海底探测技术

单波束（海底识别海底反射波强度，反射波振幅大小，振幅检测）

1.定义：一次发射只能获得1个水底水深数据的回声测量设备。

单波束：震源和接收（测深仪换能器）、记录仪（包括数字记录和模拟记录）2.测量时水深（H）=h+h1（吃水）——换能器入水深度

3.吃水

（1）静吃水

（2）动吃水：真正对测深产生影响的吃水。其值随船相对水体运动速度的不同而变化4.校准后实测水深数据+潮位改正

（1）吃水校准：相当于静校正的炮点深度；（2）波浪校准：相当于静校正的地形（3）声速校准：H=H-h=(b/a-1)h+(1-b/a)c；（4）坡度修正

（1）潮位观测+实时潮位修正

5.水深测量的工作程序

（1）测深仪器的安装：要求是使动吃水与静吃水的数值基本吻合。

①观察不同船速下测量船不同位置吃水变化；

②在变化最小处安装测声仪换能器。

（2）测深实施原则及注意事项

1）测线布设的依据：

①垂直于水深等深线：垂直岸线，常理上，距海岸越远水深越大

②垂直于构造线走向：板块构造形成的地质体基本平行海岸分布

垂直控制地形地貌地质体走向布设测线（可控制地形的连续变化）

③设计多条相互平行的、等间距测线时，测线间隔是图上1cm的实际距离

④测线的名字应包括任务代号—测区—航次号—测线组名—测线名

⑤检查测线：检查测线的方向垂直于主测线方向，检查测线的总长度是主测线总长度的5~10%。

⑥测深精度：主测线与检测线间的测深之差。

在同一套工作系统下，30m以浅测深误差小于0.3m；30m以深测深误差小于水深的1%。

在另一套工作系统下（不同的人员、设备），测量误差可以为其两倍。

统计所有的交叉点水深差值，超限的点数小于15%，测绘合格

⑦偏航距：最大偏航距离不能大于图上的2mm。

当比例尺允许的偏航距大于20m时，规定为20m以内！

2）位置确定：经纬度或平面坐标

3）验潮站布设的原则：

近岸水深测量（距岸20km以内），验潮站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足1、最大潮高差不大于1m；2、最大潮时差不大于2h；3、潮汐性质基本相同。对于潮高差和潮时差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站。

距岸20km以外采用预报潮位。

方法：

①分析测区是否需要现场验潮；②了解海域潮汐性质，不同潮汐性质区分设验潮站；

③了解在同一潮汐性质的海域，其最大潮差、潮时的差异性，在超出原则要求的区域分别设

4）水体声速的获得：声波测量水深的前提是水体声速横向相同。近岸若有径流的注入，使这一前提不存在，必须增加声速测站！

①实测法：声速剖面仪

②计算法：用CTD测量温、盐、静压力，代入经验公式计算

③比对法：

5）测深仪的吃水：动吃水的值随着船相对于水体运动速度的不同而变化。

（3）实测水深数据的校正：

①吃水校正；②波浪校准：涌浪滤波

③水体声速影响校正：制作校正曲线，实测水深=记录图谱读数+声速校准深度

④坡度校准：由于波的偏移效应，记录的海底坡度小于真实的海底坡度。

校正公式：Sin∠2=tan∠1（∠2表示真实坡度角）

⑤潮位校正：在潮位观测的数据上，相对于测深基准面，进行实测潮位的修正

（4）室内数据处理：坏点修正→水深数据读取→实测数据校准→潮位校正→测深精度评估→成图

侧扫声呐

1.定义：通过向侧方发射声波来探知水体、海面、海底（上部地层）声学结构和介质性质的仪器设备。（主要用于地质调查研究，可用于海底寻物）

2.设备构成

（1）拖体（换能器和水听器集合）：

·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；

·具有极小的水平波束角（0.5-1.5度），提高探测的分辩率——局部强振幅区；

·具有较大的垂向波束角（32度左右），扩大覆盖宽度；——波形水平方向窄，垂直方向宽·具有较高的工作频率（几十KHz——几千KHz），分辩率高

·水体对波的吸收少，防止泥面下地层回波的干扰

（2）主机（3）电缆

（4）记录仪（双通道）：还有单通道，多通道

反射波强度放大调节旋钮gain和TVG，使均匀海底的声呐图像灰度一致。

3.图谱内容

3.被探测物体或地质体参数的判定及标示

（1）量程及海底覆盖宽度：

·量程：自发射到再次发射这段时间里，反射波能达到的最远距离。（与发射间隔水体声速有关）·覆盖宽度：声呐探测到海底实际宽度称为覆盖宽度（与发射间隔，水体声速，拖体高度有关）·斜率校正

