第15卷 第3期1996年9月
海 洋 技 术
OCEAN TECHNOLOGY
Vol.15,No.3
Sept,1996海底勘查技术的最新发展
陈卫民
(青岛海洋大学)
摘 要
本文将介绍用于探测海底三维地质特征的海底勘查的最新发展。它主要包括海底地形测绘技 华董术、海底形貌观测技术、海底地层声学探测技术等。
目前国内外多使用回声测深仪、旁侧扫描声纳和浅地层剖面仪等高分辩率的声学探测系统进行海底调查，配合高精度的导航定位，可获得海底表面和浅地层三维的地质特征。结合表层样、柱状样、钻探取心等取样分析及现场利用小型十字板、海洋工程落锥、手持式穿透仪等工具进行岩土工程性质(密度、抗剪强度、孔隙水压力等)的原位测试，达到海底综合勘查的目的，为海洋资源的开发利用和海洋工程的设计、施工及日后防护提供依据和保证。近十几年来，欧美国家已陆续发明生产了诸如多波束海底测深仪、数字式旁扫声纳、长程旁扫声纳(GLORIA)及全方位变焦扇形扫描声纳等新的海底探测系统，使海底勘查技术日趋完善。 1 海底地形测绘技术(T echnique of the Seafloor T opog raphic Surv ey)
海底地形的测绘技术发展很快，本世纪二十年代，回声测深仪的发明使用取代了杆测、锤测等原始的海底地形观测方法。目前，欧美等发达国家已研制了生产了多波束测深系统，可同时测量出海底一个条带内数十个水深值，这种测深系统的测量速度快、精度高，记录数字化和瞬时自动绘图，把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图。目前，已投入使用的多波束测深系统及其主要参数如表1所示:
巨大奇迹
表1 多波束测深系统
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表1续
EM10095322/2.540/80/104420
45602906,000 Benig raph10002000.510050
7402000.7510050
500200110060
各种新的多波束测深绘图系统正在研制，它们可用于极浅水域的调查。现介绍目前国际上已投入生产应用的两套系统,Sea Beam和EM100型。
1.1 多波束海底测深仪Sea Beam型(M ulti-Beam Echo Sounder Sea Beam)
这是一种应用于深水环境(大于600m)的多波束扫描测深系统，简称Sea Beam。它是由美国通用仪器公司(GI)首次于1977年推出使用的一种应用于较深水域的水深测量装置。Sea Beam系统的换能器安装在船底，同时用16个相邻的波束(左、右舷各8个)探测航迹两侧海底的水深。每个波束覆盖的角面积为2.67°×2.67°，扫描角度单个波束角宽之和42.67°。对海底的扫描宽度取决于海洋深度。在陆架边缘(水深200m左右)，在海底的扫描宽度约为150m，在水深5000m处，扫描宽度可达4000m。Sea Beam系统可能应用到的最大水深为11000m，工作频率为12kHz，据其调查结果可以调绘出的测深图的等深线间隔可精确到2m。Sea Beam系统可以与地震反射设备同时使用，对描绘海底形态及象盐丘和底辟这类油气构造圈的岩性特征是很有用的。
1.2 多波束海底测深仪EM100型(EM100M ultibeam Echo Sounder)
这是一种应用于浅水环境(10～600m)中的多波束扫描测深系统，简称EM100。它是由美国SIM RAD公司首次于1986年在挪威沿海调查时推出的一种测深装置，故常称SIM RAD EM100系统。与Sea Beam系统不同,EM100系统配备有32个声波束(左、右舷各16个)，用于探测船航迹两侧海底的水深值(可同时获得32个水深值)，每个波束的波束角宽为2°/2.5°可调，整个系统的扫描宽度为诸波束角度之和，为40°/80°/104°，也是可调的。由于EM100型比Sea Beam型具有宽角覆盖的优点(104°比42.7°)，
从而有较宽的海底扫描宽度。并且因为在浅水中声波的传播时间减少,EM100型采集水深数据的速度更快。因此，在浅水环境中，多用EM100系统取代Sea Beam系统进行水深地形测量。EM100型所调查的水域的水深最大可达700m，换能器的工作频率为95kH z，因此其具有较高的分辩率和精度，是进行大陆边缘调查的一种快速、经济、并具有一定精度的重要工具。轮道
扬州一工地坍塌2 海底形貌观测技术(T echnique of Seafloor M orphological Survey)
是指利用声纳系统对海底表面形态进行扫描探测的调查技术。扫描声纳是得用高频声波在海底反射的原理来探测海底地貌、沉积结构的一种仪器，其图谱记录如同水下摄影一样呈现海底几乎所有的表面形貌特征，提供二维的海底平面图。1960年英国海洋科学研究所(IOS)研制出第一台旁扫声纳并用于海底调查。60年代技术得到改进，提高了分辩率和图象质量等探测性能，并开始使用拖曳体装载换能器阵。70年代研制出适用不同用途的声纳系统，轻便型仅
