李思辰，黃為，崔雙利

（1遼寧江河水利水電新技術設計研究院，遼寧沈陽110003；2遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003）

用參量陣聲納技術探測水下淺地層淤積

李思辰1，黃為2，崔雙利2

（1遼寧江河水利水電新技術設計研究院，遼寧沈陽110003；2遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003）

文章介紹了新型參量陣非線性調頻聲吶探測系統(tǒng)的工作原理、技術特點及信號采集和處理方法，并通過在某水庫淤積探測的應用實例，對其應用效果作了評價。

參量陣；聲納探測；水庫淤積

傳統(tǒng)淺地層剖面儀均采用線性調頻聲吶作為聲源，來探測水底淺地層的構造情況。由于受線性調頻聲吶工作機理的限制，為了產生具有足夠穿透力的低頻，它的換能器必須做得大而重，因此安裝很不方便。此外，其波束角較大，因而對地層的分辨率也較差。

為了克服線性調頻聲吶的不足,采用參量陣非線性調頻原理，聲吶換能器發(fā)射的頻率可以變得很低,具有很強的穿透性。換能器變得體積小、重量輕,而且發(fā)射的波束角很小,具有很高的分辨率,可以探測水底淺部地層的詳細情況。

遼寧省水科院2014年通過水利部“948”計劃項目資助，引進了德國先進的水庫淤積探測設備（SES-2000 light Plus），是一種采用參量陣非線性調頻技術探測水深及水底淺地層剖面的新型儀器，具有輕便靈活、高分辨率、高精度特點，通過實際應用獲得很好的水底地層淤積探測效果。

1 參量陣（非線性調頻）聲吶的工作原理

參量陣聲吶在高壓下同時向水底發(fā)射兩個頻率接近的高頻聲波信號（f1，f2）作為主頻，當聲波作用于水體時，會產生一系列二次頻率如f1，f2，（f1+f2），（f1-f2），2f1，2f2等。其中的f1高頻用于探測水深，而f1，f2的頻率非常接近。因此（f1-f2）頻率很低，具有很強的穿透性，可以用來探測水底淺地層剖面。

SES-2000 light Plus采用兩個100Khz的頻率作為主頻,由于100Khz的換能器有一定的帶寬,因此利用二者之差可以獲得多個低頻。例如：用105Khz-100Khz可獲得5Khz低頻，其它依此類推。SES-2000 light Plus的可選頻率有5Khz、6Khz、8Khz、10Khz、12Khz、15Khz。在測量時可以根據測區(qū)的具體情況，通過軟件來選擇所需的頻率。

SES-2000 light Plus聲吶發(fā)射（接收）裝置換能器固定在測船水下，按一定時間，間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過水體觸及水底以后，部分聲能反射回換能器；另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時回波陸續(xù)返回被接收。聲波傳播的聲能隨傳播深度逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。通過測量聲波到達水底的時間和穿過水底兩界面地層之間的時間差，與水中聲速和地層的聲速乘積，算出水深和地層厚度。

2 淺地層剖面儀的特點

1）換能器體積小、重量輕，便于船舷安裝。由于SES-2000 light Plus的低頻是通過差頻獲得，其換能器大小為0.30 m×0.26 m×0.07 m，重量僅為25 kg。通過安裝桿,可以快速方便地安裝在船舷上，大大提高了測量作業(yè)的靈活性。換能器安裝遵循避免測船噪音和換能器面的流噪音的原則，使其緊固的安裝在測船上（見圖1所示）。工作時換能器必須位于水面以下，要求超過船底水深。換能器在放入水面以下一定深度后，鎖緊固定管箍，使其在測船航行時不得顫動，以避免進入換能器任何噪音。

2）低頻的波束指向性好,沒有旁瓣,具有很高的分辨率。SES-2000 light Plus參量陣聲吶的最大優(yōu)點是其低頻的束角為±1.8°，而且所有頻率的束角均相同。系統(tǒng)具有很高的分辨率。100Khz的頻率其測深精度可達0.02 m±0.02%×水深。其差頻對地層及水底目標的分辨率可達到5 cm。

3）換能器可以變頻。SES-2000 light Plus系統(tǒng)有5Khz，6Khz，8Khz，10Khz，12Khz，15Khz多種頻率供選擇，在不同的地區(qū)，可根據試驗剖面的測量結果來選擇最佳的工作頻率，達到最佳的探測效果。

