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浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用.doc

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浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用.doc
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浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用杨仁辉(中交广州航道局有限公司 广州 510220)内容摘要:目前有多种障碍物的探测手段,包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。浅地层剖面法可以对浅地层埋藏障碍物进行探测,选择窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术(Chirp)的浅地层剖面仪,采取一些必要的方法和条件,可以取得比较满意的探测结果。关键词:障碍物;浅地层剖面仪;反射系数;分辨率;天然气管线;扫测;沉船1前言在石油天然气开采、管线铺设、航道开挖、码头、桥梁等海洋工程项目施工区域内,经常存在诸如沉船、礁石、管线、残留物体等影响设计施工的障碍物。这些障碍物需要在设计施工前进行探测,摸清障碍物的类型和分布,采取有效的措施进行规避或清除。目前,有多种障碍物探测的手段,包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。每一种探测方法都存在优点和不足,单纯依靠一种方法无法对障碍物进行全面的探测,通常做法是根据区域特点综合多种手段实施作业的。但前述这些手段中大多数都是针对表层障碍物,只有浅地层剖面法可以开展浅地层内的障碍物探测。基于原理和目标的不同,浅地层剖面法对障碍物的探测有着相对特殊的应用方法。2浅地层剖面仪原理浅地层剖面仪(以下简称浅剖仪)又称次海底剖面仪,它是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具,其工作原理与回声测深仪相同 [1]。浅剖仪一般由收发机、换能器、电源等组成,换能器周期性向海底发射低频声波信号,声波遇到海底地层界面时产生反射信号,经收发机接收处理绘制成海底地层剖面图像。浅地层剖面法优点是在同一剖面上能快速不间断地进行扫描探测,对于有一定规模的障碍物的探测,无论其是否有掩护,探测效果都较好,一般常用浅地层剖面法探测障碍物以提供准确的平面位置及埋深 [2]。图 2-1 浅剖仪工作示意图2.1反射系数由于声波的海底反射能量大小由反射系数(R)决定,反射系数R为:R=ρ 2v2-ρ 1v1 ρ 2v2+ρ 1v1 [3]ρ1 V1,ρ2 V2 分别表示一、二层介质的密度和声速, ρV 称为声阻率,简单地说,海底相邻两层存在一定声阻率量差,就能在剖面仪显示器上反映两相邻的界面线,并能分别显示两层沉积物的性质图像特性差异。2.2分辨率浅剖仪的分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率,垂直分辨率指在纵向上能分辨岩层的最小厚度,横向分辨率指在横向上确定地质体(如断层点、尖灭点)位置和边界的精确程度 [4]。垂直分辨率与反射脉冲宽度相关:垂直分辨率=1 2Cτ式中: C:声速τ:脉冲宽度在特定区域内地层的声速是固定的,所以要获得高垂直分辨率就要使用窄的脉冲宽度,而脉冲宽度过窄会影响穿透深度。所以目前多数浅剖仪都采用匹配滤波技术(Chirp) ,既获得较窄的脉冲宽度保证垂直分辨率又能穿透较深的地层。水平分辨率取决于第一菲涅尔带的宽度。第一菲涅尔带对水平分辨率影响因素是这个带的半径大小,其半径 R可由下式表示:R=1 2v(t f) 1 2式中:t:到达反射体的时间(s)V:声源与反射体之间介质的平均速度(m/s)f: 声波信号的频率(Hz)菲涅尔带是一个圆弧带,中心距这个带的边缘是 1/4λ,R 小,剖面声图能反映探测反射界面的小隆起和凹陷形态;R 大,剖面声图不能反映出所探测反射界面的小隆起和小凹陷地貌形态。3应用分析使用浅剖仪探测障碍物主要关注问题在于两点,一是对障碍物图像识别;二是对障碍物位置确定。根据浅剖仪的原理,障碍物的成像首先取决于障碍物与周围地层的声阻率,声阻率越大图像界限就越明显;其次取决于仪器分辨率,分辨率越好能识别的障碍物的尺寸越小。障碍物的位置确定主要取决于水平分辨率,由于定位仪器的精度是相对稳定的,所以水平分辨率越高定位半径越小,位置越准确。所以在浅剖仪的选择上应偏重于窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术(Chirp)的仪器。比如TELEDYNE公司的 ChirpⅢ浅地层剖面仪,采用匹配滤波技术(Chirp) ,有两种换能器选择,2-7kHz 和 10-20kHz,表 3-1为计算得到的参数。图 3-1 ChirpⅢ浅地层剖面仪ChirpⅢ浅地层剖面仪计算参数 表 3-110kHz 20kHz 2kHz 7kHz垂 直水 平 0.34cm 0.24cm 0.75cm 0.4cm7.5cm 15cm参 数分 辨 率穿 透 性说 明 : 声 速 采 用 1500m/s, 水 平 分 辨 率 为 第 一 菲 涅 尔 带 半 径 , 穿 透 性 为 厂 家 数 据 。高 频 传 感 器 低 频 传 感 器泥 沙 30m 泥 沙 50m另外在使用浅剖仪进行探测时还应该注意以下几点:1 采用旁挂式安装,避免拖曳式安装带来的位置误差;2 采用高平潮时段进行作业,保证天气状况良好,换能器远离发动机,
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