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重14kg。目前，已在原模拟式声纳的基础上发展出能进行数字记录和计算机处理的数字式旁扫声纳，极大地改进了图谱质量和应用能力，使海底形貌的观测技术有了极大地飞跃。近年来，欧美等发达国家已研制生产出长程旁扫声纳，中程旁扫声纳等系统，利用深拖装置，将海底形貌的探测由浅海区扩展到水深达5,000m以上的深海区。近年来又研制了全方位变焦扇形扫描声纳，使海底形貌的观测技术，
向着全自动化的方向不断发展。
2.1 数字式旁扫声纳(Digital Side Scan Sonar)
是一种以模拟式旁扫声纳为基础，可进行数字记录和数据处理，提供高质量海底形貌特征的水下声波探测系统。已得到广泛应用的模拟式旁扫声纳仅得到海底返程回声的物理轨迹，而数字式旁扫声纳则采用高密度磁带收集记录不同强度的海底回声的各项参数，使声纳记录数字化，并利用匹配的计算机系统对磁带记录的数据信息进行处理加工，以改变图谱比例，修正因声波传播的衰减引起的幅度误差，以及拖拽高度和船速变化引起的误差、斜距误差等，并能进行声纳图谱的镶嵌处理，大大提高了海底地貌图象的质量。全数字式旁扫声纳具有智能功能，与模拟式声纳相比具有以下特点:¹可利用计算机键盘、操纵杆、光笔等手段进行人机对话，以设置工作参数和选择工作方式，并可程控某段时间内的工作状态。º具有多通道记录和实时处理的能力。»具有多目标跟踪的能力，可同时跟踪4～12个目标，并可测定其参数。¼用机助和自动判读装置取代模拟式声纳的人工判读，极大提高了解译能力和解译速度。½具有环境匹配处理器，可以提高严重干扰环境中的工作性能。¾有的声纳已采用自适应波束形成技术，可以提高抗干扰能力和对目标的分辩能力。随着微电子技术的发展，数字化旁扫声纳的硬逻辑线路逐渐被微处理机和单片VLSI信号处理器代替，向可编程序组合式方向发展。
2.2 长程数字旁扫声纳(Geolog ical Long Range inclined Asdic)
用于探测深海海底表面形貌特征的长量程数字化的扫描声纳系统。又称地质远距离倾斜声纳，简称GLORIA。GLORIA是1970年由英国海洋科学研究所(IOS)研制，并由英国M ar-coni公司制造生产，由美国地质调查所使用。目的是获取大陆架以外，专属经济区(EEZ)的较深水域海底表面二维的声学图象。它由一个2t重,8m长的传感器构成，工作时放在水下50m，以8～10kn(约4～5m/s)的速度拖拽前进。对海底的扫描宽度因水深不同而异，可设置为14km,30km和60km。在5,000水深的深海中测量时，扫描宽度为60km，每个工作日可探测27,000km2的面积，对海底的分辩率为数十米。由此可见,GLORIA是一种快速有效地大面积进行海底探测的工具。GLORIA的主要作用是给地质学家提供有价值的海底初步地貌，使他们了解海底构造和地质条件。数字化的GLORIA是由美国地质调查所(U SGS)研制的小型图象处理系统(M IPS)对采集记录在磁带上的原始数据进行几何校正和幅射校正(船速误差、海底倾斜距离、海水密度变化等)，并进行放大，显示以及与其它类型的数据合成，大大提高了声纳的记录质量，使成图逐步自动化，并使调查结果日趋完善,GLORIA数字资料经过进一步与测深、磁力、重力和其他数据在数据库中综合后，将变得更加有用，使地质解释更加精确。
2.3 中程旁扫声纳(M iddle Range Side Scan Sonar)
用于探测海底表面形貌特征，分辩率(几厘米至几米)和扫描宽度(1,000～5,000m)居中的扫描声纳系统。又称海洋填图和遥控特性系统(Sea M apping and Remote Characterization Systems)简称Sea M ARC.Sea M ARCI和Sea M ARCII是由国际海底技术有限公司(IST)分别和拉蒙特—多尔蒂观测所及夏
威夷地理物理研究院(HIG)研制的，这是目前这类系统中的
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两种。和长程旁扫声纳(GLORIA)一样，中程旁扫声纳系统记录海底的声波反射，但其具有很高的分辩力，常用于更详细的调查。对寻求海底特殊资源有兴趣的采矿者特别有用。Sea M ARCⅠ接近海底拖曳(海底上100～300m)，扫描宽度为1,000或5,000m，工作频率为10～80kHz，可能分辩构造和火山要素，包括小至3m的起伏。Sea M ARCⅡ在水中拖曳高度比Sea M ARCⅠ高，比GLORIA低，是中长量程的声纳系统。拖曳速度较快(8kn)，填图扫描宽度为10km，理论分辩率为6m，可以得到比GLORIA更清晰、比例尺更小的特征图象，并为地质调查提供更有用的性能。另外两种Sea MARC系统(Sea M ARC T AMU和Sea M ARC CL)正在研制，它们的能力是既能获得测深资料，也能获得反向散射成象，逐步缩小了Sea MARC和Sea Beam系统之间的差别。随拖曳载体和遥测系统的设计、信号的处理、用于传感器的材料和图象记录系统的改进，海底填图系统将进一步完善。
