CN109342570B - 一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法 - 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预测预警方法，其步骤包括采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型，利用波流水槽进行航道失稳滑塌全周期过程模拟。对淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程进行声学检测，建立航道失稳滑塌全周期过程不同阶段沉积声学图谱。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滑塌之间的变化规律，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。借助图像识别理论识别航道失稳滑塌早期“声学指纹”，结合全球卫星定位系统进行空间定位，据此分析并鉴别出海底航道失稳滑塌早期地段，使其达到预测预警的要求。本发明提供的预测预警技术借助声学检测可以发挥声学遥测技术宏观、快速的优势，对航道进行连续、高效、实时地检测，解决了常规调查难以监测的困难。
Description
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预测预警方法。
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能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，其原理是利用声学换能器向海底发射声波，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声能反射返回换能器，另一部分声能继续向沉积层深处传播，同时陆续返回回波，直到声波能量损失耗尽为止，沉积物的声学特性和内部组织的变化对声波的传播产生一定的影响，当沉积物的成分、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，通过观测记录并分析海底沉积层对声波的不同反应可以了解沉积物性能与结构变化。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，因而在一定程度上形成了具有鉴别特征的“声纹效应”，但是由于对航道哪里可能出现滑塌以及何时滑塌缺少有效的证据，难以及时预测预警和采取预防措施。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，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，并利用声学检测技术建立其失稳滑塌全周期过程的声学图谱，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”。借助图像识别技术识别航道失稳滑塌早期“声学指纹”，结合全球卫星定位系统进行空间定位，据此分析并鉴别出海底航道失稳滑塌早期地段。
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预测预警方法，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、进行淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程模拟；
c、对淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程进行声学检测，建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程不同阶段沉积声学图谱；
d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中沉积物声学特征，找出声学特征与航道失稳滑塌之间的变化规律，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”；
e、对淤泥质海底航道进行走航声学检测，获取航道边坡声学图谱，借助图像识别技术识别航道失稳滑塌早期“声学指纹”，结合全球卫星定位系统进行空间定位，据此分析并鉴别出海底航道失稳滑塌早期地段。
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，声学检测包含GPS定位系统，定位点与测量点为同一点。
进一步的，图像识别技术可采用图像差分技术，包括图像配准、灰度化处理和临界声纹阈值。
进一步的，所述方法既适用于沉积物为黏性沉积物海域、非黏性沉积物海域、浅层失稳和深层失稳。
进一步的，步骤e中具体方法包括，对航道定期进行走航声学检测，声学检测系统中GPS实时把定位数据传输到声学图像中，对每次航道声学检测图像灰度化处理，进行图像配准，然后进行图像差分化处理，检测差分化处理后的声纹图像，判断是否有预警声纹阈值，当大于失稳滑塌预警声纹阈值时，发出警报，识别出其位置，并根据其声纹阈值确定失稳滑塌发生的可能性大小。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用声学检测技术实现海底航道失稳滑塌预测预警，由于声波比较容易产生并且能够穿透沉积地层，因此，借助声学检测技术可以发挥声学遥测技术宏观、快速的优势，能够连续、高效、实时地进行航道检测，不影响航道通航，解决了常规调查难以监测的困难，能够及时发现安全隐患，及时采取有效措施和工程处理方案，不仅减少疏浚成本，节省大量航道维护费用，而且避免因航道堵塞而影响航运业务，增加港口的经济运行效益。
本发明最大创新点是将淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程沉积物内部结构变化与其声学特性联系起来，建立其失稳滑塌全周期过程的声学图谱及其“声纹”识别特征，实现对海底航道沉积物失稳滑塌早期诊断和预测预警。
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，一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，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、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、对淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程进行声学检测，建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程不同阶段沉积声学图谱；
