海底探测技术重点.doc

1、平均海平面：一段时间里水位高度观测结果 平均值 的安静的抱负海面，为水深0米的基面。
大地水准面：与平均海水面相合的特殊重力等位面。可被想象成延伸至陆地且在任何地方皆与重力线方向垂直。
深度基准面：又称为高程基准面。是地面点高程或海底点水深的统一起算面，通常以大地水准面作为高程基准面。对于一个国家来说，一般根据一个验潮站的潮汐资料所求得的平均海水面作为国家高程基准面。我国是使用青岛验潮站数年潮汐资料推求的平均海水面，作为中国高程基准面。优点是：陆地——近岸，测绘基面统一，测绘图中。地形相对高差与真实地形一致。缺陷是：实际水深受潮汐、风浪等因素的影响，图示水深仅能作为航船参考使用。
理论深度基准面：为适应航海的需要，用于海图的深度基准面，是本地的理论最低潮面， 短周期平均海平面。比国家高程基准低约2.4米。缺陷：不能真实地反映地形高差；无法与陆地地形衔接
85国家高程基准：根据青岛验潮站1952年－1979年（28年）间2023的潮汐资料推求的平均海水面，作为新的中国高程基准面。水准原点高程：72.260米

海洋地质调查：海洋地貌、海洋沉积和海底构造调查的统称
海洋调查技术分类：
海上定位、表层取样和柱状取样、海底钻探，
水下电视和摄影、深潜装置观测，
测深、旁侧声纳扫描、浅地层剖面测量，
海洋重磁测量、海洋地震电缆测量和海底地热流测量等
海洋调查平台的种类：调查船、AUV、ROV、浮标、潜标
地质调查（geological survey）
泛指一切以地质现象（岩石、地层、构造、矿产、水文地质、地貌等）为对象，以地质学及其相关科学为指导，以观测研究为基础的调查工作。

海底地质调查
底质取样技术：海底表层取样、海底浅表取样、海底钻探取样
原位测试技术：从获取的方式来看，涉及重力测量、地热测量、放射性测量
海底监测技术
海底探测技术：重力测量、磁力测量、电法勘探、地震勘探（海底声学探测）、地热测量、放射性测量
地震勘探技术：运用机械波在介质中传播性质的变化（速度、方向、强度）探知介质结构和性质的方法
声波勘探技术：运用声波在介质中传播性质的变化（速度、方向、强度）探知介质结构和性质的方法
反射系数：反射波振幅与入射波振幅的比值，
R>0 －－－介质2的声阻抗>介质1的声阻抗
入射波与反射波的相位相同
R<0 －－－介质2的声阻抗<介质1的声阻抗
入射波与反射波的相位相反
声波的扩散反射：

介质的声阻抗：机械波在介质中传播时，运动着的介质质点产生单位速度所需的 扰动力，其反映了介质对动量传递的抵抗能力。
波的吸取现象：声波在传播过程中，震动能量转化为热能被介质吸取的现象。在同一均匀介质中传播的波，每一波长被吸取的能量为一常数。在相同地质条件下，频率越低的波波能被吸取的较少。
时距曲线：在反射波法中，反射波的传播时间t与观测点到震源之间距离x（偏移距）的关系曲线。
时距方程：
h表达介质的垂直厚度，x表达接受器距离震源的水平距离

震源及类型及特点
震源：能发出探测所需信号的装置。
(1)、压电换能器：原理——根据某些矿物晶体（锆钛酸铝、陶瓷、石英等）具有压电效应
体积小——携带方便，便于组合；频率高——2kHz以上、分辩率高；缺陷：能量小，穿透小——几十焦耳，产生的声能较小探测地层的深度(一般30m以浅）。解决方法：换能器组合——增大发射能量；减少发射频率——差频技术（参量阵）
（2）电磁脉冲震源：原理——电磁效应，具体是脉冲电流通过处在磁场中的线圈时，将使作为线圈负荷的金属板产生相对位移，从而引起周边介质产生振荡而成为震源。
特点
体积相对较小，但不易组合；产生的声波频率范围大——几百Hz－几千Hz；能量小——最大几百焦耳，穿透深度100米以内。
（3）电火花震源：原理——高压放电，即运用高压电在水中放电，导致电极周边水体在极短时间里分解成气体，产生脉冲振动。
特点：体积小，便于组合；声波频率范围大——几十Hz－几十千Hz；能量相对较大－可达几万焦耳，探测深度可达1000米；缺陷——电极需经常更换
(4)气枪震源：原理——压缩空气（或其它气体）在水中瞬间释放，形成气泡，产生振动。
特点：体积大，可多枪组合；频率低——几十Hz－几百Hz；能量大 ——由压缩气体的体积决定，探测深度可达10000米。
(5)、其它震源：水枪震源、蒸汽枪震源、组合枪震源、炸药等

