几种探测方法在海洋地形测绘中的应用 -海洋探测器种类大全

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随着海洋大开发战略的深入实施，对海上地形地貌的勘察测绘成为一项十分重要的基础性工作。即通过物探技术、水深测量技术、地形测绘技术等手段，准确获取被测绘区域的海洋地形地貌信息，为海洋工程建设和海洋资源的利用和保护提供数据支撑。目前，用于海上地形勘察测绘的技术方法多样，如浅地层剖面探测、侧扫声呐探测、单道地震勘探、多波束水深测量等，不同探测方法采用的技术原理不同，应用目的不同，在海洋地形勘察测绘中如何综合应用各类探测方法的技术优势，全面地探测海洋地形地貌，是当前的研究热点。本文在综合分析各类探测方法的基础上，以实际工程应用为例，分析了4种探测方法的技术特点、作业方法、探测内容以及勘测成果，充分展示了几种探测方法的技术特性和应用领域，为海洋地形勘测应用提供参考。

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一、探测技术

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⒈多波束测深系统

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多波束测深系统是海洋调查活动中应用最广泛的探测技术之一。其工作原理是利用船基等载体，通过发射换能器阵列向海底发射声波，通过接收换能器基阵对海底回波进行接收，形成对海底地形的照射，再由声速公式计算得到海底水深值，同时结合导航定位系统获得探测点时刻的位置坐标，最终确定海底的三维位置信息。多波束测深系统的接收阵可以同时接收成百上千个特定方向上的回波，也就是说，一次测量就可以获得成百上千个位置的水深值，具有覆盖范围大、分辨率高、精度高、效率高等特点。

⒉侧扫声呐探测技术

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侧扫声呐工作原理是利用回声测深原理来探测海底地貌和水下物体，其根据海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。侧扫声呐通常安装在拖体上，其到海底面的距离是可以调节的，作业时向两侧发送宽角度声波波束，可以覆盖海底大面积区域，通常单侧每个条带探测宽度可以达到数十米到数百米，然后接收海底返回的背散射数据对海底进行成像，能直观地提供海底形态的声成像。与多波束水深测量技术相比，侧扫声呐不能准确给出海底的深度，横向分辨率取决于声呐阵的水平角宽。侧扫声呐适合做大面积测量，多波束水深探测适合于确定对象的精细测量。

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⒊浅地层剖面探测技术

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浅地层剖面探测主要应用了地层剖面探测技术。该技术是在回声测深技术的基础上发展起来的，其利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测水底地层剖面。声波信号能够通过水体穿透床底后继续向底床更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况。浅地层剖面探测是地层界面之间声波阻抗的反映，能够直观反映松散层结构特征。

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由于地层的密度和软硬程度不同，换能器接受的声波反射能力也不同，在浅剖探测图谱上可解译地层的分层情况，结合钻孔资料，可确定声学界面所对应的地质界面，从而划分出不同的地层。浅地层剖面探测在地层分辨率和地层穿透深度方面有较高的性能，以声学剖面图形反映浅地层组织结构，能够经济高效地探测海底浅地层剖面结构和构造。相对于钻孔资料，浅剖资料具有横向连续性，可以弥补钻孔资料的不足，更能准确反映地层的发育特征。

⒋单道地震勘探技术

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单道地震勘探技术工作原理是利用水声学技术，通过向海底发射不同频率的震源信号获得反射波，根据波阻抗的差异即可定位各声学特征界面，最后再通过数据显示和处理系统输出为能够反映海底各地层声学特征的地震记录剖面。利用单道地震可以探测水下中浅部地层结构和构造，获得反映海底地层结构的地震记录剖面，为海洋开发利用提供数据支撑。同时结合钻探、重力、磁力等资料，可以分析识别海底地质结构，判断潜在的地质灾害因素。

二、工程应用实例分析

广东湛江某海域新建海上风力发电厂，用海面积在110km2左右，距离陆地最近距离约10km，初步探测海域水深在20～40m范围。本次工程勘测内容主要为海域地貌调查、海底地层探测。结合已收集的前期地质资料、地球物理资料及相关工程经验，主要采用侧扫声呐、多波束水深测量、浅地层剖面和单道地震等四种勘测手段进行综合勘测，为风电场规划设计提供翔实的基础支撑数据。

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首先对调查范围内进行全域的多波束水深测量水深测量和侧扫声呐扫测，以获得整个海域的地形地貌；针对海域地貌的调查，结合浅地层剖面探测和钻探取样成果对侧扫声呐探测资料进行解释，判读海底面状况、分析海底微地貌、识别和定位海底障碍物；最后采用单道地震探测，结合钻探资料并参考浅地层剖面资料对单道地震资料进行解释，获得海底以下不同深度范围内的地层变化情况，确定各层序的地质特征和工程特性；识别滑坡、塌陷、断层、侵蚀沟槽等不良地质现象，并确定其性质、形态、大小及分布范围。

⒈多波束水深测量

多波束测量使用ResonT50P型浅水多波束测深系统，多波束换能器固定安装于船左舷中间环境噪声较低且不容易产生气泡位置，罗经姿态传感器安装于船舱内平行于测量船轴线；GPS天线尽量安装在靠近多波束换能器并且比较开阔的位置。在测区范围内选择地形起伏区域布设4条井字形校正测线进行校正。现场调查期间，每天进行早中晚3次声速剖面测量，供后续处理动态改正。多波束设备安装完成后，需要对多波束的探头安装姿态进行校正，根据多波束校正的标准程序进行各项指标的校正工作，把所有的姿态修正值输入到多波束系统中去。波束全覆盖测量中，测量船保持5km船速匀速直线航行，测量的同时记录多波束数据采集班报表。本次测量检查线总长度达到全部测线长度的5%，测线间条幅重叠率大大满足规范要求。

