浅地层剖面仪在海底管线探测中的应用

孙鹏

摘 要：浅地层剖面仪具有工作高效、成本低廉等特点，目前常被用于海底地质和海底管线路由的探测。本文主要以浅地层剖面仪的工作方式为研究重点，从浅地层剖面仪的工作原理和工作方式出发，阐述了浅地层剖面仪的发展过程。并通过实际应用介绍了浅地层剖面仪在海底管线路由中的应用，最后对探测中的常见问题进行了分析。

关键词：浅地层剖面仪 管线探测 线性调频技术

1.引言

浅地层剖面仪主要是根据声波在水下的传播和对于沉淀物的反射来探测水底情况，是从通过回声进行水底探测的基础上发展起来的。浅地层剖面仪具有显著的优势，它具有操作简单、效率高、费用低、精度高、连续性强等特点。目前浅地层剖面仪是海底管线探测的主要手段之一，通过多次的实践证明，利用浅地层剖面仪进行海底探测具有良好的效果。

2.浅地层剖面仪的工作原理

浅地层剖面仪（sub-bot tom profiler）是利用声波探测浅底地层的剖面结构的仪器。声波在海底的传播速度受到海水的密度和海底的压强大小影响，在海底的不同区域内的传播速度差异明显。海底具有很多不同的层次，假设在海底不同地区的岩石密度和声波传输速度分别是ρ和ν，当声波从海上进入到海底以后，就会形成透射和反射作用，然后每一个海底的反射层次都会被相应地接收，经过计算可以获得回到海面以后的反射系数R。

地表的反射强度与相应的反射系数R呈现正相关关系，当R值逐渐增大时，相应的反射强度也在不断增大，在海上收到的反射信号就会更强，相反收到的反射信号就会更弱。浅地层剖面仪收到的反射信号携带了海底大量的有用信息，通过连续的记录和分析，可以得出海底的地质情况和海底结构构成，并能了解海底的沉淀物的物理特性，为以后的工作提供宝贵的数据。

浅地层剖面仪的系统组成主要是有声波的发射机、声波接收机、控制处理单元，还有相应的数据记录和分析等工具，如图1。

浅地层剖面仪常用拖曳或者侧舷安装的方式进行工作，工作人员通过发射机向海底发出声波信号，水下的声波接收机就会接受到相应的声波信号，由于海底的深度和介质的不同，会反射出不同的声波信号，利用声波的过滤和放大装置对声波进行处理和记录，然后通过专业的声波分析仪对声波进行处理，并分析发射机的巡航作用记录下来海底不同介质下的声波变化情况，就能真实地反映出海底的地质情况。

3.浅地层剖面仪的发展

浅地层剖面仪的发展主要经历了三个重要的阶段：

（1）早期运用连续波技术进行海底探测，但是CW技术无法同时满足大穿透深度和高分辨率的要求。

（2）线性调频（Chrip）技术发射出的是一个线性宽带脉冲信号，因此具有强大的能量来穿透更深的界面，一定程度上有效地解决了探测深度和分辨率之间的矛盾。但是受到线性调频的工作原理的限制，为了提高脉冲信号的强度，实现信号在海底的足够的传播效果，就要将水下湿端设备做得很大，从而使得仪器非常笨重，安装复杂，限制了该方法的使用和提高。

（3）近年来，非线性调频（SES）技术得到了广泛的认可，该方法是利用高声压的声波具有非线性的传播特性来探测海底地质结构。通过非线性调频原理的运用，浅地层剖面仪在保障很强的穿透力和分辨的条件下，可以详细探测出海底的地质结构详细状况，同时仪器也更加轻便，减少了不必要的维护费用。

4.浅地层剖面仪在海底管道路由探测中的应用

4.1仪器的选用和安装

现在常用的浅地剖面仪主要有线性调频（Chrip）技术和非线性调频（SES）技术两类，对于不同的工作要求，选用不同的设备。Chrip技术的浅剖穿透深度大且有一定的分辨率，但是换能器通常较大；参量阵原理的浅剖，水下换能器体积小且轻便，分辨率较高，但是穿透深度较浅。根据项目的需要，管道掩埋较深时适宜选用Chrip技术浅剖，掩埋较浅且分辨率要求较高时适宜选择参量阵浅剖。目前国内应用比较多的还是基于ChripIII技术的浅地层剖面仪。

浅地层剖面仪的安装方式主要有船舷固定安装和船尾拖曳式安装两种。船舷固定安装：换能器安装位置需选择靠近船舷中间位置，且与发动机保持一定距离，尽量减少船舶晃动对探测效果的影响以及避免发动机震动及尾流气泡对探测的干扰，为了提高定位精度，可将GPS安装于换能器的正上方，并且使用波浪补偿器，对剖面图中的波浪影响进行修正；拖曳式安装：常用于水深较深的区域，合理利用缆长、分水翼以及配重可以调节水下拖鱼的深度，为了提高定位精度，可以利用GPS和超短基线对拖鱼进行精确定位。

4.2应用分析

（1）由于海底管线铺设的工艺以及海底冲积等自然因素的影响，管线在海底主要有悬空、出露和悬空三个状态，要在剖面图上快速准确的找到管线位置，不仅要对管线状态有一定的了解，而且要求技术人员对管线在剖面上的绕射弧进行准确的判断。图2显示了管线不同空间状态下的剖面位置。

（2）为了获得准确的剖面数据，一方面需根据现场情况调节参数以提高设备的性能，另一方面减少测量中的干扰。设备性能可根据现场的探测深度和泥质等情况，通过选择设备发射脉冲宽度和发射频率，调节发射功率、增益等参数进行优化，从而获得清晰高分辨率的剖面图像。测量中的干扰主要有：风浪干扰、马达噪声干扰以及海底反射与管道发射的区别。可以通过一定的措施进行控制：①风浪干扰：在采集过程中，安装涌浪补偿器，去除船舶摇动所产生的影响；②噪声干扰：为了减少噪音影响，在数据采集中，当接近管道位置时关闭船舶马达，使其依靠惯性通过管道上方，这样可以使得数据信噪比较高，有利于对管道反射特征的识别；海底挖沟反射：对于海底挖沟，可以看成是凹的反射界面，根据其在剖面图上的反射形态进行判断。

（3）检测通常会受到一些特别的海底地质的影响，或者是受到天气变化和海况等条件的限制，这会对数据的准确性带来很大的误差，导致无法从剖面图上准确地判断海底管线的准确位置。在这种条件下可以配合使用海洋磁力仪或多波速系统、侧扫声纳等声学设备进行探测，结合相关数据进行综合分析从而找出海底管线的实际位置。图3（a）为侧扫声纳扫测出的裸露悬浮管线的图像，图3（b）为海洋磁力仪探测管线的磁异常图像。

（4）浅地层剖面仪的探测深度与穿透的介质相关，声波对淤泥、砂有着一定程度的穿透能力，但是对于块石、金属等材质穿透能力有限。目前国内部分管线不仅采用砂覆盖，而且使用块石进行覆盖，浅地层剖面仪等常规声学途径无法对其进行探测，于是就需要采用不受影响的磁学方法对其进行探测，海洋磁力仪是浅地层剖面仪管道探测很好的补充。

5.结论

浅地层剖面仪在海底地质调查、海底路由探测等领域发挥着重要的作用，它具有成本低、效率高的特点，正确合理的使用浅地层剖面仪是快速高效探测海底管线的关键。在海底管道探测的工程中，浅地层剖面仪一直都是最常用且最重要的方法，对于复杂的工程，要根据实际情况将其与其它声学、磁学方法配合一起进行综合探测。

参考文献：

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