海洋地球物理探测技术-刘保华-20060818
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Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
102000 102500
1
4
101500
B
101000
团 岛
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（2）多波束测深技术在 考古调查中的应用
为了探测千岛湖水下古 城－狮城的确切位置、建 筑物现状以及地形地貌， 2002 年 7 月 利 用 Simrad EM3000 多 波 束 测 深 系 统 对 水下古城所在湖域进行了 为期一周的外业勘查，获 得了古城的三维影像图。 从图中可以看出古城墙、 街道和建筑物都有清晰的 显示，为古城的开发、研 究和保护提供了基础资料 和数据。
Side-scan Sonar System
侧扫声纳探测技术起源于二十世纪六十年代，它是 通过发射声波信号，并接收海底反射的回波信号形成声 学图像，以反映海底状况，包括目标物的位置、现状、 高度等。与其它海底探测技术相比，侧扫声纳系统具有 形象直观、分辨率高和覆盖范围大等优点，因而被广泛 应用于航道疏浚、海图绘制、目标物体探测、海缆路由 调查、水下考古、海洋生物数量调查等众多领域。
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
455
190-210 90-110 100-105 120/410双频
100-300
500 750 500 500
10000
2000 3000 1000 1000
Benthos
EdgeTech
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
EdgeTech Model 272-T
测深范围 (m) 1~300m 5~3000m 50~8000m 1~140m 3~700m
扫描宽度 (倍水深) 8 7.4
L-3 ELAC
Seabeam1050 Seabeam2120
Seabat9001
2~4 3.5
RESON
Seabat8111
Seabat8150
EM3000D Kongsberg Simrad EM1002 EM120
1.1 多波束系统工作原理简介
Principle
多波束系统以一定的频率发射沿航迹方向开角窄（θT）而垂直 航迹方向开角宽的波束，形成一个扇形声传播区。多个接收波束横 跨与船龙骨垂直的发射扇区，接收波束垂直航迹方向窄（θR），而 沿航迹方向的波束宽度取决于使用的纵摇稳定方法。单个发射波束 与接收波束的交叉区域称为足印（Footprint）。一个发射和接收循 环通常称为一个声脉冲（Ping）。一个Ping获得的所有足印的覆盖 宽度称为一个测幅（Swath），每个Ping中包含数十个波束，这些波 束对应测量点的水深值就组成了垂直于航迹的水深条带（Swath）。 条带中每个波束测点位置的计算原理如图1所示。将波束的实际传播 路径进行微分，则波束脚印在船体坐标系下的点位(x， y，z)可表达 为：
Βιβλιοθήκη Baidu
99000
98500
F3断
98000
裂
带
98000
225000
225500
226000
226500
227000
227500
98500
99000
100500
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（4）在管线路由调查中的应用
2.侧扫声纳探测技术
1.1 多波束系统工作原理简介
Principle
z z0 C(z) cos (θθ(z))d z x x0 C(z) sin (θθ(z))d z y0
式中（x， y）为位置信息，z为水深 信息。根据该原理，可以得到整个测 深条带内所有波束对应的位置 x和水 深数据。
换能器
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（1）在海缆路由调查中 的应用 亚欧光缆路由调查 （ 1997 年）是我国首次 在海洋工程中应用多波 束测深技术。右图是调 查 中 利 用 Simrad EM950 多波束测深系统测得的 海底地形图。图中蓝线 为计划路由，但是实际 勘测表明，原计划路由 区存在一条较深海沟， 不适合海底光缆的铺设， 所以改为黄线作为光缆 路由。
海洋地球物理探测技术及其 在近海工程中的应用
Marine Geophysical Techniques and Their Applications in Offshore Engineering
引
言
Introduction
近海是人类开发利用海洋活动最早、最频繁的地带。我 国是一个海洋大国，拥有18000公里大陆海岸线和300万平 方公里管辖的蓝色国土，海岸线地区人口稠密，经济发达， 油气资源丰富，这里又有丰富的海上交通资源和旅游资源， 在国民经济建设中具有举足轻重的地位。因此，合理开发 利用近海资源和保护海洋环境已成为我国可持续发展特别 关注的领域。近海工程是人们开发利用海洋活动的具体体 现，需要解决的工程问题包括海洋工程环境勘查、监测和 评价，海底地震、浅层气和不稳定性致灾的检测和评价， 海洋环境考古调查以及军事海洋学应用等。
近年来，随着电子、材料和计算机科学的发展，海洋 地球物理探测技术取得了长足的进步，仪器灵敏度和探测 精度不断提高，海洋地球物理探测技术在近海工程中得到 了新的应用，取得了一些成功的经验。这里简单介绍多波 束测深、侧扫声纳、浅地层剖面、高分辨率地震和海洋磁 力、海洋重力等6项海洋地球物理探测技术的工作原理， 给出了目前国内外广泛使用的主要技术产品型号以及主要 参数和性能。介绍了这些技术近年来在国内外近海工程， 例如海缆（海底光缆、电缆和管线等）路由调查、跨海大 桥和海底隧道工程地质环境评价、工程灾害因素分析、目 标物寻找和考古等方面的应用实例。
