海洋论坛 ▏海上风电场现场浅层剖面信息采集及关键处理技术

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海上风能是一种清洁的可再生能源，也是当今增长最快的绿色能源之一。 中国海上风能资源丰富。 可开发风能资源量约7.5亿千瓦，是陆上风能资源量的3倍。 它还靠近沿海城市的负荷中心。 发展海上风电将成为我国能源结构转型的重要战略支撑。 风电场建设存在诸多制约因素。 其中，场地区域要求具有良好的地质环境，需要面临风机建成后桩基附近常见的海底侵蚀问题。 因此，海上风电场建设前需要进行场地勘察。 浅层地层剖面测量作为一种重要的勘察方法，对于探索海底地层结构和基岩埋深，进而评价海底地质条件、确定桩基类型具有重要意义。 。

海上天然气田断面作业示意图，来自新华网

目前浅层地层剖面探测系统有多种不同震源类型，如电火花、压电陶瓷声波释放器、参量阵、标准化震源等。不同震源类型可以获得不同的剖面效果和分辨率。 其高分辨率和良好的穿透力已广泛应用于海上风电场现场剖面测量。 本文主要讨论EDM剖面系统在海上风电场的信息采集、处理方法及应用。 本文中浅层剖面数据是通过渤海和北部湾风电场调查获得的。

1. 个人资料信息收集

⒈个人资料信息收集原则

浅层地层剖面测量设备通常由震源系统、声波信号接收器、甲板控制单元和信号采集系统组成。 运行时，震源激发后，声波在不同介质（如泥、沙等）的波阻抗界面处反射和传播，直至信号逐渐衰减消失。 声波信号接收器通过接收反射波信号返回时间、幅度、频率等信息，并将接收到的声波信号转换为电信号传输至信号采集系统，得到最终的浅层地层剖面信息。

海底地质结构通常被视为层状模型（图1-a）。 声波在其介质中的速度、衰减特性、幅度强度等因素与沉积物性质和结构特征密切相关。当通过波阻抗界面时，其反射幅度和反射强度系数如下：

Ar＝R×Ai，⑴

R＝（ρ2v2－ρ1v1）/(ρ2v2＋ρ1v1)，⑵

式中：Ar为反射幅度； Ai 为入射振幅； R为波阻抗界面反射系数； ρ1、v1、ρ2、v2分别为上、下介质的平均密度和声波在介质中的传播速度。 平均密度和波速的乘积就是波阻抗值。 从公式可以看出，波阻抗差越大，界面反射系数越大，反射幅度（即能量）越强。

⒉ 个人资料信息的收集

多电极EDM震源是最早应用于海洋地层剖面探测的非爆炸震源。 采集数据时，一般采用拖曳方式进行。 EDM震源和水听器位于测量船船尾两侧，避开船舶螺旋桨。 旋转产生的尾流效应。 检测前一般需要进行能量测试。 在同一条测线上，根据地质条件、探测深度等实际因素，采用不同的能量参数来采集信息。 通过分析均匀性、穿透能力、图像分辨率等特性，比较选择图像效果最佳的能量值。 图1-b显示了在同一测量线上使用300J、500J和700J能量进行测试获得的横截面图像。 风电场剖面测量一般要求探测至泥浆面以下100m左右或基岩顶部界面。 电火花系统的工作原理如图1-a所示。

图1 EDM仿形系统工作原理及不同能量对比示意图

⒊信息收集的干扰因素

在海上风电场剖面信息采集中，影响数据质量的因素有很多，包括海况、采集方式、地质和地形变化因素等。在剖面上表现为高频杂波信号干扰、多杂波信号干扰等。路径鬼反射、多重波等。它们的表达如下：

⑴海况造成的信号干扰。 当仪器正常时，海况是影响剖面质量的主要因素。 由于火花源和水听器通过软连接拖曳到船尾，当海况较差时，起伏的浪涌会导致火花源和水听器发射器的相对位置在空间上发生不规则变化，引起UPS剖面中海底地形的起伏。 同时，搅动的波也会对声信号的发射和接收产生不利影响，在整个小波范围内造成更多的高频干扰。 ，在削弱有效信号的同时，也会增加干扰信号（图2-a）。

