近年來，我國沿海地區(qū)的近海及遠海工程項目越來越多,在項目初步階段，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，因為海況條件的限制，投入的成本、時間較高。所以，在項目初期，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。
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、接收機、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)�；夭ㄐ盘柕膹娙醭c海底地貌的起伏、海底底質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān)外，還與傳播路徑的遠近有關(guān)，在海底平坦處，回波信號的強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，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圖像及地貌圖像，需對各類聲信號的圖像進行分類，聲圖圖像可分成四類，即目標圖像，海底地貌圖像，水體圖像和干擾圖像。
目標圖像包括沉船、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、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，也稱判讀標志。影響判讀效果的因素是多方面的，當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、特征的理解認識程度、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、接收機、換能器、記錄器、電源等組成。發(fā)射機受記錄器的控制，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（潛艇機動、布雷）
3.環(huán)境保護及工程評價
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,回波中能更多地攜帶地層信息,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)特征進行以下幾種方法的計算和統(tǒng)計分析,以進行海底底質(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、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。
