参量浅剖现状及其在海洋工程中的应用

韦俊霞 惠娟 陈轶 陈施渝

（1.哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，哈尔滨，150001）

（2.哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨，150001;3.杭州瑞利海洋装备有限公司，杭州，310023）

浅地层剖面探测技术可用于海洋地质研究、海底资源勘查、海底管线路由勘察、港池探测、海床结构稳定性调查、海洋灾害地质因素调查、海洋工程选址等活动。该技术能够准确高效地查明覆盖层的厚度、探测基岩埋深、断裂构造分布、探查海底障碍物的分布、了解海域灾害地质情况（浅层气、滑坡），从而为海底管道、光缆、码头、跨海桥梁、核电站、井场平台、人工填海等工程建设提供基础地质资料，在海洋工程及海洋开发中均扮演着极为重要的角色。参量浅剖以其基阵孔径小、波束窄、差频无旁瓣等优势在海洋工程中得到了广泛应用。

1 工作原理

参量浅剖主要是利用高频高增益小孔径声阵发射高频高指向性原频信号，利用声学非线性效应得到低频无旁瓣高指向性的宽频带差频声波与和频声波。由于声吸收系数与频率的1.4次方成正比[1]，在声波的传播过程中，频率较高的超声波和频信号衰减很快，经过一段距离后，仅剩下频率较低的差频信号。差频声波穿过海底沉积层不同介质时，传播速度和介质密度存在差异，因此会产生强弱不同的回波信号。当声波向下传播时，一部分在分界处发生反射，另一部分经过透射后继续向下传播，在下一分界面处再进行反射和透射，其反射强度与地层的反射系数R有关。假设水体作为第一种介质，它的密度为ρ1，声波在其中传播的速度为v1；下一层界面的第二种介质密度和声波速度分别是ρ2和v2，则：

声波反射回来后，由接收机接收并经放大、滤波，滤除原频信号，再进行必要的信号处理之后，被输出到显示屏上，给出一串浓淡不一的反映地层结构和构造的像素点。图1为参量浅剖工作原理图，当参量浅剖随测量船航行时，这些表示地层结构和构造的像点延伸为线，实时绘制出测线下方的地层剖面图。同时原频声波可用于进行海底深度的测量。

图1 参量浅剖工作原理图

2 系统组成

参量浅剖一般主要由声基阵、甲板单元和显控单元组成（图2）。

图2 参量浅剖系统组成图

声基阵主要用于发射原频信号、接收原频回波信号和差频回波信号。甲板单元一方面用于将信号进行功率放大，驱动声阵单元发射原频声信号。同时进行接收信号的放大、滤波和信号处理。将接收的差频回波信号进行处理，转换成反映地层信息的数据，将接收的原频回波信号进行处理，转换成海底深度值，分别输出给显示控制单元；显控单元用于地层剖面的显示、工作参数的发送控制、实时定位信息的接收、显示与存储。

3 发展现状

3.1 国外研究状况

1971 年 Nichols 首次报道了参量阵技术用于海底沉积层剖面探测，开创了海洋探测领域小孔径换能器发射低频窄波束信号进行海底地层探测的新纪元，参量阵真正进入了工程应用阶段。从上世纪 80 年代开始，德国 Atlas 和 Innomar、挪威Kongsberg、英国Triteck 等公司先后研制了基于参量浅剖探测系统。

德国的Innomar公司于上世纪末推出了轻便式参量阵海底地层剖面仪，目前已形成了从浅水、深水到全海深的系列化产品。挪威Kongsberg公司于本世纪初推出了两款海底地层剖面仪——TOPAS PS18和TOPAS PS40。TOPAS PS18可适用于全海深，已在我国多艘科考船安装。ATLAS公司推出了参量阵测深、海底地层剖面两用声呐ParaSoundP70/P35，可用于全海深。具有多波束模式，但是多波束并不是其成熟功能。目前国外主要参量浅剖产品及其主要参数见表1。

