近年來，我國沿海地區(qū)的近海及遠(yuǎn)海工程項(xiàng)目越來越多,在項(xiàng)目初步階段，需要對工程區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)情況作初步的了解，如果通過地質(zhì)鉆探等方法，因?yàn)楹r條件的限制，投入的成本、時間較高。所以，在項(xiàng)目初期，測掃聲吶、淺地層剖面探測儀等探測海底地形、地質(zhì)的應(yīng)用較多。海底底質(zhì)探測主要是針對海底表面及淺層沉積物性質(zhì)進(jìn)行的測量。在所有的海底底質(zhì)探測手段中，基于聲學(xué)設(shè)備通過獲取海底底質(zhì)聲納圖像反映海床底質(zhì)、地貌的方法具有簡單、有效等特點(diǎn)。
1 、測掃聲吶
海底地貌的探測通常采用的是側(cè)掃聲納系統(tǒng)，側(cè)掃聲納是一種主要用于大洋底勘探，而不是用于測量距離或深度的聲納，它可顯示海底地貌，確定目標(biāo)的概略位置和高度。海底地貌探測一般采用的是雙側(cè)掃聲納，把兩個換能器裝在稱為“魚”形或流線型的拖曳體內(nèi)，為了獲得最佳效果，拖曳體離海底的深度是可調(diào)的。測掃聲吶組成可分為換能器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、記錄器、主控電路六個主要部份。如下圖：
側(cè)掃聲納系統(tǒng)的橫向測掃寬度范圍取決于許多因素，包括：發(fā)射的頻率和脈沖速率；聲能和聲脈沖的方向性；換能器的傾斜角；拖魚在海底上面的高度；介質(zhì)和反射面的物理性質(zhì)。回波信號的強(qiáng)弱除與海底地貌的起伏、海底底質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān)外，還與傳播路徑的遠(yuǎn)近有關(guān)，在海底平坦處，回波信號的強(qiáng)度隨著距離的增大而迅速減弱。海底隆起物反映在記錄紙上是左黑右白的圖形，黑的部分是隆起物朝向測量船方向的正面，而白的部分是該隆起物背后的陰影。對于海底凹陷部位 (如溝或坑)，沒有回波，反映在記錄紙上為白色；而朝向換能器的一側(cè)，反向散射回波變強(qiáng)，反映在記錄紙上為黑色。海底凹陷部位的地貌聲圖是先白后黑，白色“影子”的長短在一定條件下反映出凹陷部位的深淺程度。
為了能從聲圖上繁雜的圖像中判讀出目標(biāo)圖像及地貌圖像，需對各類聲信號的圖像進(jìn)行分類，聲圖圖像可分成四類，即目標(biāo)圖像，海底地貌圖像，水體圖像和干擾圖像。
目標(biāo)圖像包括沉船、沉魚雷、礁石、海底管線、魚群及海水中各種礙航物和建筑物的圖像。
海底地貌圖像包括海底起伏形態(tài)圖像、海底底質(zhì)類型圖像、海底起伏和底質(zhì)混合圖像。海底起伏形態(tài)圖像如沙波、沙洲、溝槽、沙礫脊、沙丘、凹洼等形態(tài);海底底質(zhì)圖像如漂礫、沙帶、巖石等。
水體圖像包括水體散射、溫度階層、尾流、海面反射等水體運(yùn)動形成的圖像。干擾圖像包括換能器基陣橫向、縱向和舶向產(chǎn)生搖擺的干擾圖像，海底和水體等的混響干擾圖像，各種電子儀器及交流電源產(chǎn)生噪聲的干擾圖像。聲納圖像是海底目標(biāo)、海底地貌、水體和干擾等多種反射聲波的接收信號特征的記錄，這些特征稱之為判讀特征，也稱判讀標(biāo)志。影響判讀效果的因素是多方面的，當(dāng)各種判讀因素提供得充分時，判讀成功率高。影響判讀聲圖中的目標(biāo)和地貌成功率的主要因素有判讀人員對聲圖的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、特征的理解認(rèn)識程度、掃測記錄的詳盡程度、掃測符合規(guī)定要求情況、儀器狀態(tài)以及聲圖圖像清晰程度等。
測掃聲吶顯示海底地貌
2、淺地層剖面系統(tǒng)
海底淺地層剖面儀是研究海底各層形態(tài)構(gòu)造和其厚度的有效工具。淺地層剖面儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、換能器、記錄器、電源等組成。發(fā)射機(jī)受記錄器的控制，發(fā)射換能器周期性的向海底發(fā)射低頻超聲波脈沖，當(dāng)聲波遇到海底及其以下地層界面時，產(chǎn)生反射，返回信號，經(jīng)接收換能器接收，接收機(jī)放大，最后輸給記錄器，根據(jù)淺地層剖面儀探測的海底回波的強(qiáng)度可以繪制淺地層剖面圖，自動繪制出海底及海底以下幾十米的地層剖面，淺地層剖面圖是反映海底淺地層底質(zhì)性質(zhì)的斷面圖或圖像。
淺地層剖面儀系統(tǒng)組成
海底淺層剖面儀的探測深度與工作頻率有關(guān)。常應(yīng)用的工作頻率為3.5kHz~2kHz，探測地層深度范圍為20m ~100m，頻率增高，聲波吸收衰減加大，探測深度減小，頻率低，探測深度大，但是，剖面儀的分辨率較差。通過典型的聲波特征來大面積劃分水底的底質(zhì)類型（包括海底、湖底、河底） ，這種技術(shù)已經(jīng)成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域已越來越廣泛，典型的應(yīng)用包括：
1.海底工程（管線路由調(diào)查、井場調(diào)查、錨地選址等）
2.軍事（潛艇機(jī)動、布雷）
3.環(huán)境保護(hù)及工程評價(jià)
4.漁業(yè)資源調(diào)查及生態(tài)環(huán)境評估
5.海洋聲學(xué)特性研究
6. 港口、碼頭疏浚施工
7. 沙源勘探
圖2 淺地層剖面圖像示意
3 底質(zhì)分類的方法
底質(zhì)分類的能力和效果不僅取決于所使用的設(shè)備儀器,還取決于分類算法。剖面聲納和使用的都是正入射信號,回波中能更多地?cái)y帶地層信息,能以較高的置信度推測沉積物的物理性質(zhì)。在現(xiàn)有的底質(zhì)分類工作基礎(chǔ)上,追蹤國際聲學(xué)底質(zhì)分類技術(shù)的最新動態(tài),利用大量歷史地質(zhì)取樣、多波束、淺層剖面數(shù)據(jù),通過聲學(xué)理論模型和物理模擬仿真建立海底聲學(xué)底質(zhì)分類模型是未來海底底質(zhì)分類研究發(fā)展的主要方向。開發(fā)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),采集大量示范區(qū)的數(shù)據(jù),提取聲納數(shù)據(jù)的特征,進(jìn)行樣本訓(xùn)練,修正海底聲學(xué)底質(zhì)分類模型,即可在示范區(qū)進(jìn)行海底多參數(shù)底質(zhì)分類。
對用剖面聲納、測掃提取的聲學(xué)特征進(jìn)行以下幾種方法的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析,以進(jìn)行海底底質(zhì)分類。
(1)反射系數(shù)
(2)累積能量歸一曲線(取決于沉積物衰減系數(shù))
(3)反射信號的時域波形特征(幅度分布統(tǒng)計(jì)、直方圖等)
(4)反射信號的頻域特征
(5)回波的Ping間相關(guān)統(tǒng)計(jì)。
