近年来，我国沿海地区的近海及远海工程项目越来越多,在项目初步阶段，需要对工程区域的地形地貌、地质情况作初步的了解，如果通过地质钻探等方法，因为海况条件的限制，投入的成本、时间较高。所以，在项目初期，测扫声呐、浅地层剖面探测仪等探测海底地形、地质的应用较多。海底底质探测主要是针对海底表面及浅层沉积物性质进行的测量。在所有的海底底质探测手段中，基于声学设备通过获取海底底质声纳图像反映海床底质、地貌的方法具有简单、有效等特点。

1 、测扫声呐

海底地貌的探测通常采用的是侧扫声纳系统，侧扫声纳是一种主要用于大洋底勘探，而不是用于测量距离或深度的声纳，它可显示海底地貌，确定目标的概略位置和高度。海底地貌探测一般采用的是双侧扫声纳，把两个换能器装在称为“鱼”形或流线型的拖曳体内，为了获得最佳效果，拖曳体离海底的深度是可调的。测扫声呐组成可分为换能器、发射机、接收机、收发转换装置、记录器、主控电路六个主要部份。如下图：

侧扫声纳系统的横向测扫宽度范围取决于许多因素，包括：发射的频率和脉冲速率；声能和声脉冲的方向性；换能器的倾斜角；拖鱼在海底上面的高度；介质和反射面的物理性质。回波信号的强弱除与海底地貌的起伏、海底底质的性质等有关外，还与传播路径的远近有关，在海底平坦处，回波信号的强度随着距离的增大而迅速减弱。海底隆起物反映在记录纸上是左黑右白的图形，黑的部分是隆起物朝向测量船方向的正面，而白的部分是该隆起物背后的阴影。对于海底凹陷部位 (如沟或坑)，没有回波，反映在记录纸上为白色；而朝向换能器的一侧，反向散射回波变强，反映在记录纸上为黑色。海底凹陷部位的地貌声图是先白后黑，白色“影子”的长短在一定条件下反映出凹陷部位的深浅程度。

为了能从声图上繁杂的图像中判读出目标图像及地貌图像，需对各类声信号的图像进行分类，声图图像可分成四类，即目标图像，海底地貌图像，水体图像和干扰图像。

目标图像包括沉船、沉鱼雷、礁石、海底管线、鱼群及海水中各种碍航物和建筑物的图像。

海底地貌图像包括海底起伏形态图像、海底底质类型图像、海底起伏和底质混合图像。海底起伏形态图像如沙波、沙洲、沟槽、沙砾脊、沙丘、凹洼等形态;海底底质图像如漂砾、沙带、岩石等。

水体图像包括水体散射、温度阶层、尾流、海面反射等水体运动形成的图像。干扰图像包括换能器基阵横向、纵向和舶向产生摇摆的干扰图像，海底和水体等的混响干扰图像，各种电子仪器及交流电源产生噪声的干扰图像。声纳图像是海底目标、海底地貌、水体和干扰等多种反射声波的接收信号特征的记录，这些特征称之为判读特征，也称判读标志。影响判读效果的因素是多方面的，当各种判读因素提供得充分时，判读成功率高。影响判读声图中的目标和地貌成功率的主要因素有判读人员对声图的结构、特点、特征的理解认识程度、扫测记录的详尽程度、扫测符合规定要求情况、仪器状态以及声图图像清晰程度等。

测扫声呐显示海底地貌

2、浅地层剖面系统

海底浅地层剖面仪是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具。浅地层剖面仪由发射机、接收机、换能器、记录器、电源等组成。发射机受记录器的控制，发射换能器周期性的向海底发射低频超声波脉冲，当声波遇到海底及其以下地层界面时，产生反射，返回信号，经接收换能器接收，接收机放大，最后输给记录器，根据浅地层剖面仪探测的海底回波的强度可以绘制浅地层剖面图，自动绘制出海底及海底以下几十米的地层剖面，浅地层剖面图是反映海底浅地层底质性质的断面图或图像。

浅地层剖面仪系统组成

海底浅层剖面仪的探测深度与工作频率有关。常应用的工作频率为3.5kHz~2kHz，探测地层深度范围为20m ~100m，频率增高，声波吸收衰减加大，探测深度减小，频率低，探测深度大，但是，剖面仪的分辨率较差。通过典型的声波特征来大面积划分水底的底质类型（包括海底、湖底、河底） ，这种技术已经成熟，其应用领域已越来越广泛，典型的应用包括：

1.海底工程（管线路由调查、井场调查、锚地选址等）

2.军事（潜艇机动、布雷）

3.环境保护及工程评价

4.渔业资源调查及生态环境评估

5.海洋声学特性研究

6. 港口、码头疏浚施工

7. 沙源勘探

图2  浅地层剖面图像示意

3 底质分类的方法

底质分类的能力和效果不仅取决于所使用的设备仪器,还取决于分类算法。剖面声纳和使用的都是正入射信号,回波中能更多地携带地层信息,能以较高的置信度推测沉积物的物理性质。在现有的底质分类工作基础上,追踪国际声学底质分类技术的最新动态,利用大量历史地质取样、多波束、浅层剖面数据,通过声学理论模型和物理模拟仿真建立海底声学底质分类模型是未来海底底质分类研究发展的主要方向。开发数据采集子系统,采集大量示范区的数据,提取声纳数据的特征,进行样本训练,修正海底声学底质分类模型,即可在示范区进行海底多参数底质分类。

对用剖面声纳、测扫提取的声学特征进行以下几种方法的计算和统计分析,以进行海底底质分类。

(1)反射系数

(2)累积能量归一曲线(取决于沉积物衰减系数)

(3)反射信号的时域波形特征(幅度分布统计、直方图等)

(4)反射信号的频域特征

(5)回波的Ping间相关统计。