表1 国外主要参量浅剖产品

3.2 国内产品

从20世纪80年代开始，中国科学院声学所东海站、中国船舶第七一五研究所、哈尔滨工程大学、浙江大学、上海船舶电子设备研究所等单位都相继开展了基于参量阵的浅地层剖面仪的研究。目前声学所东海站等已具有浅水参量阵国产化产品，中深水参量阵浅地层剖面仪只有声学所东海站和第七一五研究所开展了相关研究，尚无商业化产品。目前国内主要参量浅剖产品见表2。

表2 国内主要参量浅剖产品

第七一五研究所研发的 DDQ-100主要由声阵单元、综合处理机和显控单元组成，最大测量水深可达200 m，对泥沙层穿透深度可达40 m，典型测试图见图3。

图3 DDQ-100典型测试图

4 主要应用

4.1 海底资源勘探

占地球面积 49%的国际海底区域蕴藏着极为丰富的战略金属、能源和生物资源，已探明的海洋矿产资源蕴藏量是陆地的几十倍。浅地层剖面技术是目前最主要的海洋高分辨率浅地层结构地球物理调查方法，已广泛应用于天然气水合物调查、深海结壳探测等领域。对天然气水合物的探测主要探测海底浅层气和海底“冷泉”、羽状流，可以通过浅部海底含气带特征, 推测深部天然气水合物分布、分解、泄露等情况，海底“冷泉”和羽状流的发育区也常发现天然气水合物[2-4]。图4～5为典型参量浅剖浅层气及羽状流探测。

图4 海底天然气渗漏典型反射剖面特征

图5 羽状流特征剖面

随着深海矿产资源探测的兴起，金属结壳、沉积物分布、厚度的测量成为参量浅剖新的应用方向。日本已研制了两款基于UUV平台的参量结壳厚度探测系统[5]，进行锰结壳厚度测量。

图6 结壳探测

4.2 海洋地质研究及地质灾害因素调查

浅层剖面技术越来越多地被应用于大范围的海洋地质调查工作中，用于揭示海底以下30 m 内的沉积物厚度、分布及地层结构等，结合地质取样、单道地震、侧扫声呐等其它资料可为全新世地质环境演变、区域地质灾害分布、海平面升降、水动力等方面的研究提供科学依据。典型地质研究剖面图如图7所示。

图7 船载参量阵浅剖地质测量界面

4.3 海洋工程勘察

在海洋工程项目的论证和前期设计阶段，成本低、效率高、覆盖面积大的地球物理勘察通常是必选的勘察方法之一。据统计，2003～2007年，环太平洋及南大西洋区域的可收集的 153项海洋工程（以石油管线、跨国光缆、钻井平台为主），采用浅地层探测及地震勘探技术（基于声学震源）的有139项。而国内海洋工程，如跨海大桥、海上风电、石油钻井等，也越来越多的采用地球物理技术为工程建设服务。典型管道测量剖面如图8所示。

图8 管道测量界面

4.4 海底地质属性分类

人们对海底沉积物的探测更感兴趣的是地质属性的探测，结构探测的目的也是要通过钻孔取样等方法来确定层间属性，最后完成沉积属性的探测，这也是海洋工程地质的实际需求。

在沉积结构探测中一般只利用声波的时间特征，声波的幅度、频率等其它特征考虑较少。而这些特征与沉积物之间存在着相互作用，使得我们对沉积物属性的多参数识别成为可能。经过多年的研究及实践，研究人员已提出了多种海底沉积物声学识别和分类方法，但都不成熟，自主识别准确度欠佳。

5 发展趋势

（1）随着海洋开发活动的需求日益增多和浅地层剖面探测相关技术的发展，需要更精细海底地质结构的探测和海底底质的识别，参量浅剖也将向全覆盖、深穿透、高分辨率、多波束，深海智能海底层析、自主海底底质分类等方向发展。

（2）复杂水下地形和沉积物的探测，需要能够发射窄波束的全覆盖多波束浅地层探测系统，提高地层剖面仪的穿透深度与分辨率，获取信息量大，可以得到较大面积海底表层沉积物的信息，实现海底剖面系统与地形测量的高层次融合。

（3）计算机和参量阵技术的发展激发了海底特性多类型共点数据融合的需求，因此海底特性探测设备的一体化设计也将是未来发展的趋势。