存在的沉船、回填石等物体都已经被埋藏，无法确定具体位置，对区域内海底浅地层障碍物的探测，可以保障港口建设与规划，资源的安全有效的开发利用。这种探测往往无法精准确定障碍物的类型、埋藏状态和大致范围，所以只能对整个区域按照较小比例布线施测，然后对疑似障碍物进行加密探测，最后通过人工探摸、打捞等方式进行验证。本次测量使用的SES-2000标准浅地层剖面仪换能器安装在测量船的左舷，浅地层剖面仪换能器杆顶部固定安装定位仪器GPS，MRU3姿态传感器安装在测量船的中轴线左右。建立船体坐标系，参考点为换能器安装杆与水面交点，测量船右舷方向为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，量取各传感器相对于参考点的位置，往返各量1次，取其中值。各传感器的相对位置如图4所示。
测量作业时，使用HemispereR110型DGPS接收机输出导航和定位数据，采用《HYPACK2017》导航测量软件进行测线导航和航迹线数据采集，定位数据的采样间隔设置为1s，使用SESWIN采集软件进行剖面数据采集。使用ISE后软件对地层剖面数据进行标定、分层处理，测量时同步观测潮位数据和声速剖面数据，精确求取第一海底线和深埋物的绝对深度，标定出地质异常区域位置。
图4 浅地层剖面仪安装示意图
海底以下常存在浅层埋藏物，如硬质、强反射物或管道等。在扫测的锚地内主要发现的埋藏物为硬质或强反射物。硬质或强反射物密度比海底沉积物大，声波在硬质或强反射物中传播的速度也高于在海底沉积物中传播速度，如图5（a）所示，硬质或强反射物在剖面图上有明显的反射特征，掩埋状态的硬质或强反射物其反射能量比周围的海底沉积物强。当埋深很浅时，海底面的反射会和硬质或强反射物的反射产生叠加干扰；当海底为砂质海底时，海底界面的反射有可能比硬质或强反射物的反射强，在剖面记录中的绕射弧下方被海底面的反射覆盖而不易被识别。该强反射物埋藏深度在1.5m左右，目标物较小，定位标定、打捞清理难度较大。当反射物处于半裸露状态，在海底裸露较多时，绕射弧范围较大；裸露较少时，绕射范围很小；强反射物的反射强度有可能比海底界面反射强度弱，如图5（c）所示在剖面图像中只能显示出反射较强的硬质或强反射物绕射弧部分。根据剖面上海底浅层部分有明显的断层的及遇障碍物呈现不规则近似双曲线的绕射弧特点，可以作出判定。硬质或强反射物在浅地层剖面图像上有绕射弧特征和脊状特征，如图5（b）所示，裸露状态的硬质或强反射物的绕射弧呈现出中间强度高、两侧强度低、强度由上而逐渐减弱的特点。
图5 海底埋藏物特征图
⒉唐山港某海域海底管线埋深扫测
航道疏浚、码头施工等水运工程建设项目常会遭遇管线路由这类障碍物，管线经常会横贯整个施工区域。一旦破坏必然造成十分严重的经济损失和安全事故。设计施工前对管线路由的探测就显得很重要，绝大部分管线是埋藏于海底以下，这就需要使用到浅剖仪得到准确的位置和埋深，规避风险，保证工程安全。本测试在渤海附近海域对路由管线进行了探测，如图6所示，垂直于管线方向布设计划测线，测线间距50m，测量船速时，采用低船速、匀速直线航行的方法测量时船速保持在3km～5kn，匀速通过整个测量区域。
仪器通过舷侧悬挂安装在常规测量船上。为了完成测量任务，浅地层剖面仪的使用还需要姿态传感器对船舶的水平和垂直运动进行数据补偿，GPS提供卫星定位和导航数据。在实际工作中，应根据测量海域的水深、土壤质量和海底管道特性等各种因素选择合适的仪器类型和测量参数。
图6 垂直于管线方向测线布设示意图
本次测量的任务是测量管道在海底浅地层中的状态，并在运行前对设备进行系统的测试和校准。声波频率设置在12kHz左右，可以完全穿透管道的埋深。由于人为和自然因素的影响，管道的赋存状态已由正常的埋深深度变为浅、裸露甚至悬空。管道的暴露对海上石油安全生产产生负面影响，存在隐患，需要准确了解管道的发生状态。海底管道等水平圆柱状体的图像表现特征呈抛物线状，即管道在剖面特征图像为燕尾状的抛物线。可以从管道反射的抛物线顶部到海床的距离确定管道的埋藏状态和深度。如图7（a）所示，根据管线反射的特征，对管线疑似信号进行标定处理，并记录埋藏管线的位置、埋深等信息。从图7（a）中可看出，管道在25m水深和0.5m左右埋地水深处反射信号较强。数据再现图像清晰地显示管道回波信号形成抛物线反射模拟信号，抛物线顶部为管道顶部，后处理软件可准确计算管道深度。结合DGPS导航定位，可同时确定管道平面位置。所有管道位置信息都在软件GIS模块中调整和显示。如图7（b）所示，将提取管线信确定各采样点管线坐标、管线姿态以及埋深等信息汇总显示在GIS模块中，可以看到较为完整的管线缩略图，形象的展示管线的概位和走向。
海洋测绘工程中对障碍物探测的手段比较多，通常都是采用几种方式综合应用的。本文通过参量阵浅地层剖面探测技术在渤海某海域锚地障碍物扫测和唐山港海底埋藏管线扫测测试两个典型实例，对SES-2000浅地层剖面仪合理地进行安装，根据海域条件合理的设置采集参数，SESWIN软件对海底底层剖面数据采集，可获取在百余米海域水深数据及1m左右埋深较高分辨率海底障碍物剖面图像。ISE2.0后处理软件对采集数据进行地质声速校正、潮位改正、增益降噪，可以得到定位精准、分辨率高、定位精确、标定合理的数据；同时对获取的障碍物剖面数据，通过分析识别障碍物反射特征，反射弧的数量、形态及表现特征综合识别海底障碍物的状态，应用在实际工程案例中得到了有效的验证。
当然现阶段参量阵浅地层浅剖仪对障碍物的探测还存在不足，一是图像干扰较多，许多自然地质现象和噪声会造成误判；二是剖面图像呈现不直观，大多情况下只能定量的判断，很难判断障碍物属性，特别是形状、类型、大小、状态等，还需要进行人工验证。对于浅地层障碍物探测，可在浅地层剖面探测方法的基础上结合单多波束探测、侧扫声呐探测、磁力探测等方法进行综合扫测，以适应各种不同的探测环境。未来随着技术进步和应用的积累，特别是规范整个探测流程和标准，参量阵浅地层剖面仪在探测浅地层障碍物的应用势必会更加准确，更加广泛。