(海洋)地球物理
是利用岩石物理性质的差异，解 决地质问题的方法。 岩石物理性质差异包括密度差异、 磁性差异、声阻抗差异、电性差异和 放射性差异等。因此，地球物理方法 又可分为重力方法、磁力方法、地震 方法、电法和放射性方法等。
1. 多波束测深技术
Multibeam Sounding 多波束测深技术，是在回声测深技术的基础上，在 20世纪70年代发展起来的。20世纪80-90年代，随着技术 的成熟，先后出现了产品化的浅、中、深水多波束系统。 顾名思义，多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次 能够给出几十个甚至上百个深度，获得一定宽度的全覆 盖水深条带，所以它能精确快速地测出沿航线一定宽度 水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描 绘出海底地形地貌的精细特征。与单波束回声测深仪相 比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和 效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
225000 225500 226000 226500 227000 227500
100500
海 底 沟 谷
100000 100000
海 底 沙 波
99500 99500
2.1 侧扫声纳系统工作原理简介
Principle
侧扫声纳系统可以分为两个部分：换能器和主机。 换能器一般安装在活动的载体上，如可拖曳的拖鱼、 水下机器人等，也可以固定安装在船壳上或工作船侧 边的其他固定仪器(如测深仪或多波束)上，但以拖鱼 为主。而主机则固定在工作船上，用于记录、处理和 输出声学图像。随着技术的进步，侧扫声钠系统的记 录方式已经由原来的模拟信号发展为数字信号，数字 图像处理技术得到应用并开发出相应的处理软件。
（1）在海底管线 探查中的应用 图4为胜利埕岛油 田某石油平台附近 海底管道探测中， 利 用 Klein2000 型 双频侧扫声纳系统 获得的海底声学图 像。从图像中不仅 可以清晰地看出悬 空的管道及其阴影， 而且可以根据阴影 的位置计算出管道 的悬空高度。
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（2）在沉船调查中的应用 “理查蒙德船长”号 是一艘整装货船，船长238 英尺，宽 35 英尺，吃水 14 英 尺 ， 总 吨 位 1250 吨 。 1893 年 11 月 15 日因遇风暴 沉没于大西洋。图5为 Klein 2000 获得的该沉船 残骸的声纳图像，从图像 中可以看出沉船船底向上， 左侧为两个推进器的轴和 叶片，船体上有一大洞， 残片散落在船体的周围。
1. 多波束测深技术
Multibeam Sounding 多波束测深技术，是在回声测深技术的基础上，在 20世纪70年代发展起来的。20世纪80-90年代，随着技术 的成熟，先后出现了产品化的浅、中、深水多波束系统。 顾名思义，多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次 能够给出几十个甚至上百个深度，获得一定宽度的全覆 盖水深条带，所以它能精确快速地测出沿航线一定宽度 水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描 绘出海底地形地貌的精细特征。与单波束回声测深仪相 比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和 效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
生产厂家 型号
Klein2000 Klein Klein3000
频率(kHz)
100/500双频 100/500双频
最大测幅(m)
750 500
工作水深(m)
1000 1500
Klein5000
SIS-1500 SIS-3000 4200 4200-FS
z
x
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
生产厂家 型 号
Seabeam1185
频率 (kHz) 180 50 20 455 100
波束数 126 126 149 60 101
波束宽度 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1o×1o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
L-3 Model Klein3000
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
Benthos Model SIS-1500
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
3
100500 100000
4
99500
98500
99000
A
2
3
5
1
98000
97500
2
薛 家 岛
222500 223000 223500 224000 224500 225000 225500 226000 226500 227000 227500 228000
222000
97000
1 F3断裂 2 F2断裂 3 F1断裂 4 沧口断裂 5 F4断裂
12－24
300 95 12
可变
254 111 191
1o×1o－ 4o×4o
1.5o×1.5 o 2o×2 o 1o×1o~2o × 4o
20~1200m
0.5~250m 2~1000m 20~11000 m
4
10 7.4 6
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
102000 102500
1
4
101500
B
101000
团 岛