单频：震源发射的声波频率范围极小近于单一频率，如3.5kHz；
双频：震源发射的声波是由两个近于单一频率声波信号组成的，如3.5kHz、12kHz；
多频：震源发射的声波是由3个以上单频声波信号组成的，如3.5kHz、12kHz 、33kHz ；
宽频：震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如300Hz～10kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有比例都同样；
CHIRP：震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如3kHz～14kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有比例都是随机的，理论上每次所发射的声波信号都不相同样。
A、每次脉冲都是随机振动频率组合,是唯一的
B、每次脉冲的随机振动频率组合都暂存于计算机内存中作为样本
C、接受到的反射波信号根据内存中的样本进行比对滤波等解决，分离开叠加的信号，从而将反射界面探测出来。

参量阵震源及特点：运用声波在介质中传播的非线性效应，使两个发射频率相近的压电换能器组合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。
优点：①较传统震源具有较高的激发率；
②压电震源可产生小于3kHz频率的声波，相对于其他同频率震源体积小、耗能低。
③发射波束角小，具有较高的分辨率且较传统震源具有较深的穿透；
缺陷：①当换能器发射声波在介质中传播时，在换能器的发射方向会产生一系列二次频率，如f1，f2，(f1+f2)，(f1-f2)，2f1，2f2的声波信号；
②能量转换效率低，（解决办法：制造更小的波束角）
③需要波束稳定技术支持——增长了外围设备、技术难度和成本较高
④只能船舶固定安装。
水听器：通过 振动传感器 将介质的质点振动（位移、加速度的变化）转化成电信号，输出的系统，称为检波器。在水中使用的检波器，由多个压电元件串连或串并结合连接。
信噪比及其减少：
（S:有效信号的振幅,N:噪音的振幅，n压电元件的个数）
记录仪：记录回波强度和时间的设备。记录规则：接受一直在接受，每激发一炮记录仪计时重新归零。记录内容：沿测线炮点的位置、在每一炮点上声波自发射至接受到反射波的时间、反射波的强度（灰度表达）
单波束测深仪：同时只能获得1个水底水深数据的声学测量设备。依据海底反射波的强度，即反射波振幅大小——称之为振幅检测
多波束系统：可同时探测水底多个位置不同点水深值的探测系统
横摇：
纵倾：
首偏：多波束换能器轴向与电罗经轴向的夹角。
侧扫声呐：通过向侧方发射声波来探知水体、海面、海底（涉及上部地层）声学结构和介质性质的仪器设备。
浅地层剖面仪：探知介质垂向结构和性质的声学设备
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。
地震相：在一个地震层序中，具有相似地震特性参数的地质单元称为地震相。它是能反映由岩相因素（岩相组合和沉积特性）引起的反射几何特性和波形特性的总和。
2、 设备的基本构成和工作程序
单波束：震源和接受（测深仪换能器）、记录仪（涉及数字记录和模拟记录）
水深测量的工作程序（第五章ppt）
（1）测深仪器的安装：规定是使动吃水与静吃水的数值基本吻合。
①观测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）多波束测深实行原则及注意事项
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
③设计多条互相平行的、等间距测线时，测线间隔是图上1cm的实际距离
④测线的名字应涉及任务代号—测区—航次号—测线组名—测线名
⑤布设检查测线：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），测量误差可认为其两倍。
记录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）位置拟定：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，在超过原则规定的区域分别设

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，必须增长声速测站！
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表达真实坡度角）
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）室内数据解决：
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

多波束：（1）多波束主体设备：
①发射阵—多波束探头：一次发射在海底形成多波束条带，条带沿航迹方向的大小称为纵向脚印。
②接受阵—发射接受工作站：通过接受将海底回波分为多个社区（脚印），通过接受阵检波器的组合可形成多个脚印互相交叠的波束。
③后解决工作站
（2）外围设备：
声速剖面仪
①水体声速不仅影响水深计算还影响探测位置
②水体声速必须是剖面曲线而非平均声速）
③水体声速测量设备：CTD或声速剖面仪。
卫星定位系统
光纤陀螺
①电罗经：指明多波束中轴线方向的设备。
②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
多波束水深测量的工作程序：
（1）设备选型
（2）多波束的安装与安装测量
① 多波束安装于船首至船长1/3区段
②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立坐标原点。
（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
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：选择有特殊目的物的海区，以相同的船速沿目的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长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）多波束测深实行原则及注意事项
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％的反复覆盖
③天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）多波束测深数据解决
回放原始数据文献→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→滤波解决→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
规程中规定 “测深误差值为水深值的±1%”

