CN109342568B - 一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于，包括如下步骤：a、采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型；b、对上述步骤中建立的淤泥质海底航道模型进行失稳滑塌全周期过程模拟；c、对淤泥质海底航道模型的失稳滑塌全周期过程进行声学检测，并建立淤泥质海底航道模型失稳滑塌全周期过程的沉积声学图谱；d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中声学特征，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。

Description

一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法
技术领域
本发明属于海洋监测技术领域，涉及一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法。
背景技术
淤泥质海底航道失稳滑塌是人工开挖航道斜坡自身求得稳定状态的一种自然调整过程，即使坡度很缓，在坡角小于1°时，航道也可能产生失稳滑塌，改变航道几何形状，导致港口堵塞，造成重大的经济和社会损失。
引发海底航道失稳滑塌的原因可分为两类：一类是剪切应力增大，超过应力极限而使土体产生破坏。另一类是因应变增大或孔隙压力的变化而使有效应力减小，引起斜坡土体的破坏。诱发因素主要有风暴潮、横跨航道的海流、波浪、潮位变化、沉积物快速堆积、坡脚冲刷、孔隙气体逸出、渗流作用以及人类活动、来往船只等。其中，动力因素是引起海底航道失稳破坏的重要因素，海水以流、浪、潮等运动形式作用于航道斜坡，受动荷载的强度和周期以及土体自身状态的影响使海底土体强度软化、抗剪强度衰变以及孔隙水压升高而引起有效应力降低，从而导致航道失稳破坏。
由于淤泥质海域海水具有良好的导电性、极强的吸热能力和极差的透光性使得雷达、红外线望远镜、卫星遥感技术等依赖于激光、电磁波传播的探测技术束手无策，无法对海底沉积层进行高效探测，同时由于人们较难接近海底，尤其是在恶劣的海况下，对淤泥质海底航道失稳滑塌的监测一直缺乏有效的方法，绝大多数是事后借助于测深的方法或者多波速扫描的方法查看滑塌情况。
声波在固体和液体中较强的穿透能力和相对较小的衰减使其在海底沉积物探测中发挥了重要作用。随着海洋沉积声学的发展，声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征，当介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等也会发生相应的变化。因此，可以利用这一原理探测声波在海底介质中的传播时间、振幅及频谱特征等信息，进而探测相应介质的结构、致密程度和完整程度等特征。同一海底沉积物在不同应变阶段，声速具有明显的随应力而变化的特征，航道边坡沉积物在其失稳滑塌的不同发育周期内，其物理性状不同，对声速的响应也有所不同，因而形成了具有鉴别特征的“声纹效应”，但由于对淤泥质海底航道哪里可能出现滑塌以及何时滑塌缺少有效的证据，导致很难在现场捕捉到一个完整的航道失稳滑塌过程，限制了对其全周期声纹方法识别。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，创造性提出一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，该方法采用在实验室模拟再现一个完整的淤泥质海底航道失稳滑塌过程，并用声学检测技术建立其失稳滑塌全周期过程的沉积声学图谱，根据沉积声学图谱建立航道失稳滑塌不同应变阶段沉积物内部结构变化过程的“声学指纹”。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型；
b、对上述步骤中建立的淤泥质海底航道模型进行失稳滑塌全周期过程模拟；
c、对淤泥质海底航道模型的失稳滑塌全周期过程进行声学检测，建立淤泥质海底航道模型的失稳滑塌全周期过程的沉积声学图谱；
d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中声学特征，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。
进一步的，步骤b中利用波流水槽进行淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程模拟。
进一步的，模拟的航道可为天然或人工疏浚而成，航道边坡可为不同坡角或变边坡。
进一步的，模拟失稳滑塌的诱因包括但不限于动力荷载，沉积物快速堆积、坡脚冲刷、孔隙气体逸出、渗流作用以及人类活动、来往船只。
进一步的，声学检测采用声学剖面探测系统，所述声学剖面探测系统包括但不限于参量阵窄波浅地层剖面系统。
进一步的，沉积声学图谱中包含航道失稳滑塌过程不同阶段声学特征。
进一步的，所述方法既适用于航道沉积物为黏性沉积物海域也适用于沉积物为非黏性沉积物海域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在海洋监测技术领域创造性地提出利用声学检测技术获取淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程沉积声学图谱，从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中沉积物声学特征，找出声学特征与航道失稳之间的变化规律，识别失稳滑塌早期蠕变沉积层及其声学特征，作为预测预警“声学指纹”。
本发明最大创新点是通过在室内再现一个完整的淤泥质海底航道失稳滑塌过程，解决了难以在海底现场捕捉到一个完整的航道失稳滑塌过程问题，并利用声学检测技术建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程沉积声学图谱，识别失稳滑塌早期“声学指纹”，使得利用声学技术对航道失稳滑塌进行预测预警成为现实，并解决了难以检测水下海底航道边坡沉积物内部结构变化难题，对海底航道安全空间预测与风险评估具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，实施例：