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（2）多波束测深技术在 考古调查中的应用
为了探测千岛湖水下古 城－狮城的确切位置、建 筑物现状以及地形地貌， 2002 年 7 月 利 用 Simrad EM3000 多 波 束 测 深 系 统 对 水下古城所在湖域进行了 为期一周的外业勘查，获 得了古城的三维影像图。 从图中可以看出古城墙、 街道和建筑物都有清晰的 显示，为古城的开发、研 究和保护提供了基础资料 和数据。
Side-scan Sonar System
侧扫声纳探测技术起源于二十世纪六十年代，它是 通过发射声波信号，并接收海底反射的回波信号形成声 学图像，以反映海底状况，包括目标物的位置、现状、 高度等。与其它海底探测技术相比，侧扫声纳系统具有 形象直观、分辨率高和覆盖范围大等优点，因而被广泛 应用于航道疏浚、海图绘制、目标物体探测、海缆路由 调查、水下考古、海洋生物数量调查等众多领域。
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
455
190-210 90-110 100-105 120/410双频
100-300
500 750 500 500
10000
2000 3000 1000 1000
Benthos
EdgeTech
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
EdgeTech Model 272-T
测深范围 (m) 1~300m 5~3000m 50~8000m 1~140m 3~700m
扫描宽度 (倍水深) 8 7.4
L-3 ELAC
Seabeam1050 Seabeam2120
Seabat9001
2~4 3.5
RESON
Seabat8111
Seabat8150
EM3000D Kongsberg Simrad EM1002 EM120
1.1 多波束系统工作原理简介
Principle
多波束系统以一定的频率发射沿航迹方向开角窄（θT）而垂直 航迹方向开角宽的波束，形成一个扇形声传播区。多个接收波束横 跨与船龙骨垂直的发射扇区，接收波束垂直航迹方向窄（θR），而 沿航迹方向的波束宽度取决于使用的纵摇稳定方法。单个发射波束 与接收波束的交叉区域称为足印（Footprint）。一个发射和接收循 环通常称为一个声脉冲（Ping）。一个Ping获得的所有足印的覆盖 宽度称为一个测幅（Swath），每个Ping中包含数十个波束，这些波 束对应测量点的水深值就组成了垂直于航迹的水深条带（Swath）。 条带中每个波束测点位置的计算原理如图1所示。将波束的实际传播 路径进行微分，则波束脚印在船体坐标系下的点位(x， y，z)可表达 为：
Βιβλιοθήκη Baidu
99000
98500
F3断
98000
裂
带
98000
225000
225500
226000
226500
227000
227500
98500
99000
100500
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（4）在管线路由调查中的应用
2.侧扫声纳探测技术
1.1 多波束系统工作原理简介
Principle
z z0 C(z) cos (θθ(z))d z x x0 C(z) sin (θθ(z))d z y0
式中（x， y）为位置信息，z为水深 信息。根据该原理，可以得到整个测 深条带内所有波束对应的位置 x和水 深数据。
换能器
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（1）在海缆路由调查中 的应用 亚欧光缆路由调查 （ 1997 年）是我国首次 在海洋工程中应用多波 束测深技术。右图是调 查 中 利 用 Simrad EM950 多波束测深系统测得的 海底地形图。图中蓝线 为计划路由，但是实际 勘测表明，原计划路由 区存在一条较深海沟， 不适合海底光缆的铺设， 所以改为黄线作为光缆 路由。
海洋地球物理探测技术及其 在近海工程中的应用
Marine Geophysical Techniques and Their Applications in Offshore Engineering
引
言
Introduction
近海是人类开发利用海洋活动最早、最频繁的地带。我 国是一个海洋大国，拥有18000公里大陆海岸线和300万平 方公里管辖的蓝色国土，海岸线地区人口稠密，经济发达， 油气资源丰富，这里又有丰富的海上交通资源和旅游资源， 在国民经济建设中具有举足轻重的地位。因此，合理开发 利用近海资源和保护海洋环境已成为我国可持续发展特别 关注的领域。近海工程是人们开发利用海洋活动的具体体 现，需要解决的工程问题包括海洋工程环境勘查、监测和 评价，海底地震、浅层气和不稳定性致灾的检测和评价， 海洋环境考古调查以及军事海洋学应用等。
近年来，随着电子、材料和计算机科学的发展，海洋 地球物理探测技术取得了长足的进步，仪器灵敏度和探测 精度不断提高，海洋地球物理探测技术在近海工程中得到 了新的应用，取得了一些成功的经验。这里简单介绍多波 束测深、侧扫声纳、浅地层剖面、高分辨率地震和海洋磁 力、海洋重力等6项海洋地球物理探测技术的工作原理， 给出了目前国内外广泛使用的主要技术产品型号以及主要 参数和性能。介绍了这些技术近年来在国内外近海工程， 例如海缆（海底光缆、电缆和管线等）路由调查、跨海大 桥和海底隧道工程地质环境评价、工程灾害因素分析、目 标物寻找和考古等方面的应用实例。
(海洋)地球物理
是利用岩石物理性质的差异，解 决地质问题的方法。 岩石物理性质差异包括密度差异、 磁性差异、声阻抗差异、电性差异和 放射性差异等。因此，地球物理方法 又可分为重力方法、磁力方法、地震 方法、电法和放射性方法等。
1. 多波束测深技术