多波束水深数据采用Caris HIPSand SIPS软件进行处理，处理流程为编辑船配置文件、进行声速改正、进行潮位改正、数据合并、定义现场地图、生成网格化水深地形曲面、数据检测、成果数据输出等内容。

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⒉侧扫声呐探测

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侧扫声呐测量使用Klein3900侧扫声呐系统，Klein3900的参数设置主要是拖鱼入水深度和工作频率的选择。正式测量之前，对侧扫声呐系统进行状态调试和入水安全性检验。主要内容包括拖鱼入水深度、作业模式的选定、信号的发射与接收、增益、TVG调节等，并根据水深的变化实时调整量程及拖缆长度。为保证拖鱼入水后随船体平稳前行，拖鱼入水15～25m。工作频率选用单频445kHz，幅宽最大可达200m，增益根据实际图像显示情况进行调整，沿测线平行走航扫测，扫测时调查船尽可能保持直线匀速行驶，换线时大角度提前上线。侧扫数据处理使用Sonarwiz软件，利用回放功能实时镶嵌，并对海底面进行跟踪和斜距校正、速度校正，调整增益、对比度等参数，最后成图导出，如图1所示。从镶嵌图上可以看出，整体上该海域的地貌类型较为单一，均为平坦海底面，底面沙波不发育，偶尔见有沟槽、划痕、渔网。

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图1 侧扫声呐镶嵌图

⒊浅地层剖面探测

浅地层剖面采用ChirpIII浅地层剖面仪，浅剖换能器基阵安装于船舷中部外侧，主机安装于驾驶室，DGPS天线置于换能器正上方。为减小系统误差和时间延长，需要对天线位置进行归算，对浅地层剖面仪与导航定位系统之间进行时钟同步。根据场址区地形地貌和地层结构特点，选择适合的激发间隔、脉宽和增益参数进行对比分析，达到满足要求的垂向分辨率和穿透深度及各项增益参数。仪器试验中，采用不同的激发间隔采集数据进行比较。在穿透深度一定的情况下，选择较小的脉宽，能获得垂向分辨率较好的地层图像。由于本次浅地层剖面探测主要目的是对浅地层中的管线进行调查，综合考虑浅剖探测目的和穿透深度、垂向分辨率的要求，采用63ms作为激发间隔，剖面分辨率较高，信噪比较好，能够清晰反映浅部地层分层，而且能达到管线排查的目的。

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采用Sonarwiz5和Triton浅剖处理软件，处理手段包括水位改正、噪声压制、振幅控制等。利用Vista11进行频谱分析，确定船体和波浪等引起的噪声频率，利用带通滤波，提高信噪比，加强有效地层信息。某测线时间分层及对应地层解释如图2所示，结合地质、钻孔资料详细解释如下：第一物性层内部反射结构为席状反射，沉积环境相对稳定，层厚由南向北逐渐变厚，以黏土为主；第二物性层为整条测线范围内横向上地层有一定变化，测线南侧层内发育视倾向北的楔状层理，北侧则不发育，为黏土、粉砂互层；第三物性层由于声波信号穿透深度有限，该层未见底，为粉砂层。

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图2 测线时间分层及对应地层解释

⒋单道地震探测

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单道地震探测选用法国产SIG电火花震源，发射单元电极为SIG EDL1020，是鱼骨状、呈平面放电电极板，最大发射功率2000J，其利用高压在水中放电产生的热能，使周围的海水汽化产生巨大冲击力，激发出地震信号，适用于较深水区域。由装在特制塑料管中的压电晶体接收地震反射波，主频80Hz，道距4m，道数24道，每道由4个水听器组合构成，频率响应范围10～10000Hz，声压灵敏度90dB。采用sonarwiz软件记录数据。单道地震资料解释应结合钻孔资料，在时间剖面图上找出具有振幅较强、同相轴连续性较好、可在整个场址区追踪的反射层作为解释的标准层。根据各测线地震时间剖面图，进行有效波的相位对比和同相轴连续追踪。

场址区单道地震成果显示海底0～100m范围内存在三组连续性好、同相轴清晰的反射相位。浅部反射相位较为平缓，同相轴基本可以连续追踪，深部反射相位略有起伏，局部有绕射和分叉现象。根据反射相位的波形特征，将物性层划分为3层。T0：反射能量强，连续性好，由一个同相轴构成，全区可见，为海底反映；T1：反射能量强，连续性好，全区可见，推测为粉质黏土与砂层的分界面；T2：反射能量较强，连续性好，全区基本可见，推测为砂层与基岩的分界面。具体如图3所示。

图3 单道地震剖面时间分层

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三、结束语

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在收集和分析以往勘测资料的基础上，结合本次勘测成果，分析得出合理的探测结论。大部分地区属于平坦海底面，未发现大范围基岩出露，海底常见有沟槽分布，部分地区见沙波发育，呈零星分布，未发现特殊微地貌单元，未发现沉船、管线等大型障碍物。局部地区发现海底面有隆起，推测为岩石，呈零星分布。通过本次调查，获得了测区海域的地形地貌特征。海洋地形复杂多样，充满未知，综合利用侧扫声呐、浅地层剖面、海洋磁法和单道地震4种物探勘测方法，可有效地增强不同观测数据的互补性、资料解释的互印性，提高成果资料的可靠性。研究内容为相关工程应用提供了参考。

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信息来源 |文章来自《测绘与空间地理信息》（2023年第6期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有。

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