用参量阵声纳技术探测水下浅地层淤积

李思辰，黄为，崔双利

（1辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003；2辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

用参量阵声纳技术探测水下浅地层淤积

李思辰1，黄为2，崔双利2

（1辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003；2辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

文章介绍了新型参量阵非线性调频声呐探测系统的工作原理、技术特点及信号采集和处理方法，并通过在某水库淤积探测的应用实例，对其应用效果作了评价。

参量阵；声纳探测；水库淤积

传统浅地层剖面仪均采用线性调频声呐作为声源，来探测水底浅地层的构造情况。由于受线性调频声呐工作机理的限制，为了产生具有足够穿透力的低频，它的换能器必须做得大而重，因此安装很不方便。此外，其波束角较大，因而对地层的分辨率也较差。

为了克服线性调频声呐的不足,采用参量阵非线性调频原理，声呐换能器发射的频率可以变得很低,具有很强的穿透性。换能器变得体积小、重量轻,而且发射的波束角很小,具有很高的分辨率,可以探测水底浅部地层的详细情况。

辽宁省水科院2014年通过水利部“948”计划项目资助，引进了德国先进的水库淤积探测设备（SES-2000 light Plus），是一种采用参量阵非线性调频技术探测水深及水底浅地层剖面的新型仪器，具有轻便灵活、高分辨率、高精度特点，通过实际应用获得很好的水底地层淤积探测效果。

1 参量阵（非线性调频）声呐的工作原理

参量阵声呐在高压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号（f1，f2）作为主频，当声波作用于水体时，会产生一系列二次频率如f1，f2，（f1+f2），（f1-f2），2f1，2f2等。其中的f1高频用于探测水深，而f1，f2的频率非常接近。因此（f1-f2）频率很低，具有很强的穿透性，可以用来探测水底浅地层剖面。

SES-2000 light Plus采用两个100Khz的频率作为主频,由于100Khz的换能器有一定的带宽,因此利用二者之差可以获得多个低频。例如：用105Khz-100Khz可获得5Khz低频，其它依此类推。SES-2000 light Plus的可选频率有5Khz、6Khz、8Khz、10Khz、12Khz、15Khz。在测量时可以根据测区的具体情况，通过软件来选择所需的频率。

SES-2000 light Plus声呐发射（接收）装置换能器固定在测船水下，按一定时间，间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲穿过水体触及水底以后，部分声能反射回换能器；另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回被接收。声波传播的声能随传播深度逐渐损失，直到声波能量损失耗尽为止。通过测量声波到达水底的时间和穿过水底两界面地层之间的时间差，与水中声速和地层的声速乘积，算出水深和地层厚度。

2 浅地层剖面仪的特点

1）换能器体积小、重量轻，便于船舷安装。由于SES-2000 light Plus的低频是通过差频获得，其换能器大小为0.30 m×0.26 m×0.07 m，重量仅为25 kg。通过安装杆,可以快速方便地安装在船舷上，大大提高了测量作业的灵活性。换能器安装遵循避免测船噪音和换能器面的流噪音的原则，使其紧固的安装在测船上（见图1所示）。工作时换能器必须位于水面以下，要求超过船底水深。换能器在放入水面以下一定深度后，锁紧固定管箍，使其在测船航行时不得颤动，以避免进入换能器任何噪音。

2）低频的波束指向性好,没有旁瓣,具有很高的分辨率。SES-2000 light Plus参量阵声呐的最大优点是其低频的束角为±1.8°，而且所有频率的束角均相同。系统具有很高的分辨率。100Khz的频率其测深精度可达0.02 m±0.02%×水深。其差频对地层及水底目标的分辨率可达到5 cm。

3）换能器可以变频。SES-2000 light Plus系统有5Khz，6Khz，8Khz，10Khz，12Khz，15Khz多种频率供选择，在不同的地区，可根据试验剖面的测量结果来选择最佳的工作频率，达到最佳的探测效果。