4）換能器具有測掃功能。SES-2000 light Plus系統(tǒng)通過安裝在淺剖聲納左右的測掃換能器，向水下發(fā)射一個短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播，碰到水中物體會產生散射，其中的反向散射波（也叫回波）會按原傳播路徑返回換能器被換能器接收。通過實時記錄往返路徑時間與水中波速乘積結果的點位信息，經處理分析來識別水底障礙物目標、形狀和位置等詳細構造信息。側掃有三種可供選擇頻率，分別為250khz、410khz、600khz，分辨率取決于沉積物反射強度和發(fā)射頻率的設置。

3 信號采集及處理技術

1）信號采集。水上測淤數據采集工作，一般分兩步進行。第一步為設備安裝調試。分別進行測船換能器固定安裝、淺剖主機安裝、姿態(tài)儀傳感器固定安裝、GPS導航定位系統(tǒng)R4基站和RTK流動站的安裝，之后對淺剖主機、姿態(tài)儀及GPS導航定位系統(tǒng)進行參數設置。第二步為水庫淤積數據采集。測船首先定位測量剖面坐標，而后在GPS導航定位指引下沿剖面行進，在此過程中實時對水底深度及水下地層剖面深度進行數據采集。探測過程中，系統(tǒng)將所有原始數據存儲在硬盤中，這些數據可以回放。系統(tǒng)控制軟件可實時顯示測深及淺地層剖面圖像。

2）信號處理。采用后處理軟件ISE2處理每條采集測線剖面。處理步驟包括點位高程數據轉換，除去水體雜波，自動計算水深曲線，水底分層曲線的繪制，分層數據導出，導出剖面圖片等。由于SES-2000 light Plus的Windows控制軟件采用了先進的信號處理技術，通過上述數據處理步驟獲得了測線高分辨率的淺地層剖面圖像，及測線淺剖各層的位置坐標、深度等數據。

4 淤積探測應用

2015年5月，利用SES-2000 light Plus新型參量陣淺地層剖面儀，在柴河水庫進行了為期3周的探測,獲得庫區(qū)15 km范圍內80條測線的水下剖面數據。探測工作的主要目的是探查水底淤積情況，包括庫區(qū)水底的深度,淤積層厚度等信息。

1）系統(tǒng)安裝及調試。測量工作是在一條水文測船上進行的，SES-2000 light Plus淺剖換能器通過鋼管安裝架安裝在船舷上。為了選擇最佳參數，測船首先完成了幾條不同的試驗剖面，以確定合適的頻率。由于低頻的穿透深度總是和水底地層的物性有關，因此在不同的工區(qū)應選擇不同的頻率。一般說來，頻率越低則穿透深度越大，但降低頻率將損失分辨率。根據試驗，在柴河水庫水底淤積層，選用8Khz的差頻淺剖頻率。

2）測量結果。針對采集獲得的80條測線數據，通過后處理軟件處理生成水底剖面圖像（圖略）。由儀器高頻聲波形成的反射面、低頻（非線性差頻）聲波獲得的反射面，可看出淤積層厚度在0.5 m左右。同時獲得的水底層及水底淤積層的大地坐標、深度等數據（見表1所示）。

表1 柴河水庫聲吶探測34號測線水底淺剖數據（部分）

在此基礎上計算測區(qū)淤積量。淤積量計算方法是將測區(qū)按測線分成若干塊，利用已測到的淤積層剖面位置坐標及淤積層厚度數據，運用相關軟件計算每塊淤積量，而后將各塊淤積量累加，得到柴河水庫測區(qū)范圍內淤積總量為704萬m3，約占水庫最大庫容的1.1%。

5 結語

SES-2000 light Plus系統(tǒng)由于采用參量陣非線性調頻聲吶，其換能器體積小、重量輕，波束角小、指向性好，加之系統(tǒng)先進、獨特的信號處理技術，因此具有很高的分辨率，能探測水底淺地層剖面的詳細情況。

利用該系統(tǒng)在柴河水庫進行的探測應用結果表明：高分辨率的SES-2000 light Plus探測系統(tǒng)采集數據經一系列專用軟件處理后，得到各條測線淺剖圖像，及水面、水底、淺剖淤積層的大地坐標和深度等詳細信息，并通過其計算出較精確斷面間淤積層方量和整個測區(qū)淤積總量。這些數據為進一步研究分析柴河水庫的淤積量變化規(guī)律,提供數據依據。

［1］祝鴻浩，王錦柏.參量陣淺剖儀及其信號預處理方法研究［J］.現代電子技術，2015(9),47.

［2］張兆富.SES-96參量陣測深/淺地層剖面儀的特點及其應用［J］.中國港灣建設，2001（03）41-44.

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2016-10-28