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SILAS适航水深测量系统应用2013年度测量队业务培训广州海事测绘中心王久引言根据《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T325-2006)的表述，床面泥沙颗粒中值粒径＜0.03mm，淤泥颗粒之间有粘结力并在海水中呈絮凝状态的海岸港和河口港为淤泥质海港。因为淤泥质海港岸滩物质组成较细，絮凝状的泥沙颗粒在潮、浪作用下，主要呈悬沙输移，沉落到水底后，在尚未密实前的一段时间内具有很强的流动性，易发生浮泥现象，浮泥性质与水相似，几乎不存在抗剪切力，可供航行，浮泥密度的上限一般认定为1200-1250㎏/m³，下限为1030-1080㎏/m³。随着水体中悬移的泥沙沉落增多，浮泥进一步密实，逐渐形成流泥，密度范围一般为1250-1550㎏/m³。当孔隙水被排走，密度增加到1550-1700㎏/m³时，在水流作用下不会再直接悬扬，属于流塑淤泥的范畴。现今，随着各深水港池航道挖槽水深越来越大，回淤加剧，疏浚的泥沙抛沉于航道两侧时，床面的泥沙容重小，更易起动，在遇到合适的动力条件，则集中于航槽，浮泥回淤问题可能更加突出。按密度划分淤泥，可以细化浮泥的密度分层，有助于分析特定目标层的流变特性，从而减少疏浚量，节约资金。由于密度分层不易界定，淤泥测量至今仍然是个较为复杂的问题。国内过去一般使用γ射线密度计和三爪砣法测定淤泥密度。然而，操作放射性设备需要严格的技能培训和特殊的施工许可，且工作效率低，对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害，安全性不易控制。三爪砣测量，简单灵活、价格低廉、操作安全简便，但其对测量环境要求较高，依赖于制造、测量环境、测量员的感知和熟练程度，精度较低。由于是纯粹的人工作业，其效率也低下。SILAS系统原理SILAS系统利用双频测深仪发射低频声波信号，声波在通过的声阻抗不同的两种介质时，在媒界面上将产生反射，密度差别越大，则声阻抗差别越大，反射的声强度也就越大，这种密度上的差别被定义为“密度梯度”。由于声波的反射和密度梯度之间的关系是已知的，即每一次反射都是因为密度的梯度变化引起的，因而可以对密度梯度进行量化处理。利用标定过的声源信号来记录反射信号的强度，以及根据声源信号的增益(放大倍数)及时变增益(TVG)等参数就可以高精度地测定密度的梯度值，再根据密度梯度的变化，求取每个特定深度上的相对密度值。再通过使用密度计进行单点密度测量，建立起反射强度和绝对密度之间的对应关系，从而确定整条断面不同深度上的密度值。藉此推算出泥质属性相同的测线和每个给定密度值所对应的水深值，同时提取各点的定位值，则相应密度层水深值减去高频水深值即为该密度层厚度，如下图所示。SILAS系统原理某次大铲测线断面，其中蓝线为高频水深值，红线为浮泥密度层底部对应水深值，黑色圆圈为左图测定密度梯度，最下方的圆圈处曲线为测定淤泥层分界线SILAS浮泥测量系统构成一套完整的SILAS浮泥测量系统由以下几部分组成。1、数据采集及处理软件及密码狗软件包含5个模块：①数据采集(Acquisition)；②数据处理(Processing)；③密度编辑(RheoEdit)；④密度采集(RheoLog)；⑤密度校正(Rheoca1)。2、RheoTune音叉密度计RheoTune相关技术参数：剪应力强度范围：0～200Pa；粘性范围：0～600Pa；密度范围：1000～1800g/L；精度：所量的密度的l％；分辨率：lg/L；温度范围：0～60℃；深度范围：0～60m；更新速率：20Hz；电源：110～220VAC，35w；面积：横截面650mmx150mm；重量(干重)：l5kg；深度精度：所量深度的0.15％；角度测量：2个倾斜计；输出：以太网UDP3、装有采集软件及A／D转换卡的电脑4、具有sILAs输出格式的双频测深仪(如：0D0MMKIII)5、DGPS另外，一般还需要装有导航软件(如PDS、HYPACK等)的导航电脑，利用其类似ShareMemory共享内存工具将坐标和时间数据实时输出给Silas采集软件用于时间同步校准。