2.4 全方位变焦扇形扫描声纳(Sector Scanning Sonar w ith Full360°Scan Capability and
崔亚东事件最新进展T rue Zoo m M odel)
具有360°全方位扫描能力和变焦显示功能的扇形扫描声纳系统。是目前国际上最先进的海底形貌的探
测系统。它由一台全能的声学处理器(U AP)，彩视频监视器，水下扫描单元(换能器)，拖缆及储存在软盘上的工作软件包等所组成。本系统可快速扫描，高分辩率地显示水下底床表面的信息，具有360°全方位扫描的能力，可使我们在彩屏幕上直接观测到换能器下扫描范围内任何一点的海底表面信息，并具有记忆电路，可连续显示出每个扇面的扫描情况，利用变焦方式，任意选取画面进行放大或缩小，提高图象的分辩力，还能启动电视遥控开关，对扫描重点进行录象。本系统广泛应用于船只导航、航道疏浚、水下目标搜寻，水下场地条件评价，海底剖面调查及一般的声纳成图等海底探测工作中。用户可通过3.5”的软盘将软件应用到系统中，以满足不同的工作要求。
3 海底地层声学探测技术(T echniques of the Sea Bottom Coust ic Survey)
利用地层剖面仪系统，对海底下的地层性质进行声波探测的调查技术。地层剖面仪可提供调查船正下方的垂直剖面信息，它对海底有一定的穿透深度，能准确反映出海底下不同深度地层的结构构造特征。高能发射的低频声波穿入海底，部分能量由地层深部各声学反射界面反射回来被换能器所接收，反射信号转化后依次以时间函数的形式记录下来，构成一幅连续的地层剖面。地层厚度、层理结构及地层中异常的埋藏体如浅层气、断层、埋藏古河道等均可清晰的反映在记录纸上。根据剖面系统的穿透深度和分辩率的不同，可将其分成浅层(穿透深度小于50m，分辩率0.5～1.0m，如3.5kHz浅地层剖面仪)，中层(穿透深度小于200m，分辩率1～2m，如轰鸣器，小型电火花、声脉冲发生器等)，和深层(穿透深度可达1000m，分辩率大于2m，如电火花、水、等)三套系统。
腔道介入
由于发射声能，声波频率等物理要素的影响，使得穿透深度，分辨率之间的矛盾难以克服，故目前的声学剖面探测技术仅在资料处理、压制直达波和多次波干扰等方面取得一些进展，在探测技术上尚无重大突破。
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4 享特克深拖系统(Huntec Deep-tw o Sy stem)
是加拿大亨特克(H untec)公司研制的一种高速深海测绘系统。Deep-to w是一种最完善的深海拖曳装置，它的成套设备包含了所有的海底数据的收集能力，旁侧声纳、磁力仪、立体摄象机、CTD传感器、应答器等设备同时装入拖曳在海底附近(水深>300m)的运载体中，以2～6kn的拖曳速度工作，探测深度可达2000ft。如果具有精确的导航系统保证，本系统可提供:¹用旁扫声纳扫描，记录测线之间空白区高分辩率的地形剖面图;º装置下方的浅地层剖面;»沿航迹的磁力异常;¼整个航道的电视录象;½有意义的目标物，地质要求的立体照片;¾根据调查人员的判断，可停下来采样。这种包括测深，浅地层剖面探测，声纳扫描，声学信标及海底资源探测在内的综合性多功能的深海测绘系统可在一个航次完成各类不同的任务，既节省时间，又节省人力和设备，且不受恶劣海况影响记录质量，因而尤其适用於海底资源(如锰结核)探测。
综上所述，近年来海底勘查技术已得到迅猛发展，特别是测深技术与声纳扫描技术的发展，使海洋地
质学家更加迅速地获取海底，特别是深海海底的地质特征，使人类对海洋的认识更趋完善与彻底。
参 考 文 献
1 海洋地质,1987年增刊，地矿部广州海洋地质调查局情报室
2 海洋开发的新领域(上)，地矿部广州海洋地质调查局情报室
Development of the Seafloor Survey T echnology
Chen W eimin
(Ocean U niver sity of Q ingdao,Q ingdao,266003)
Abstract
This paper describes the new est development of the seaflo or survey technolog y exploring 3-D geolog ical features o f the sea bottom.This includes m ainly the technique o f the sealo or topo graphic survey,the technique of the seafloo r mopho logical survey and the technique o f the sea subbo ttom profile survey etc.
key wo rds:seafloor survey so nar,pr ofiler multi-beam sw ath so unding sy stem