（2）拖体位置校正——DGPS

（3）目标物参数判别

4.假波识别：绕射波，量程外强反射被接收，镜像，多次反射和目标物之间的多次

5.分辨率：能分辨出两个相邻物体的最小间距（声阻抗与周围环境的有明显的差异）。

·影响分辨率的因素主要为：探测声波的频率和水平发射角。

6.可识辨率：

（1）在声呐探测显示设备上或模拟记录上（记录图谱），肉眼所能分辨出的最小物体（声阻抗与周围环境的有明显的差异）尺寸。

（2）主要影响因素：设备的分辨率、采样率，单位长度上的炮点数量、显示或记录设备的像素情况，甚至显示桌面或记录图谱的大小等。

（3）目标物与周围环境的差异性；目标物在声呐记录中的大小

·越靠近声呐拖体（近程端），目标物占据角能量越大，探测回波越强。

·声呐拖体高度越大（距海底的距离越远），目标物，被记录的时间越短

·越远离声呐拖体（远程端），目标物，被记录的时间段越长。

·声呐量程越小，目标物被记录时间相对较长

（4）横向大小：

·与目标物本身横向大小有关；声呐量程有关；

·声呐拖体高度有关；目标物在声呐海底覆盖区中的位置有关。

（5）纵向大小

·目标物大小；取决于单位海底长度上，探测炮点的数量；

·声呐水平发射角；目标物在声呐海底覆盖区的位置

（5）增强可识辨型方法

·探测目标最好位于声呐海底覆盖区，近声呐段1/3-2/3区域；

·调查船速越慢越好；声呐量程越小越好；声呐工作频率越高越好（在环境允许情况下）

·拖体高度为单侧量程的10%-15%。

7.工作方法：

（1）工作目的的确定：地质调查、特殊现象探查、物体寻找

（2）明确技术要求

（3）明确探测规范：地质调查有国家规范、行业规范和业主下达的技术要求

（4）设备的选型：侧扫声呐选型：依据探测要求和工作区域环境情况

定位设备选型：依据定位精度要求

（5）测线的布设：

设计的依据：工作目的、设备情况、海底情况、水深情况、水体浑浊度、调查区形态等

设计的原则：实现目的要求、满足规程、高效、易操作。

设计的内容：测线方向、测线数目、测线间距

（6）拖曳方式的选择：

影响因素：①拖体高度：在最大探测量程固定的条件下，拖体高度越大，海底覆盖宽度越小；声呐有效信号所占比例越小；目标可识辨性越差。规范规定：拖体高度为声呐单侧量程的10%-15% （7）船速的控制——侧扫声呐保持匀速直线运动