Multibeam Sounding 多波束测深技术，是在回声测深技术的基础上，在 20世纪70年代发展起来的。20世纪80-90年代，随着技术 的成熟，先后出现了产品化的浅、中、深水多波束系统。 顾名思义，多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次 能够给出几十个甚至上百个深度，获得一定宽度的全覆 盖水深条带，所以它能精确快速地测出沿航线一定宽度 水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描 绘出海底地形地貌的精细特征。与单波束回声测深仪相 比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和 效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
225000 225500 226000 226500 227000 227500
100500
海 底 沟 谷
100000 100000
海 底 沙 波
99500 99500
2.1 侧扫声纳系统工作原理简介
Principle
侧扫声纳系统可以分为两个部分：换能器和主机。 换能器一般安装在活动的载体上，如可拖曳的拖鱼、 水下机器人等，也可以固定安装在船壳上或工作船侧 边的其他固定仪器(如测深仪或多波束)上，但以拖鱼 为主。而主机则固定在工作船上，用于记录、处理和 输出声学图像。随着技术的进步，侧扫声钠系统的记 录方式已经由原来的模拟信号发展为数字信号，数字 图像处理技术得到应用并开发出相应的处理软件。
（1）在海底管线 探查中的应用 图4为胜利埕岛油 田某石油平台附近 海底管道探测中， 利 用 Klein2000 型 双频侧扫声纳系统 获得的海底声学图 像。从图像中不仅 可以清晰地看出悬 空的管道及其阴影， 而且可以根据阴影 的位置计算出管道 的悬空高度。
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（2）在沉船调查中的应用 “理查蒙德船长”号 是一艘整装货船，船长238 英尺，宽 35 英尺，吃水 14 英 尺 ， 总 吨 位 1250 吨 。 1893 年 11 月 15 日因遇风暴 沉没于大西洋。图5为 Klein 2000 获得的该沉船 残骸的声纳图像，从图像 中可以看出沉船船底向上， 左侧为两个推进器的轴和 叶片，船体上有一大洞， 残片散落在船体的周围。
1. 多波束测深技术
Multibeam Sounding 多波束测深技术，是在回声测深技术的基础上，在 20世纪70年代发展起来的。20世纪80-90年代，随着技术 的成熟，先后出现了产品化的浅、中、深水多波束系统。 顾名思义，多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次 能够给出几十个甚至上百个深度，获得一定宽度的全覆 盖水深条带，所以它能精确快速地测出沿航线一定宽度 水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描 绘出海底地形地貌的精细特征。与单波束回声测深仪相 比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和 效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
生产厂家 型号
Klein2000 Klein Klein3000
频率(kHz)
100/500双频 100/500双频
最大测幅(m)
750 500
工作水深(m)
1000 1500
Klein5000
SIS-1500 SIS-3000 4200 4200-FS
z
x
1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System
生产厂家 型 号
Seabeam1185
频率 (kHz) 180 50 20 455 100
波束数 126 126 149 60 101
波束宽度 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1o×1o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
L-3 Model Klein3000
2.2 侧扫声纳设备的主要产品
Products of Sidescan Sonar
Benthos Model SIS-1500
2.3 侧扫声纳探测技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
Applications in Offshore Engineering
（3）在海底隧道工程中的应用
1.3 多波束测深技术在近海工程中的应用
3
100500 100000
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98500
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薛 家 岛
222500 223000 223500 224000 224500 225000 225500 226000 226500 227000 227500 228000
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1 F3断裂 2 F2断裂 3 F1断裂 4 沧口断裂 5 F4断裂
12－24
300 95 12
可变
254 111 191
1o×1o－ 4o×4o
1.5o×1.5 o 2o×2 o 1o×1o~2o × 4o
20~1200m
0.5~250m 2~1000m 20~11000 m
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1.2 多波束测深系统主要产品
Products of Multibeam System