外业数据采集1、导航数据及声信号采集①导航软件设置使用HYPACK导航时，需手动添加三个驱动：deso20s、seismic、outinfo.deso20s为双频测深仪数据输入格式，相应的在测深仪中应设置输出格式为Atlasdeso20；seismic为HYPACK输出至SilasAcquisition模块中的导航数据格式，与深度数据匹配；outinfo为HYPACK输出至RheoLog模块的导航数据格式，与密度数据匹配。需要注意的是，如果只是用一跟数据线输出导航数据，则seismic与outinfo可设置同一个端口输出，测量时Disable其中一个。②测深仪设置声信号采集使用DF-3200MKII双频回声测深仪，连接及使用方式与单频3200测深仪差异不大；浅海航道的噪声频谱分布一般在100Hz-30kHz范围内，故在进行测量时，频率通常选择高频200kHz或210kHz，低频24kHz或33kHz。通过DF-3200MKII双频回声测深仪自动增益控制(AGC)、门限控制(THRESHOLD)、盲区控制(BLANKING)、SubbottomRange、发射脉冲宽度调节等功能，可以有效降低海洋噪声的影响；此外，在经过边坡和地形陡变水域时，由于波束角效应易造成漫反射和高低频信号不同步，从而形成假水深，降低船速可以有效避免。外业数据采集③SilasAcquisition模块设置声速、吃水等参数因为可以在后处理时写入，不做强调。运行前需要先打开AD卡，记录时可选则AUTOSTART。AD卡设置：DAQP16为是用串口PC卡时设置，我们通常是用PCI接口的AD卡，选择PowerDaq，Start、End为最深最浅水深过滤选项，Rate取决于AD卡的传输速率，在外业测量时使用同一数值，过程中不要变更。外业数据采集导航数据接收设置：输入类型选择Hypack，选择与seismic输出数据线连接的端口打开，输入数据格式为$STEMA,int,XXXXXX.XX,YYYYYY.YY,depth,SSSSS.SS,chainage，在input框内检查。切记，保持同步（SynchronizeContinuously）前一定要打勾，然后同步，应用。外业数据采集2、密度数据采集密度数据采集一般在测量后的平潮时间进行，密度采样点参考记录纸和Acquisition模块声信号采集情况，一般在主测线与副测线或检查线交叉且淤泥较厚处设置，定位要准确，如有偏差应布设测线重新经过采样点。密度计使用如下：①连接数据线接口，注意轻旋轻按，针脚比较脆弱，线头是直的，不能弯折；外业数据采集②量取数据线或者保护绳长度，水深小于20米时，一般取4米和10米做两点深度校正，量至音叉探针顶端处；外业数据采集③连接电源（230V）及网线，网卡固定IP如下（如有需要修改，注意改回），插好软件狗（DEN开头，内外业同一个）；外业数据采集④打开外业采集软件对密度计进行校准，正常的校准包括深度、温度、斜率三方面及最后进行的密度校准，因条件所限及新一代Rheotune粘度计特性，我们一般载入验收设备时的校准文件dp327.rhe后重新做温度和深度校正即可，需注意的是温度校准时的感温时间要稍长，校准时保持探针在水面下，深度校准时小于20米水深需要进行两点校准；外业数据采集⑤设置导航数据格式，Disable之前的seismic驱动，激活outinfo驱动，下图是RheoLog中设置，输入类型选择Hypack，端口如前；外业数据采集⑥软件窗口如下，AutoStar可选，速度选负值，不要太大，注意深度及温度变化是否正常，采集数据时音叉下放速度不要太快，及时检查数据，每次收回后重新下放前要冲洗音叉。