摘要：水下工程勘察通常需要探明以下几个方面：水下地质构造、水下地层分布、淤泥厚度及水下障碍物分布等。由于水域条件复杂，常规地质勘察手段难以满足日益增长的工程地质勘查要求。由此，各种水上物探设备和方法被逐渐引入到工程勘察中来。浅地层剖面法作为一种新兴的勘察手段，在我国近年来逐渐被重视起来。该方法的原理是向水下发射声波信号，并接收水底及水底下方地层的反射信号，从而确定水深及水下地层反射界面。相对于其他水域勘察中常用的地震勘探方法，浅地层剖面法具有精度高，仪器便携，数据实时成像等优点。本文主要介绍了SeaKing SBP浅地层剖面仪在水域工程勘察中的应用。
关键词：SeaKing SBP浅地层剖面仪；水域工程勘察
港口、航道区域内水下浅点对于船舶的航行安全构成严重的威胁，浅点碍航水域的整治是港口航道维护的一项重要的工作，其中尤为重要的是获取浅点碍航区域海底底质资料，并对其进行判别和分析。
一、工作原理介绍
目前，海底底质分类的主要方法有：一是浅地层剖面仪+ 测深仪法；二是侧扫法；三是多波束法。其中，浅地层剖面仪探测是重要的海上勘探方法，这种方法通过发射声波来记录声波穿过不同介质面的地层时的反射波的信号，该方法对海底地层的构造、基岩的埋深、海底障碍物等地质情况的分析都很直观，在海洋工程中发挥重要作用。采用的是第一种方法。测深仪获取高精度的水深信息，浅地层剖面仪获取高精度的海底地层分层情况及各层底质特征数据信息。水深测量采用单频测深仪，定位采用中海达H32 海星达 三星型接收机 定位。软件同时记录GPS 定位数据以及中海达HD-310单频测深仪水深数据。单频测深仪的工作原理：发射器向海底发射信号，信号在碰到海底后反射回来，接收器接收到信号后，通常在描述振幅较小，能量较低的声学现象时，忽略声波在流体中传播时振幅声波的强度关系。而在声波的实际传播过程中，由于运动的非线性及介质的非线性，单频声波就会产生它的谐波、分频波、频波、差频波。简单地来说，对于线性声学而言，声波波形在传播过程中不发生任何变化，而在非线性声学中，声波的传播不仅取决于介质的性质，还与质点的振动幅度有关。质点振动代数值大的地方，声波的传播速度大；代数值小的地方，声波的传播速度小。因此，对于同一列波，波峰的传播速度快，二波谷的传播速度慢，使波的形态发生变化。浅剖测量采用浅地层剖面仪，脉冲模式选择全频脉冲100%发射功率模式，这样设置可以获得信噪比较强的图像，图像也更为清晰，便于后期解译、辨识工作。
二、TriTech SeaKing SBP浅地层剖面仪在水域工程勘察中的应用
1.影响浅地层剖面仪数据精度的因素。在海上进行浅剖探测，不可避免受到外界因素的干扰，这些干扰会对数据精度造成影响，本项目从海洋环境、测量船舶、测量人员等几个方面进行分析，得出以下经验：浅地层剖面仪内业判读主要依靠反射系数的强弱，如果相邻介质比较接近，那么反射系数数值就会较小，得到的图像就会模糊，会对解译工作带来干扰。涨落潮时水流速度很快，海底存在暗涌，会对水深信号的传播带来很大的影响，甚至会导致信号丢失，对数据的完整性和连贯性会带来影响。测量船舶航行时，会产生震动，螺旋桨对水流的扰动会产生尾流及噪音，船舶的电力系统也会产生干扰信号。声波信号在海底与水面这两个强反射界面之间来回传播，会在图像上产生很强的干扰波，主要表现为信号走势、频谱一致，为两倍水深数据，对于其他界面信号的解读会带来干扰。外业数据采集、软件设置时，参数选择不合理，会造成图像信噪比低，图像不清晰，会对数据质量产生影响。
2.浅剖数据处理。