4）换能器具有测扫功能。SES-2000 light Plus系统通过安装在浅剖声纳左右的测扫换能器，向水下发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到水中物体会产生散射，其中的反向散射波（也叫回波）会按原传播路径返回换能器被换能器接收。通过实时记录往返路径时间与水中波速乘积结果的点位信息，经处理分析来识别水底障碍物目标、形状和位置等详细构造信息。侧扫有三种可供选择频率，分别为250khz、410khz、600khz，分辨率取决于沉积物反射强度和发射频率的设置。

3 信号采集及处理技术

1）信号采集。水上测淤数据采集工作，一般分两步进行。第一步为设备安装调试。分别进行测船换能器固定安装、浅剖主机安装、姿态仪传感器固定安装、GPS导航定位系统R4基站和RTK流动站的安装，之后对浅剖主机、姿态仪及GPS导航定位系统进行参数设置。第二步为水库淤积数据采集。测船首先定位测量剖面坐标，而后在GPS导航定位指引下沿剖面行进，在此过程中实时对水底深度及水下地层剖面深度进行数据采集。探测过程中，系统将所有原始数据存储在硬盘中，这些数据可以回放。系统控制软件可实时显示测深及浅地层剖面图像。

2）信号处理。采用后处理软件ISE2处理每条采集测线剖面。处理步骤包括点位高程数据转换，除去水体杂波，自动计算水深曲线，水底分层曲线的绘制，分层数据导出，导出剖面图片等。由于SES-2000 light Plus的Windows控制软件采用了先进的信号处理技术，通过上述数据处理步骤获得了测线高分辨率的浅地层剖面图像，及测线浅剖各层的位置坐标、深度等数据。

4 淤积探测应用

2015年5月，利用SES-2000 light Plus新型参量阵浅地层剖面仪，在柴河水库进行了为期3周的探测,获得库区15 km范围内80条测线的水下剖面数据。探测工作的主要目的是探查水底淤积情况，包括库区水底的深度,淤积层厚度等信息。

1）系统安装及调试。测量工作是在一条水文测船上进行的，SES-2000 light Plus浅剖换能器通过钢管安装架安装在船舷上。为了选择最佳参数，测船首先完成了几条不同的试验剖面，以确定合适的频率。由于低频的穿透深度总是和水底地层的物性有关，因此在不同的工区应选择不同的频率。一般说来，频率越低则穿透深度越大，但降低频率将损失分辨率。根据试验，在柴河水库水底淤积层，选用8Khz的差频浅剖频率。

2）测量结果。针对采集获得的80条测线数据，通过后处理软件处理生成水底剖面图像（图略）。由仪器高频声波形成的反射面、低频（非线性差频）声波获得的反射面，可看出淤积层厚度在0.5 m左右。同时获得的水底层及水底淤积层的大地坐标、深度等数据（见表1所示）。

表1 柴河水库声呐探测34号测线水底浅剖数据（部分）

在此基础上计算测区淤积量。淤积量计算方法是将测区按测线分成若干块，利用已测到的淤积层剖面位置坐标及淤积层厚度数据，运用相关软件计算每块淤积量，而后将各块淤积量累加，得到柴河水库测区范围内淤积总量为704万m3，约占水库最大库容的1.1%。

5 结语

SES-2000 light Plus系统由于采用参量阵非线性调频声呐，其换能器体积小、重量轻，波束角小、指向性好，加之系统先进、独特的信号处理技术，因此具有很高的分辨率，能探测水底浅地层剖面的详细情况。

利用该系统在柴河水库进行的探测应用结果表明：高分辨率的SES-2000 light Plus探测系统采集数据经一系列专用软件处理后，得到各条测线浅剖图像，及水面、水底、浅剖淤积层的大地坐标和深度等详细信息，并通过其计算出较精确断面间淤积层方量和整个测区淤积总量。这些数据为进一步研究分析柴河水库的淤积量变化规律,提供数据依据。

［1］祝鸿浩，王锦柏.参量阵浅剖仪及其信号预处理方法研究［J］.现代电子技术，2015(9),47.

［2］张兆富.SES-96参量阵测深/浅地层剖面仪的特点及其应用［J］.中国港湾建设，2001（03）41-44.

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2016-10-28