一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，方法步骤如下：
a采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型。
b利用波流水槽进行淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程模拟，全周期过程包括一个完整的淤泥质海底航道失稳滑塌过程。
c利用参量阵窄波浅地层剖面系统对淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程进行声学检测，声参量阵是利用水介质的非线性特性，使用两个沿同一方向传播的高频初始波在远场中获得的差频频波的声发射装置。参量阵窄波浅地层剖面系统换能器利用差频原理，在高压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号(f1，f2 )作为主频，声波在水介质中传播时由于非线性效应而形成差频波，如 f1、f2、（f1+f2）、(f1-f2 )、2f1、2f2 等声波信号，因 f1、f2 的频率非常接近，所以差频(f1-f2)的频率很低，具有很强的沉积层穿透力，差频声波信号与高频时的波束角非常接近，且没有旁瓣，波束指向性好，具有较高的分辨率，便于对沉积层的识别。由于沉积物的结构不同，声波反射不同，接收单元依次接收到回波信号的时间和强度也不同，通过对回波信号的放大和滤波等处理后，形成以不同灰度显示的回声图像，据此建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程不同阶段声学图谱。
d从沉积声学图谱中提取出海底航道失稳滑塌沉积声学特征，沉积声学图谱中灰度值的大小反映了沉积层对声波的反射强度。因此可以通过由回波强度构成的纹理信息显示具有一定灰度的点状、线状和面状图形组成的图像，对应着沉积物物理性质和空间分布，在海底航道失稳滑塌的不同阶段，沉积层的声图灰度和纹理不一样，从形状特征、灰度值大小特征、纹理特征方面分析声学特征与航道失稳之间的变化规律，根据不同应变阶段沉积物的声学特征，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。
优选上述实施例：
模拟的航道可为天然或人工疏浚而成，航道边坡可为不同坡角或变边坡。
模拟失稳滑塌的诱因包括但不限于动力荷载，沉积物快速堆积、坡脚冲刷、孔隙气体逸出、渗流作用以及人类活动、来往船只。
声学检测采用声学剖面探测系统，所述声学剖面探测系统包括但不限于参量阵窄波浅地层剖面系统。
沉积声学图谱中包含航道失稳滑塌过程不同阶段声学特征。
所述方法既适用于航道沉积物为黏性沉积物海域也适用于沉积物为非黏性沉积物海域。
本发明基于室内再现一个完整的淤泥质海底航道失稳滑塌过程，解决了难以在海底现场捕捉到一个完整的航道失稳滑塌过程问题，并利用声学检测系统建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程沉积声学图谱，识别失稳滑塌早期“声学指纹”，使得利用声学指纹技术对航道失稳滑塌进行预测预警成为现实。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型；
b、对上述步骤中建立的淤泥质海底航道模型进行失稳滑塌全周期过程模拟；
c、对淤泥质海底航道模型的失稳滑塌全周期过程进行声学检测，并建立淤泥质海底航道模型的失稳滑塌全周期过程的沉积声学图谱；
d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中声学特征，识别失稳滑塌早期声学特征，具体方法包括，通过由回波强度构成的纹理信息显示具有一定灰度的点状、线状和面状图形组成的图像，对应着沉积物物理性质和空间分布，在海底航道失稳滑塌的不同阶段，沉积层的声图灰度和纹理不一样，从形状特征、灰度值大小特征、纹理特征方面分析声学特征与航道失稳之间的变化规律，根据不同应变阶段沉积物的声学特征，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。
2.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：步骤b中利用波流水槽进行淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程模拟。
3.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：模拟的航道可为天然或人工疏浚而成，航道边坡可为不同坡角或变边坡。
4.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：模拟航道失稳滑塌的诱因包括但不限于动力荷载、沉积物快速堆积、坡脚冲刷、孔隙气体逸出、渗流作用以及人类活动、来往船只。
5.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：声学检测采用声学剖面勘探系统，所述声学剖面勘探系统包括但不限于参量阵窄波浅地层剖面系统。
6.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：沉积声学图谱中包含航道失稳滑塌过程不同阶段声学特征。
7.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌全周期声纹识别方法，其特征在于：所述方法既适用于航道沉积物为黏性沉积物海域也适用于沉积物为非黏性沉积物海域。
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