图2 多径鬼反射效应及其表现形式

⑵多径重影反射。 在接收地震波数据的过程中，由于水听器的重量，检波器的接收部分一般会进入水中一定的深度。 由于海面水体与空气之间存在明显的波阻抗面，水听器同时接收到一次波。 ，会被水面反射形成鬼反射（也叫鬼波）。 鬼反射限制了有效频带的宽度并覆盖了相邻的有效信号（如图2-b所示）。 在野外工作中，水听器前面的电缆通常会包裹一定量的泡沫等漂浮物，以保证水听器漂浮在海面，有效抑制鬼波的形成。 或者采用上下索法同时采集不同深度的信号，获得两组剖面信息，然后通过后处理消除鬼波，得到有效的波浪信号。

⑶多重波干扰。 在风电场所在的浅水区，由于海底和水面为强声阻抗界面，通常伴有周期性强振幅多次波反射（如图2-c所示），对数据造成严重干扰解释。 一般是通过数据后处理来解决的。

2 断面特征分析及处理策略

⒈数据基本特征分析

在数据处理之前，需要对数据的整体特征进行相应的分析和判断。 研究区大部分为砂质海底，地质条件一般，藏品质量一般。 主要数据特征包括以下几个方面：

⑴风浪等外部环境对数据的影响分析。 该风电场区域风浪噪声干扰严重。 图3-a剖面深处区域可以看到明显的风浪噪声。 当海况较差时，对有效信号的干扰较强。 此类噪声能量较强，几乎分布在整个频段，且随机出现。

⑵区域地形对数据的影响分析。 通常在水深较浅的区域，由于仪器设备的原因，子波长时间振荡，难以区分直达波与海底，造成海底识别困难，如图3- b 该区域的部分。

⑶ 由于水深浅、底硬，资料中多重波十分发育。 工作区主要发育海底一阶多次波（图3-c）。 这种多次波主要是由海底反射引起的。 其能量强大，与有效波叠加。 因此，如何去除多重波，同时保护有效信号，是浅层剖面数据处理的一个难点。

图3 剖面数据受波浪、地形和不良地质影响

⒉数据处理的基本策略

地震剖面根据采集设备、采集的天气和地质地貌环境的不同，具有不同的特征，因此采取的处理策略也会有所不同。 例如，从本研究区的地震剖面形态来看，该区的数据可以分为两类。 一种剖面无小波气泡振荡，无鬼反射，浅层分辨率高，但穿透力弱； 另一类剖面的特点是由于小波中含有气泡振荡和鬼反射，浅层分辨率较低，但穿透力较强。 通过相应处理发现，消除小波气泡和鬼反射后，虽然部分断面的浅层分辨率得到很大提高，但该断面前积地层和古河道中较弱的反射也会被衰减，同时随着时间的推移，分辨率有所提高。 同时，轮廓的信噪比降低。 由于该区地震剖面大部分为砂质剖面，且剖面本身的信噪比不高，因此在处理时不对子波进行进一步处理。

处理的重点主要是去除噪声和多重波。 海上浅水风电场往往海底凹凸不平且浅，海底反射不清晰，海底能量差异较大，难以进行数字化海底识别。 此时海底识别一般是结合同步检测的地形数据进行的。 对于多次波的处理，通过多年的经验积累，探索出一套适合浅层剖面的多次波处理技术。 但由于该区域海底崎岖、小波复杂、多重波类型多样，需要进行多方面的处理。 需要根据实际地形、地质条件以及各测线的不同特点，有针对性地改进参数，以获得最佳的多次波去除效果。

3、海上风电场型材加工关键技术

在测量中的应用

受野外数据采集干扰因素的影响，当野外数据采集效果不佳时，剖面信息不可避免地需要进行相应的数据处理。 以下内容将异常振幅去除、多次波抑制等剖面处理关键技术应用于北部湾、渤海风电场剖面信息处理，取得了良好效果。

⒈去除异常大的值

异常大的值在浅剖面中并不常见。 在渤海某风电场区域的一些测量线上表现得更为明显。 推测可能与仪器静电放电不良有关。 它在浅层剖面和密度剖面上表现为瞬时异常值。 它显示为奇异值点。 通过对地震子波的幅值进行统计分析，筛选并去除异常大值，可以有效消除这种干扰。 去除效果如图4所示。

图4 异常大值去除前后的截面图

⒉浪涌校正

当海况较差时，由于波浪波动较大，不同的震源和检波器不能保持在同一水平面上，波浪的不断变化导致两者之间的高度不断变化。 这使得收集到的不同镜头点之间存在差异。 区间内的数据上下跳动，即有“毛刺”的感觉。 事实上，这种炮点与检波点高差的现象在山区采集过程中很常见。 渤海某风电场剖面数据处理也采用了类似山地静校正的方法。 数据处理前后的剖面对比如图所示。 如图5所示。