d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中沉积物声学特征，找出声学特征与航道失稳滑塌之间的变化规律，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”；
e、对淤泥质海底航道进行走航声学检测，获取航道边坡声学图谱，借助图像识别技术识别航道失稳滑塌早期“声学指纹”，结合全球卫星定位系统进行空间定位，据此分析并鉴别出海底航道失稳滑塌早期地段。
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，声学检测包含GPS定位系统，定位点与测量点为同一点。
进一步的，图像识别技术采用图像差分技术，包括图像配准、灰度化处理和临界声纹阈值。
进一步的，所述方法既适用于沉积物为黏性沉积物海域、非黏性沉积物海域、浅层失稳和深层失稳。
进一步的，步骤e中具体方法包括，对航道定期进行走航声学检测，声学检测系统中GPS实时把定位数据传输到声学图像中，对每次航道声学检测图像灰度化处理，进行图像配准，然后进行图像差分化处理，检测差分化处理后的声纹图像，判断是否有预警声纹阈值，当大于失稳滑塌预警声纹阈值时，发出警报，识别出其位置，并根据其声纹阈值确定失稳滑塌发生的可能性大小。
实施例：
结合图1，采取淤泥质海底航道沉积物，建立航道模型，利用波流水槽进行淤泥质海底航道模型的失稳滑塌进行全周期过程模拟。
利用参量阵窄波浅地层剖面系统对淤泥质海底航道模型的失稳滑塌进行全周期过程声学检测，参量阵换能器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，形成以反射强度变化而反映的灰度差异和反射波形态特征显示的回声图像，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。
分析航道失稳滑塌不同阶段声学图谱，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，找出声学特征与航道失稳之间的变化规律，识别失稳滑塌早期沉积层及其声学特征，作为预测预警“声学指纹”。具体方法包括对航道失稳滑塌不同阶段沉积声学图像进行灰度处理，选取航道失稳滑塌前一副声学图像作为背景图像，然后把其后的序列图像与背景图像相减，分析各相减后图像的变化特征，确定失稳滑塌临界声纹阈值。
根据淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程不同阶段声学图谱，利用临界声纹阈值进行识别检测筛选航道失稳滑塌早期“声学指纹”。结合GPS对沉积层进行空间定位，据此分析并鉴别出失稳滑塌早期地段，使其达到预测预警的要求。具体方法包括，对航道定期进行走航声学检测，声学检测系统中GPS实时把定位数据传输到声学图像中，对每次航道声学检测图像进行灰度处理，进行图像配准，然后进行图像差分化处理，检测差分化处理后的声纹图像，判断是否有预警声纹阈值，当大于失稳滑塌预警声纹阈值时，发出警报，识别出其位置，并根据其声纹阈值确定失稳滑塌发生的可能性大小。
本发明针对海底淤泥难以取样和大面检测需要，将淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程沉积物内部结构变化与其声学特性联系起来，建立其失稳滑塌全周期过程的声学图谱及其“声纹识别”特征，通过对海底航道沉积物失稳滑塌早期诊断，实现利用声学检测海底航道失稳滑塌预测预警技术。
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 (8)
1.一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，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、进行淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程模拟；
c、对淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程进行声学检测，建立淤泥质海底航道失稳滑塌全周期过程不同阶段沉积声学图谱；
d、从沉积声学图谱中提取航道失稳滑塌过程中沉积物声学特征，找出声学特征与航道失稳滑塌之间的变化规律，识别失稳滑塌早期声学特征，作为预测预警“声学指纹”；
e、对淤泥质海底航道进行走航声学检测，获取航道边坡声学图谱，借助图像识别技术识别航道失稳滑塌早期“声学指纹”，图像识别技术可采用图像差分技术，包括图像配准、灰度化处理和临界声纹阈值，结合全球卫星定位系统进行空间定位，据此分析并鉴别出海底航道失稳滑塌早期地段；
具体方法包括：对航道定期进行走航声学检测，声学检测系统中GPS实时把定位数据传输到声学图像中，对每次航道声学检测图像灰度化处理，进行图像配准，然后进行图像差分化处理，检测差分化处理后的声纹图像，判断是否有预警声纹阈值，当大于失稳滑塌预警声纹阈值时，发出警报，识别出其位置，并根据其声纹阈值确定失稳滑塌发生的可能性大小。
2.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，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预测预警方法，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预测预警方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，其特征在于：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。
6.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，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5所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，其特征在于：声学检测包含GPS定位系统，定位点与测量点为同一点。
8.根据权利要求1所述的一种淤泥质海底航道失稳滑塌预测预警方法，其特征在于：所述方法适用于沉积物为黏性沉积物海域、非黏性沉积物海域、浅层失稳和深层失稳。
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