海洋工程物探勘察中的几种声学假象.pdf
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1、工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式:冯湘子,年永吉.海洋工程物探勘察中的几种声学假象J.工程地球物理学报,2 0 2 3,2 0(3):32 2-32 9.英文引用格式:Feng Xiangzi,Nian Yongji.Several acoustic artifacts in marine engineering geophysical surveyJJ.Chinese Journal of Engi-CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSneering Geophysics,2023,20(3):3
2、22-329.May,2023海洋工程物探勘察中的几种声学假象冯湘子,年永吉(中海油田服务股份有限公司物探事业部,天津30 0 459)摘要:海洋工程物探勘察主要基于各种声学调查设备,通过换能器发射和接收不同频率的声波来获取地层声学反射信息,在实际工程应用中,技术人员会面临多种复杂的作业环境以及各类声学假象,需要技术人员熟知声学假象的产生原理和特征。本文研究了多波束测深资料中圆弧状地形反射、浅地层剖面绕射、电火花剖面三类调查资料中存在的声学假象,分析了波束频率、发射和接收角度、接收范围等因素的影响和限制,及造成声学假象的原因。研究显示,对海底管道、海底沙丘、已建平台等环境均会造成不同影响的声学
3、假象,包括多波束的绕射波、浅地层剖面的绕射波,以及电火花水听器接收到的环境反射。技术人员应提高对海洋工程物探资料声学假象的认识,作业前期应做好工区环境、海底设施、背景资料等研究,在海洋工程勘察的处理和解释过程中综合利用水深地形、海底地貌、地层剖面的相互印证解释,注意辨识绕射、已建设施反射等造成的声学假象。关键词:海洋工程物探;声学假象;多波束;浅地层剖面;电火花剖面中图分类号:P631.4doi:10.3969/j.issn.16727940.2023.03.004文献标识码:A文章编号:16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 32 2 0 8Several Acoustic Ar
4、tifacts in Marine EngineeringGeophysical SurveyFeng Xiangzi,Nian Yongji(Geophysical China Oil field Services Limited,Tianjin 300459,China)Abstract:Marine engineering geophysical survey much relying on various acoustic survey e-quipment,the acoustic reflection information of the formation is obtained
5、 by transmittingand receiving sound waves of different frequencies through transducers.In practical engi-neering applications,technicians are troubled by a variety of complex operating environmentsand various acoustic artifacts.It is necessary for technicians to be familiar with the genera-tion prin
6、ciple and characteristics of acoustic artifacts.Firtly,this paper studies the acoustic收稿日期:2 0 2 2 0 4-2 2基金项目:中海石油(中国)有限公司北京研究中心项目(编号:CCL2019RCPS0303PNY)第一作者:冯湘子(198 6 一),男,硕士,工程师,主要从事海洋工程勘察工作。E-mail:f e n g x z c o s l.c o m.c n通讯作者:年永吉(197 6 一),男,高级工程师,主要从事海洋工程勘察、海洋地质灾害评价与预测工作。E-mail:第3期artifacts
7、 existing in the three types of survey data of arc terrain reflection,sub-bottom pro-file diffraction and sparker profile in the multi-beam bathymetric data.Then analyzes theinfluence and limitation of beam frequency,transmitting and receiving angle,receiving rangeand other factors,and the causes of
8、 acoustic artifacts.Results show that acoustic artifactscan have different impacts on environments such as submarine pipelines,submarine sanddunes,and built platforms,including multiple beam diffraction waves,sub-bottom profilediffraction waves,and environmental reflections received by sparker hydro
9、phones.The paperconcludes that technicians should improve their understanding of acoustic artifacts in marineengineering geophysical data.In the initial stages of operations,desktop research should bedone on the environment of the work area,submarine facilities,background and other as-pects.In the p
10、rocessing and interpretation process of marine engineering surveys,mutualconfirmation and interpretation of water depth,topography,and stratigraphic profiles shouldbe comprehensively utilized,and attention should be paid to identifying acoustic artifactscaused by diffraction,reflection and other con
11、structed objects.Key words:marine engineering geophysical survey;acoustic artifacts;multi-beam echo1 引 言海洋工程勘察是海洋油气田勘探开发所必须的地质灾害分析与评价工作,其主要的服务对象为海上油气勘探、油气田开发、管道建设等。海洋工程勘察主要的调查方法可分为工程物探、工程地质和海洋环境,其中工程物探主要通过声学、光学、电磁学等原理,以间接的手段对海底、地层及已建设施进行调查和研究。从目前我国的研究和应用现状来看,地震勘探在海洋物探中是首选方法,声学勘探应用也很广泛,海洋电法及磁法也逐渐引起了大
12、家的重视1-3。物探方法众多,要保证原始资料的品质,就需要尽量减小甚至消除外界干扰的影响,采用最有效的采集方式获取最佳原始资料4.5。经过数十年的更新发展,工程物探调查设备愈加完善,在海洋工程勘察领域,主要采用的声学系统包括多波束测深系统、侧扫声呐及电火花剖面系统。其中多波束测深系统主要用于进行水深地形的探测,根据水深的不同,主频在2 0 40 0 kHz;侧扫声呐主要用于探测海底表层的障碍物和地貌特征,一般主频在10 0 50 0 kHz,部分高频侧扫声呐可达10 0 0 kHz;中地层剖面系统主要用于获取海底以下地层的信息,其中Chirp(线性调频)、参量阵的震源主频在3.55.5kHz,
13、电火花等震源的主频在8 0 0冯湘子,等:海洋工程物探勘察中的几种声学假象sounder;sub-bottom profile;sparker profile32312 0 0 H z。不同的主频和作业方式决定了不同的设备会受到不同的影响。国内外已有很多学者论述过声学系统可能会产生的噪音和声学折射等现象,并给出了相应的处理方案。如李文杰等1研究了多波束测深系统在海洋工程勘察中的参数误差产生的影响,魏玉阔2 研究多波束测深声呐中的“隧道效应”测深假象的消除技术。赵君毅等3 研究了多波束测深表层声速误差的动态影响及改正方法,王春丽4研究了声线折射引起的多波束测深假象分析与消除技术。本文主要研究在海
14、洋工程物探调查作业过程中,可能会遇到对解释产生影响的声学假象。2多波束测深资料声学假象2.1原因分析多波束测深系统是利用安装于船底或拖体的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束,接收海底反向散射信号,经过模拟/数字信号处理,形成多个波束,同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据,其测量条带覆盖范围一般为水深的2 8 倍,与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度高分辨率的数字成果图。其探测原理为发射换能器发射波束,接收换能器接收回波,对目标的散射回波信号方位324(DOA,D ir e c tio n o fA r r iv a l)、回波到达时间(T O A,T im e
15、o f A r r iv a l)以及回波方向上的回波强度(IOA,Intensity of Arrival)进行精确估计,确定海底的水深地形13。在实际的工程物探调查作业过程中,多波束测深系统依赖外部辅助设备及环境测量,包括船体 DGPS(Differential Global Position System,差分全球定位系统)、罗经系统、姿态传感器、声速计、潮汐等,前人已经对多波束的“哭脸”等由于声速原因导致的问题进行过探讨,也有较多关于多波束降噪的算法,本文主要关注多波束测深系统由于发射波束宽度导致的声学假象。2.2实例解析2017年,笔者团队在某工区水深330 m对一处已建30 in海
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