外业数据采集⑦采集数据结束后，拧开保护压力传感器的螺栓，冲洗干净残留泥沙，重新上紧螺栓，注意别上太紧，比手劲稍大即可；内业数据处理1、密度数据处理①载入数据，输入潮位，单位为厘米，符号为正，生成时载入潮位选项前打勾；内业数据处理②生成项目后，更改标记密度层，一般第一层为高频水底，第二层为适航密度层，第三层为触底密度，触底一般1300g/l左右，以上单位为g/l，*9.8可换算成重度值(大铲为12.20kn/m³，湛江宝满为12.00kn/m³，南沙港和台山电厂为12.30kn/m³，珠海电厂为12.40kn/m³)；内业数据处理③软件界面如下：内业数据处理④AUTOEDIT或者手工编辑（可在深度和压力两个界面查看）数据后输出数据。内业数据处理密度测量的误差主要有以下几种：1)采样点位置偏差造成的误差一般说来，采样点与实际测线的距离不要超过5米，越近越好，如果距离过远，在后处理计算密度层时，应予以剔除。因此，一般应在完成声信号采集后进行密度采样，此时可根据航迹线和记录纸情况选择采样点，如在测前进行采样，则应布设通过采样点的测线进行声信号采集。此外，实际采样时，可根据水深情况尽量选择开阔区域，定位误差对结果的影响较小。如底质变化较大，则应进行加密采集。2)音叉采样时的倾斜误差当音叉测量端到底后会倾斜，导致倾斜角度突然加大。基本上，如果倾斜超过10-12度，说明探针已到达最大深度，须在内业处理时剔除。3)密度计粗差当音叉接触某些硬物或砂质层，容易导致假信号生成。单点假信号可放心删除，但两点或三点以上的假信号需要根据分层的结构判断。此外，当快速放下探针或因为浮泥层很薄，可能会采集不到数据，内业处理时尽量避免使用数据删除，应通过增加和移动点位进行内插修正。采样时宜选择有代表性的浮泥层，按照一般经验至少选择几个厚度超过0.70米的位置较为合适。内业数据处理2、声信号数据处理数据处理在SilasProcessing模块中进行。①新建项目，匹配外业采集*.SEI数据与定位*.XYZ数据，如果不在同一天完成，在加完潮位以后，可以手工编辑*.prj文件合并为同一个项目数据；内业数据处理②管理层，新建浮泥层，类型Density；内业数据处理③加载潮位、声速、吃水等数据，潮位数据可以直接采用HYPACK输出的*.tid潮位文件，数值为负；内业数据处理④编辑Bottom数据，进行自动底跟踪生成Bottmo水深线，然后对局部进行手工编辑。参数设置的原则是：高频信号在噪声线以上，低频信号尽量调低，但也要在噪声线以上；内业数据处理⑤浮泥层处理理论上选择越多的采样点，精度就越高，但在实际经验中，偏差较大的点应首先剔除。Silas2.0版本提供两个浮泥层处理模型，渐进模型(CumulativeModel)和梯度模型(GradientModel)，梯度模型在CumulativeModel的分析结果上进行，两者组合使用精度较高，但要求采样点数量比较大。2009年在大铲测量时布设纵横测线，加密采样点数量，比较两种方法，成果差异不大，所以我们仍选用CumulativeModel，第一步界面如下，首次使用没有校准文件则不选；内业数据处理⑥下一步打开RheoEdit模块输出的密度文件*.dat，影响范围我们一般设定为10米，越近越好，脉冲长度可以在数据界面上看到，水的密度取决于*.dat文件中设定，点击采样点可以查看到测线距离，正常范围内显示为黑色，双倍范围内显示为红色，超出双倍范围则不显示；内业数据处理⑦下一步，估算信号强度，平均步长一般设置在5-55之间，信号质量变化越明显，则数值应越大，到达信号需手动调节，尽量使红线横穿过几个点，设置完成后Compute，自动拟合出最佳红线；内业数据处理⑧下一步，校准，蓝色曲线对应红色采样点密度层，ArrivingPower是到水底信号强度，设置越低，则密度越大；DensityLevelforaccuracyCheck设置成想要的密度层；Absorption一般在0.3-1.2之间，取决于沙质和频率，增加则密度层变深；Heterogeneity为底质变化不均匀产生的假信号，考虑差异性的情况下，值设置越高则信号改正越强；内业数据处理注意：Arrivingpower为上个步骤中最重要的参数，应尽量拟合在采样点密