用參量陣聲納技術(shù)探測水下淺地層淤積

李思辰，黃為，崔雙利

（1遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003；2遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

用參量陣聲納技術(shù)探測水下淺地層淤積

李思辰1，黃為2，崔雙利2

（1遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003；2遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

文章介紹了新型參量陣非線性調(diào)頻聲吶探測系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及信號采集和處理方法，并通過在某水庫淤積探測的應(yīng)用實(shí)例，對其應(yīng)用效果作了評價(jià)。

參量陣；聲納探測；水庫淤積

傳統(tǒng)淺地層剖面儀均采用線性調(diào)頻聲吶作為聲源，來探測水底淺地層的構(gòu)造情況。由于受線性調(diào)頻聲吶工作機(jī)理的限制，為了產(chǎn)生具有足夠穿透力的低頻，它的換能器必須做得大而重，因此安裝很不方便。此外，其波束角較大，因而對地層的分辨率也較差。

為了克服線性調(diào)頻聲吶的不足,采用參量陣非線性調(diào)頻原理，聲吶換能器發(fā)射的頻率可以變得很低,具有很強(qiáng)的穿透性。換能器變得體積小、重量輕,而且發(fā)射的波束角很小,具有很高的分辨率,可以探測水底淺部地層的詳細(xì)情況。

遼寧省水科院2014年通過水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目資助，引進(jìn)了德國先進(jìn)的水庫淤積探測設(shè)備（SES-2000 light Plus），是一種采用參量陣非線性調(diào)頻技術(shù)探測水深及水底淺地層剖面的新型儀器，具有輕便靈活、高分辨率、高精度特點(diǎn)，通過實(shí)際應(yīng)用獲得很好的水底地層淤積探測效果。

1 參量陣（非線性調(diào)頻）聲吶的工作原理

參量陣聲吶在高壓下同時(shí)向水底發(fā)射兩個(gè)頻率接近的高頻聲波信號（f1，f2）作為主頻，當(dāng)聲波作用于水體時(shí)，會產(chǎn)生一系列二次頻率如f1，f2，（f1+f2），（f1-f2），2f1，2f2等。其中的f1高頻用于探測水深，而f1，f2的頻率非常接近。因此（f1-f2）頻率很低，具有很強(qiáng)的穿透性，可以用來探測水底淺地層剖面。

SES-2000 light Plus采用兩個(gè)100Khz的頻率作為主頻,由于100Khz的換能器有一定的帶寬,因此利用二者之差可以獲得多個(gè)低頻。例如：用105Khz-100Khz可獲得5Khz低頻，其它依此類推。SES-2000 light Plus的可選頻率有5Khz、6Khz、8Khz、10Khz、12Khz、15Khz。在測量時(shí)可以根據(jù)測區(qū)的具體情況，通過軟件來選擇所需的頻率。

SES-2000 light Plus聲吶發(fā)射（接收）裝置換能器固定在測船水下，按一定時(shí)間，間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過水體觸及水底以后，部分聲能反射回?fù)Q能器；另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時(shí)回波陸續(xù)返回被接收。聲波傳播的聲能隨傳播深度逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。通過測量聲波到達(dá)水底的時(shí)間和穿過水底兩界面地層之間的時(shí)間差，與水中聲速和地層的聲速乘積，算出水深和地層厚度。

2 淺地層剖面儀的特點(diǎn)

1）換能器體積小、重量輕，便于船舷安裝。由于SES-2000 light Plus的低頻是通過差頻獲得，其換能器大小為0.30 m×0.26 m×0.07 m，重量僅為25 kg。通過安裝桿,可以快速方便地安裝在船舷上，大大提高了測量作業(yè)的靈活性。換能器安裝遵循避免測船噪音和換能器面的流噪音的原則，使其緊固的安裝在測船上（見圖1所示）。工作時(shí)換能器必須位于水面以下，要求超過船底水深。換能器在放入水面以下一定深度后，鎖緊固定管箍，使其在測船航行時(shí)不得顫動(dòng)，以避免進(jìn)入換能器任何噪音。

2）低頻的波束指向性好,沒有旁瓣,具有很高的分辨率。SES-2000 light Plus參量陣聲吶的最大優(yōu)點(diǎn)是其低頻的束角為±1.8°，而且所有頻率的束角均相同。系統(tǒng)具有很高的分辨率。100Khz的頻率其測深精度可達(dá)0.02 m±0.02%×水深。其差頻對地層及水底目標(biāo)的分辨率可達(dá)到5 cm。

3）換能器可以變頻。SES-2000 light Plus系統(tǒng)有5Khz，6Khz，8Khz，10Khz，12Khz，15Khz多種頻率供選擇，在不同的地區(qū)，可根據(jù)試驗(yàn)剖面的測量結(jié)果來選擇最佳的工作頻率，達(dá)到最佳的探測效果。