结合浅剖数据、图像对该片浅水碍航区域进行分析，主要有以下几种海底底质分布海底信号清晰，海底界线明显，没有回淤及其他分层现象，说明该处受潮流冲刷作用强，不易有沉积现象发生，底质为原始岩层，质地坚硬，必须采取爆破等手段进行清障在区域构造运动的作用下，形成了多期次、多层次、多样化的断裂构造，地层构造上极为复杂，沉积测区内水深较深、地形平坦的区域，在水深图上水深变化不大，在浅剖图像上发现存在沉积的现象，地质构造过程中，原始岩层受到挤压变形后，形成凹陷，水流冲刷作用弱，水动力条件较为稳定，形成了沉积。狮子洋出海口附近的内陆架区沉积物主要以砂质沉积物为主，沉积现象综合区域在测区内发现一处非常显著的综合地形区域，该区域由于地质构造运动造成了褶皱，原始岩层向上拱起，背斜受到水动力作用不断冲刷，在向斜区域水流作用较弱的低洼区域发生沉积现象。测深仪获取的水深数据能够全面反映海底地形的总体等深线情况，对于海底地形的总体特征描述较为直观，浅地层剖面仪能够获得丰富的海底底质分层情况，能够清晰反映出地质构造运动造成的褶皱，以及水流作用下的冲刷和沉积现象。这些丰富的海底底质资料的获取对于下一步的清障施工来说具有重要的指导意义，提高了水下钻孔爆破的成功率，增强了爆破施工效果。
3.在浅地层剖面法中，仪器的探测深度与发射声波的频率有关，频率越低，探测深度越深，而对于常规的线性调频脉冲，为了获得足够穿透性的低频脉冲，它的换能器尺寸必须很大，因此，其在工程勘察中并不实用。为了解决上述问题，参量阵技术被引入到了浅地层剖面法中。参量阵技术是利用声波在介质中传播的非线性特性，使用两个沿同一方向传播的不同频率的高频初始波，产生频差，从而获得指向性高，穿透性好的低频声波。在介质中，由声源发射两个频率分别为的指向相同，频率相近的高频声波，称为主频。由于高频声波辐射的波束较窄，因此声波在传播过程中主瓣能量较强，旁瓣能量较弱，有效削弱了旁瓣效应，使能量在辐射范围内集中。在两个主频辐射的重叠区域内，由于声波之间的非线性作用，产生了频差为的低频二次声波，称为差频，其传播方向的轴线与初始声波保持一致。因此，可以将差频看作一个沿主频波束轴向连续分布的虚拟线阵。由于差频的相位沿波束轴向发生变化，因此在波束轴向上的声场最强。通过参量阵技术，能够产生低频的声波脉冲。主频的频率高，衰减快，可以用于水深的测量，而差频频率低，穿透性好，可用于探测水下地层结构。其探测深度介质对主频和差频的吸收和削弱效果决定。另外，通过调节主频，实现可控的频差，以便于对不同探测精度和探测深度要求的目标进行识别和分类。测区内南部水下地形变化较大，有一高差较大的陡坎，向北逐渐趋于平缓。浅层剖面法对于陡坎处地层信息反映并不明显。这是由于换能器在航行过程中一直保持与水面平行，声波近似可以认为是垂直向下发射的，而当遇到陡坎时，换能器与陡坎面形成一个较大的角度，大部分能量被反射，剩余的能量不足以穿透地层，为水下地形图的绘制提供了依据；地层分布对黏土层、粉土层和砂层之间的反射界面反映较为明显，对砂层以下的界面反映不足，能够获得更加准确，更加完善的水底和水底以下地质信息。
三、结语
TriTech SeaKing SBP浅地层剖面仪是英国生产进口的一套体积比较小的浅地层剖面仪，在海洋开发和海底测绘中也得到了广泛的使用，目前海洋测绘单位主要以进口产品为主，进口浅地层剖面仪可靠性高、分辨率高及信号处理技术成熟，安装方便，安装便利，实用性高，对生态环境没有破坏，测量时间短，不会影响航道的正常运行，且可以对采集数据实时成图，及时发现和记录有效的地质信息
参考文献：
【1】梁昱.多波束测量技术在海底地形浅点探测中的应用[J].现代测绘.2017（3）:19~21.
【2】李安龙，肖鹏，等.基于浅剖数据的三维海底地层模型构造[J].中国海洋大学学报.2018（3）:
91~95.
【3】魏志强，张志强，等. 浅地层剖面仪在大亚湾海底管道检测中的应用[J].海洋测绘.2019（11）：71~73.
【4】李一保,张玉芬,等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用[J].工程地球物理学报,2017,4(1):4~8.