图5 喘振修正前后截面对比

可以看出，静校正前后“毛刺”现象消失，剖面事件的连续性增强，信噪比提高。 静校正的关键在于海底的平滑因子。 平滑因子越小，海底越不平滑，但能更好地保持海底起伏的形状。 平滑因子越大，海底越平滑，但对比海底形态的保存较差。 实际工作中，应根据波浪影响程度和局部地形变化，采用合适的平滑因子，以在消除涌浪影响和保持海底形状之间取得更好的折衷。

⒊异常幅度去除

当风浪较大时，电缆很容易受到严重的噪声影响。 由于其能量较强，可以采用其能量大于有效信号能量的方法去除，即采用频分时分幅度衰减法（AAA）对其进行抑制。 ，这种方法是将数据从时域转换到频域，应用中值滤波抑制异常幅度，设定阈值，在一定的时间窗口内，对与中值幅度显着不同的幅度进行衰减或定相。 相邻通道插值和去噪效果如图6所示。可以看出，抑制前的断面存在明显的幅度异常，断面似乎被垂直条带分割。 异常振幅被抑制后的地震剖面中，垂直条带现象消失，异常振幅得到较好的抑制。 在异常幅度噪声的抑制中，中值宽度是一个非常重要的参数。 中值宽度越大，去噪越强。 但倾斜构造物和孤立地质体的破坏也在增加。 在此过程中，较大的噪音基本可以消除。 强风浪噪声有限。 一般选择合适的中线宽度，基本可以满足测线处理的要求。

图6 异常幅值噪声去除前后截面对比

⒋抑制多重波

海底多重波是地层剖面探测中经常出现的一种干扰波。 由于多波相关的随机噪声比较严重，因此在去除多波时，必须首先衰减随机噪声。 这种随机噪声是高频噪声，没有连续性。 它不能通过自适应减法去除。 由于其能量强大，很容易掩盖多个波，使得自适应减法时无法判断去除效果的好坏。 因此，第一步是衰减随机噪声。 对于多重波去除，主要采用零偏移距多重波去除方法。 该方法从数据本身的静态漂移或自相关中获取多次波模型，并利用自适应算法将多次波模型从原始波场中去除。 减法可以有效抑制多重波，而不影响与多重波交叉的有效波。

对于具体处理，涉及海底基质不同、海底地形变化较大，参数一般无法统一，只能根据测线情况进行相应调整。 针对海底崎岖、水深深、多重波发育明显等特点，在处理时需要选择有针对性的参数。 在北部湾某风电场勘察中，剖面信息处理效果如图7所示。

图7 较深水域多次波去除前后效果图

4。结论

本文通过对海上风电场地层剖面调查现场数据采集和剖面信息处理过程中关键技术方法的分析和研究，得出以下结论：

⑴海况、采集方法、地形和仪器状态是影响野外剖面信息质量的关键因素。 在现场数据收集期间应控制这些方面。

⑵ 通过异常振幅去除、浪涌校正、多次波抑制等数据处理技术，可以去除干扰波和地质伪影，恢复海底以下真实地层信息，大幅提高浅层地层剖面数据质量。

浅水区域剖面信息采集和数据处理的思考：在水深很浅的区域，受直达波和声波传播路径的影响，基本上无法区分海底表面，后期处理非常困难。 在这种情况下，应结合使用单波束测深仪器来确定海底位置，同时应考虑其他类型的浅地层剖面系统，例如固定安装的参数阵列或压电陶瓷式浅层地层剖面仪，可有效区分海底表面，提供更高分辨率的浅层地层。 率检测。 在海上风电场浅层地层剖面检测过程中，普遍采用多种浅层剖面设备进行更加精细化的检测。

结尾

【作者简介】文/龙程、孙辉、安永宁，分别来自天津市水运工程勘察设计院有限公司、天津市水运工程测绘技术重点实验室、深圳恒永业海洋第一作者龙成，1986年出生，男，湖南会同人，工程师，主要从事海洋工程地球物理测量、数据处理与解释工作； 通讯作者孙辉，1988年出生，男，山东枣庄人，工程师，主要从事海洋工程物探工作。 本文为基金项目，2021年广东省促进经济高质量发展（海洋经济发展）六大海洋产业专项资金项目（粤自然资本合作[2021]31号））。 文章来自《水路港口》（2023年第1期）。 省略了对该文章的引用。 版权归出版单位和作者所有。 它用于学习和交流。 转载时请注意，由“海洋生命之流”微信公众平台编辑整理。