船速越低，炮点密度越大，探测分辨率越高。一般正常船速4~6节。

（8）定位点间距的选择：对于GPS信号未接入声呐的老设备，根据调查比例尺，图上1cm，有一个定位点。方法：定标器法（MARK盒），

（9）声速的确定：一般以水体垂直声速的平均值为准，输入声呐设备中

（10）图谱的识别

（11）被探测物体或地质体参数的判定分析：

量程、覆盖及斜率校正

拖体位置校正：在声呐拖缆较短情况下，可通过缆线长度、海流流向判定；水深较大，电缆长度较长时，声呐拖体需要超短基线或长基线定位。

（12）地质现象的解译

多波束（单波束不够精细，在不增加工作量的前提下得到丰富数据）

1.定义：同时探测水底多个位置不同点的水深值的探测系统。

得到垂直航向的水底条带多个点的数据

2.构成：

（1）多波束主体设备：

①发射阵——多波束探头（换能器）：一次发射在海底形成多波束条带

②接收阵——发射接收工作站：通过接受将海底回波分为多个小区（脚印），通过接收阵检波器的组合可形成多个脚印相互交叠的波束。

（2）外围设备：

①后处理工作站②电罗经：指明多波束中轴线方向的设备

③运动传感器：探知实时多波束的姿态，实时校正多波束换能器的运动

④水体声速计：水体声速影响水深、探测位置，水体声速必须是剖面曲线非平均声速

水体声速测量设备：CTD或声速剖面仪。

（②③合称为：光纤罗经）

3.分类

（1）物理多波束：发射的每个波束都是独立的物理存在的换能器，海底振幅检测

（2）相干声呐：海底相位检测

（3）电子多波束：波束形成是换能器阵上多个点震源声波叠加，非每个波数对应独立换能器覆盖宽度两倍水深：振幅检测，大于两倍水深：振幅+相位检测；

覆盖宽度小于八倍水深

物理多波束电子多波束相干声呐

发射换能器组成多个换能器阵一个或二个换能器阵二个换能器阵

发射探测波束数量少（一般小

于5个）波束为后期形成，波束多，一般大于

90个

球面波无具体波束

海底检测方法振幅检测振幅检测+相位检测或仅有振幅检测相位检测

海底覆盖宽度小（一般小于水

深的两倍）仅有振幅检测的小于水深的两倍；振

幅检测+相位检测小于水深的8倍

可达水深的10倍以上

脚印大小有有仅有声呐水平波束角

测点分布物理换能器决定正下方测点多边缘波束少测点可无限但正下方无准

确测点

测深精度精度高正下方精度高，边缘精度低边缘精度低，正下方无测

点，30～50度角度区精度

高

适宜工区河道测量全海深距水底小于50m水深地形

相对简单的海区

4.描述参数

（1）多波束类型（2）多波束工作频率（3）最大覆盖宽度（4）脚印大小（5）波束数

5.工作原理

（1）震源与接收系统（震源和接收阵相互垂直）

震源：压电换能器震源

·一次发射在海底形成多波束条带，纵向（航迹方向）脚印大小单位为度，宽度角越小越好，接收：接收换能器

·通过接收将海底回拨分为多个小区，横向（垂直航迹方向）脚印大小单位为度

·多波束脚印大小=纵向脚印×横向脚印;

·通过接收阵的组合可形成多个脚印相互交叠的波束

·脚印：波束在海底覆盖区域

（3）海底覆盖宽度

·最大覆盖宽度：覆盖角可达210°，浅水大，深水小，最大覆盖宽度小于设备标称

·决定覆盖宽度的因素：仪器发射覆盖角大小，边缘波束探测精度，覆盖宽度不随水深增大而增大存在极值（声波在传播过程中有能量损失），海底表层沉积物声阻抗（反射波越强，边缘波束探测到的可能性越大，覆盖宽度越大），水文及背景噪音的影响

（4）测深

·振幅检测：根据海底回拨振幅和波束与垂向夹角，探知海底位置

·优点：精度高，探头下数据密集；缺点：覆盖宽度小（小于2h）

·较远海区：相位检测

5.多波束水深测量的工作程序：

（1）设备选型：深水多波束系统（＞4000m，12-30KHz，固定于船底），中水多波束系统（30-70KHz，固定于船底），浅水多波束系统（＜300m，＞180KHz，移动安装）

·浅水多波束不用于深水测量：海底覆盖宽度不足，海底探测点数不够

·深水多波束不用于浅水测量：低频对松软海底有穿透数据不准

（2）多波束的安装与安装测量

①换能器:多波束安装于船首至船长1/3区段②定位系统

③运动传感器：股停在船舶震动较小的位置④电罗经：震动较小，轴面尽可能与船轴面平行

⑤多波束系统各组合单元位置关系测量：以船舶横向、纵向及平均吃水线交点处设置坐标原点。（建立独立多波束系统）

（3）多波束的安装校准工作

①横摇校准：选择平坦的海区，以相同的船速往返测量重合的测线，计算橫摇角度

②纵倾校准：选择有突起的海区，以相同的船速往返测量重合的测线

③首偏校准：多波束与电罗经轴夹角。

选择有特殊目标物的海区，以相同的船速沿目标物两侧同向测量两条平行的测线。

④时间延迟校准：选择倾斜的海区，分别以慢速和快速沿垂直等深线的一条测线探测，根据测得的海底地形获得系统的时间延迟。最新的多波束系统增加了数据传输标定系统，故无需时间延迟校准。

⑤多波束探头的吃水校正

（4）多波束测深实施原则及注意事项

①多波束测线方向平行水深等值线；②测线间距必须保证测线间有至少10％的重复覆盖

③每天至少一次水体声速校准（并实时监察声速曲线的有效性）④船舶吃水变化校正；

⑤做好班报记录及数据备份工作

（5）多波束测深数据处理

回放原始数据文件→导航数据改正→数据清理→吃水校正→潮位校正→离散数据→网格化→滤波处理→绘图→水深地形图

（6）多波束测深精度评估

水体声速测站、区块多波束覆盖图、主测线与检查线交点精度检查

规程中要求“测深误差值为水深值的±1%”