侧扫声呐
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；具有较大的垂向波束角（32度左右），扩大覆盖宽度；具有较高的工作频率（几十KHz——几千KHz），频率高分辩率也高，水体对波的吸取少，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）：反射波强度放大调节旋钮gain和TVG，通过两者的配合使用，使均匀海底的声呐图像灰度一致。
工作方法：
（1）工作目的的拟定：地质调查、特殊现象探查、物体寻找
（2）明确技术规定
（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规定
（4）设备的选型：侧扫声呐选型：依据探测规定和工作区域环境情况
定位设备选型：依据定位精度规定
（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：实现目的规定、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；目的可识辨性越差。规范规定：拖体高度为声呐单侧量程的10%-15%
（7）船速的控制：
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） 声速的拟定：一般以水体垂直声速的平均值为准，输入声呐设备中
（10） 图谱的辨认
（11） 被探测物体或地质体参数的鉴定分析
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、海流流向鉴定；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

浅地层剖面
设备组成：
1） 传统的压电震源剖面设备：主机、拖体、连接电缆、记录仪及后解决设备（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：主体设备涉及震源、接受器、记录系统；附属设备涉及运动传感器、表层声速仪
3）其他震源剖面设备：主机（部分设备涉及配电箱）、拖体震源、水听器、供电电缆、记录仪及后解决设备。非法线入射——需要在分析中做动校正，工作频率<3.0kHz。
剖面探测的工作环节：
1）准备阶段：
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：根据探测目的的泥面下深度（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）作业阶段：
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、假波的辨认及层系的划分；
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。

3、 声呐、浅剖探测资料的分析解释（记录的内容、图像的辨认）
侧扫声呐图谱：记录到环境声波的反射波接受时间和反射波强度。
记录内容：①直达波：直达波连续时间为脉冲时间（宽度）
②水体反射：
③海面反射：假如海况较好，只有海面线；假如海况不好，存在海面反射；假如海面有漂浮物，存在声波反射。
④海底反射
⑤泥面下反射
现象的辨认：
①物质组成差异辨认
②海底倾向的辨认
③海底凸起的辨认
④海底凹坑的辨认
⑤水中较大物体的判别
⑥海面上特殊物体的判别

浅地层剖面图谱：记录了声波返回时间和强度，时间是距离零时间线的远近、强度以灰度表达
记录内容：①直达波
②同向轴反射界面：海面反射、海底反射、地层的声阻抗界面
③声学地层
现象的辨认：①点反射导致的界面变形
②下凹地形或层面导致的界面变形，凹坑内反射杂乱、凹坑变浅，

4、 声呐、浅剖拖拽方式的种类及优缺陷
调查船固定安装：适应于浅水环境，仪器安全，调查船速可较大，效率高，噪音大
侧拖：适应于浅水环境，仪器安全，噪音大
底拖：适应于深水环境，离船噪声源远，拖体姿态好，信号好，仪器易丢失，安全性差，调查船速最低，效率低
侧扫声呐随拖鱼前进，将处在航迹方向不同位置的数据形成二维的扫描图像

浅剖托曳方式：
调查平台固定安装：用于参量阵震源，合用于全海深，浅水中能做精细探测、深水中可做宏观探测，安全性高，成本低，但数据质量差
侧拖：用于传统的压电震源和非压电换能器震源，只能在30m以浅的环境中做精细探测，，安全性较高，成本较低，数据质量较差
尾拖：合用于全海深，深浅水均能做精细探测，数据质量好，但安全性低，浅水调查成本较低，但深水成本极高，规定调查船速4~6节，
5、 海底管线路由探测调查、海底管线安全检测内容及工作设计
侧扫声呐+多波束

增强侧扫声呐探测目的物可识辨性的方法
1、探测目的最佳位于声呐海底覆盖区，近声呐段1/3-2/3区域；
2、调查船速越慢越好；
3、声呐量程越小越好；
4、声呐工作频率越高越好（在环境允许情况下）
5、拖体高度为单侧量程的10%-15%。