4）換能器具有測掃功能。SES-2000 light Plus系統(tǒng)通過安裝在淺剖聲納左右的測掃換能器，向水下發(fā)射一個(gè)短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播，碰到水中物體會產(chǎn)生散射，其中的反向散射波（也叫回波）會按原傳播路徑返回?fù)Q能器被換能器接收。通過實(shí)時(shí)記錄往返路徑時(shí)間與水中波速乘積結(jié)果的點(diǎn)位信息，經(jīng)處理分析來識別水底障礙物目標(biāo)、形狀和位置等詳細(xì)構(gòu)造信息。側(cè)掃有三種可供選擇頻率，分別為250khz、410khz、600khz，分辨率取決于沉積物反射強(qiáng)度和發(fā)射頻率的設(shè)置。

3 信號采集及處理技術(shù)

1）信號采集。水上測淤數(shù)據(jù)采集工作，一般分兩步進(jìn)行。第一步為設(shè)備安裝調(diào)試。分別進(jìn)行測船換能器固定安裝、淺剖主機(jī)安裝、姿態(tài)儀傳感器固定安裝、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)R4基站和RTK流動(dòng)站的安裝，之后對淺剖主機(jī)、姿態(tài)儀及GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。第二步為水庫淤積數(shù)據(jù)采集。測船首先定位測量剖面坐標(biāo)，而后在GPS導(dǎo)航定位指引下沿剖面行進(jìn)，在此過程中實(shí)時(shí)對水底深度及水下地層剖面深度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。探測過程中，系統(tǒng)將所有原始數(shù)據(jù)存儲在硬盤中，這些數(shù)據(jù)可以回放。系統(tǒng)控制軟件可實(shí)時(shí)顯示測深及淺地層剖面圖像。

2）信號處理。采用后處理軟件ISE2處理每條采集測線剖面。處理步驟包括點(diǎn)位高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，除去水體雜波，自動(dòng)計(jì)算水深曲線，水底分層曲線的繪制，分層數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出剖面圖片等。由于SES-2000 light Plus的Windows控制軟件采用了先進(jìn)的信號處理技術(shù)，通過上述數(shù)據(jù)處理步驟獲得了測線高分辨率的淺地層剖面圖像，及測線淺剖各層的位置坐標(biāo)、深度等數(shù)據(jù)。

4 淤積探測應(yīng)用

2015年5月，利用SES-2000 light Plus新型參量陣淺地層剖面儀，在柴河水庫進(jìn)行了為期3周的探測,獲得庫區(qū)15 km范圍內(nèi)80條測線的水下剖面數(shù)據(jù)。探測工作的主要目的是探查水底淤積情況，包括庫區(qū)水底的深度,淤積層厚度等信息。

1）系統(tǒng)安裝及調(diào)試。測量工作是在一條水文測船上進(jìn)行的，SES-2000 light Plus淺剖換能器通過鋼管安裝架安裝在船舷上。為了選擇最佳參數(shù)，測船首先完成了幾條不同的試驗(yàn)剖面，以確定合適的頻率。由于低頻的穿透深度總是和水底地層的物性有關(guān)，因此在不同的工區(qū)應(yīng)選擇不同的頻率。一般說來，頻率越低則穿透深度越大，但降低頻率將損失分辨率。根據(jù)試驗(yàn)，在柴河水庫水底淤積層，選用8Khz的差頻淺剖頻率。

2）測量結(jié)果。針對采集獲得的80條測線數(shù)據(jù)，通過后處理軟件處理生成水底剖面圖像（圖略）。由儀器高頻聲波形成的反射面、低頻（非線性差頻）聲波獲得的反射面，可看出淤積層厚度在0.5 m左右。同時(shí)獲得的水底層及水底淤積層的大地坐標(biāo)、深度等數(shù)據(jù)（見表1所示）。

表1 柴河水庫聲吶探測34號測線水底淺剖數(shù)據(jù)（部分）

在此基礎(chǔ)上計(jì)算測區(qū)淤積量。淤積量計(jì)算方法是將測區(qū)按測線分成若干塊，利用已測到的淤積層剖面位置坐標(biāo)及淤積層厚度數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)軟件計(jì)算每塊淤積量，而后將各塊淤積量累加，得到柴河水庫測區(qū)范圍內(nèi)淤積總量為704萬m3，約占水庫最大庫容的1.1%。

5 結(jié)語

SES-2000 light Plus系統(tǒng)由于采用參量陣非線性調(diào)頻聲吶，其換能器體積小、重量輕，波束角小、指向性好，加之系統(tǒng)先進(jìn)、獨(dú)特的信號處理技術(shù)，因此具有很高的分辨率，能探測水底淺地層剖面的詳細(xì)情況。

利用該系統(tǒng)在柴河水庫進(jìn)行的探測應(yīng)用結(jié)果表明：高分辨率的SES-2000 light Plus探測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)一系列專用軟件處理后，得到各條測線淺剖圖像，及水面、水底、淺剖淤積層的大地坐標(biāo)和深度等詳細(xì)信息，并通過其計(jì)算出較精確斷面間淤積層方量和整個(gè)測區(qū)淤積總量。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究分析柴河水庫的淤積量變化規(guī)律,提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

［1］祝鴻浩，王錦柏.參量陣淺剖儀及其信號預(yù)處理方法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015(9),47.

［2］張兆富.SES-96參量陣測深/淺地層剖面儀的特點(diǎn)及其應(yīng)用［J］.中國港灣建設(shè)，2001（03）41-44.

1002－0624（2017）05－0057－02

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2016-10-28