浅地层剖面仪

1.剖面仪定义：探知介质垂向结构和性质的声学设备

2.震源深度适用范围

3.设备组成：震源+接收+记录系统

（1）传统的压电震源剖面设备：

主机、拖体、连接电缆、记录仪及后处理设备（作用：①滤波：剔除不需要的频率；②显示调整：通过GAIN、TVG进行灰度补偿）。震源和水听器在一起，偏移距=0，呈法线入射，工作频率>3.0kHz （2）参量阵震源剖面设备：

·利用声波在介质中传播的非线性效应，使用换能器(阵)沿同一方向传播两个高频初始波，获得

差频、和频等声波的声发射装置。

·主体设备包括震源、接受器、记录系统；附属设备包括运动传感器、表层声速仪

·优点：可产生＜3.0KHz的声波，有较高激发率；（波束角小）较高分辨率，较高穿透

·缺点：能量转换效率低，可制造更小波束角；只能船舶固定安装

（3）其他震源剖面设备：

主机（部分设备包括配电箱）、拖体震源、水听器、供电电缆、记录仪及后处理设备。非法线入射（偏移距不为0）——需要在分析中做动校正，工作频率<3.0kHz。

4.剖面仪分类——保证能探测到且看的最清楚

（1）浅地层剖面仪频率>3.0kHz（压电换能器震源）

（2）中浅地层剖面仪 3.0kHz——几百Hz（电磁脉冲或微型电火花）

（3）中深地层剖面仪小于几百Hz（电火花震源或气枪震源）

5.图谱

（1）震源、水听器、信号处理（滤波，显示调整（GAIN，TVG））、记录系统（数字记录，模拟记录）

（2）记录回波时间和回拨强度

（3）反射界面（强振幅同相轴），反射界面的强度可分为强、中等、弱

（4）反射界面之间的声学地层极为均匀，无声波反射称为声学透明层

（5）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

（6）物探上：地震层序是沉积层序在地震剖面图上的反映。在地震剖面图上找出两个相邻的反映地层不整合接触的界面，则两个界面之间的地层叫做一个地震层序。

（7）假波：工作频率越低、能量越大，声阻抗界面越多，声阻抗界面反射的能量越大则假波越多

（8）绕射：绕射弧与发射角呈正相关；下凹界面：凹坑变浅

6.安装方式及效能评价——考虑探测目的，设备安全，数据质量，工作成本

（1）调查平台：调查船，AUV，ROV，浮标，浅表

（2）非压电换能器震源：工作方式，尾拖；

（3）压电换能器震源（offset=0）

安装方式适用工作环境探测目的安全性数据

质量

调查成本

浅水深水浅水深水固定安装全海深精细

探测

宏观探测高差低低

尾拖全海深精细

探测精细探测

（深拖作业）

低好较低极高

寻找埋藏目标：震源发射角大，探测波频率高，接收定向性差，提高炮点密度，接收据目标物高30m 表层有较厚砂体时：第四纪用电磁脉冲电火花，其他用气枪

7.剖面探测的工作步骤：准备阶段（1）+作业阶段（2）-（15）

1、根据工作目的选取剖面设备；设备的选型：选用剖面仪的原则：根据探测目标的泥面下深度（要适当考虑水深）和上覆沉积物类型选用震源类型和功率——保证能探测到；在探测到的前提下，使用最高的探测声波频率和最小的能量——看得最清楚。

2、根据水深条件选择拖曳方式；

3、根据地质体走向决定测线方向；

4、定位设备的连接及坐标系统、投影方式的选择并记录好定位天线与换能器的位置关系；

5、做好测线记录、班报记录；

6、调节设备：激发频率、脉冲长度、GAIN、TVG等；

7、做好模拟记录、拖体入水深度及相关标注；

8、数字记录；

9、水体声速、地层声速；

3）室内成果整理阶段：

10、区域环境背景知识的获得；

11、假波的识别及层系的划分；

12、地震相分析；

13、区域界面埋深图及等厚度图绘制；

14、典型剖面图分析；15、成果报告（或工程评估）与分析研究。