海底地基形位測量儀研制與海上試驗研究

李志剛，陳祥余，李海森，鄧 平

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001)

在海洋平臺地基基礎測試分析技術研究中，獲取海洋平臺底部樁基周圍區(qū)域的精確三維地形信息是一個重要的支持手段。當平臺所在水域較深、能見度差、水下環(huán)境復雜時，水下攝像機和潛水員摸探等傳統(tǒng)方式已不再適用，而采用多波束測深聲納或高分辨圖像聲納來替代傳統(tǒng)方式［1-5］，我國也主要依賴高價進口這些設備來解決國內(nèi)急需。但因進口設備一般不提供原始聲學數(shù)據(jù)，給測量結果的后續(xù)二次開發(fā)和利用造成很大困難;另一方面，長期依賴進口設備對我國自主知識產(chǎn)權海洋工程裝備的發(fā)展十分不利。因此近年來國內(nèi)在引進國外設備的同時，專門開展了相關技術研究，并取得了較大進展［6-10］。基于多波束測深聲納原理和自主開發(fā)的信號處理算法，研制一種具有自主知識產(chǎn)權的海底地基形位測量儀，重點給出其工作原理、系統(tǒng)組成和儀器的設計方案及關鍵技術，并結合細致的海上外場試驗研究，驗證了該設備技術先進、工作穩(wěn)定可靠，通過海底地基形位測量結果與潛水員探摸比對不僅證明其有效可信，而且為海洋平臺地基形位信息獲取提供了一種新的國產(chǎn)化海洋工程儀器設備。

1 海底地基形位測量儀原理及關鍵技術

1.1 基本原理

海底地基形位測量儀的工作原理如圖1所示，其基于多波束測深技術實現(xiàn)對海底的Mills交叉采樣，即利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)正交形成一系列對海底地形的照射腳印，對這些腳印散射聲信號進行專門的信號處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)海底地基形位高低和形位變化，再經(jīng)過成圖軟件描繪出海底地形的三維特征。

圖1 海底地基形位測量儀工作原理Fig.1 Working principle of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

1.2 海底散射信號DOA和TOA估計關鍵技術

根據(jù)多波束測深原理，海底散射信號的高精度估計技術是研制海底地基形位測量儀的關鍵。由于海底散射信號在垂直鏡像區(qū)域和邊緣非鏡像區(qū)域具有不同的特征，必須采用不同的DOA(Direction of Arrival)和TOA(Time of Arrival)估計算法［6，9］，本文在鏡像區(qū)域和非鏡像區(qū)域分別采用了WMT(Weight Mean Time)和多子陣海底檢測算法，并且通過水池實驗驗證了兩種算法的有效性，從而保證儀器研制的可靠實施。

1.2.1 WMT算法

WMT算法的基本原理是對接收到的回波進行多波束形成，然后搜索多個波束方向上的回波能量最強區(qū)域來估計不同角度方向上的海底回波到達時間，從而得到多個角度方向上的水深信息。這種算法在垂直鏡像區(qū)域效果較好，在邊緣非鏡像區(qū)域由于接收波束變寬導致腳印變大，使得深度估計精度下降，難以滿足高精度測量需求，還需要開發(fā)適合于邊緣非鏡像區(qū)域的深度估計算法。

1.2.2 多子陣海底檢測算法

邊緣非鏡像區(qū)域的深度估計算法一般采用相位檢測法，多子陣海底檢測算法就是較常用的一種。其基本原理［11-12］是對接收到的海底回波的每一個時間片(樣本)，利用空間位置不同的多個子陣間的相位差信息，估計每個時間片的海底回波到達角度，從而得到水深信息。在垂直鏡像區(qū)域由于回波方位變化快，這種算法估計效果一般，而在邊緣非鏡像區(qū)域卻能得到很好的估計效果，并且這種算法的最大優(yōu)勢在于其能夠得到高密度的水深值。由于海底地基形位測量儀安裝在測量船上，通常利用邊緣非鏡像區(qū)域探測海洋平臺地基形位，因此該算法對于海底地基形位精細探測發(fā)揮著至關重要的作用。

1.3 系統(tǒng)組成與設計方案

圖2給出了海底地基形位測量儀設備組成。主要包括聲基陣、系統(tǒng)硬件與輔助設備接口、軟件算法等。其中聲基陣由弧形發(fā)射陣和直線陣接收陣呈十字交叉分置方式;系統(tǒng)硬件包括多通道發(fā)射機、多通道接收機、高速并行處理平臺、主控計算機、顯示與存儲設備等;為了獲取高精度的海底地基位置信息需要多種輔助測量設備，如用以提供大地坐標的DGPS，用以提供測量船橫搖、縱搖、艏向等姿態(tài)數(shù)據(jù)的姿態(tài)傳感器，用以提供所測海區(qū)聲速剖面信息的聲速剖面儀以及所測海區(qū)潮位數(shù)據(jù)的驗潮儀、升沉信息、測量船吃水等，因此獲取這些信息的輔助設備接口也是必需的，這里配置了RS232串口和百兆網(wǎng)口兩種;而獲得精確海底地基深度信息關鍵技術是要高精度估計海底腳印散射信號到達時間TOA和到達方向DOA。相應的軟件算法，包括數(shù)據(jù)采集、WMT、多子陣海底檢測算法、顯控軟件等，分別運行在高速并行處理平臺和主控計算機上。研制過程中，圖2(a)的整個儀器設計方案可分為組合聲學基陣和電子系統(tǒng)，而按照結構設計可分為水下分機和水上分機［13］。系統(tǒng)實物照片如圖2(b)所示。

圖2 海底地基形位測量儀組成Fig.2 Diagram of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

1.3.1 水上分機

水上分機主要由便攜式一體機、互聯(lián)電纜和輔助設備(姿態(tài)傳感器、DGPS等)接口組成。其中便攜式一體機由6塊CPCI-6U結構的多層電路板組成，也是儀器的核心部分之一。見圖3。

圖3 海洋平臺地基形位測量儀外觀照片F(xiàn)ig.3 Appearance of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

按照功能劃分為:接收機信號調(diào)理板2塊、信號數(shù)字采集與預處理板1塊、并行信號處理與系統(tǒng)輔助設備接口板1塊、系統(tǒng)電源板1塊和系統(tǒng)主機板1塊，如圖3(a)所示。

1.3.2 水下分機

水下分機主要由組合聲基陣和換能器電子艙組成，其中組合聲基陣也是系統(tǒng)核心部分之一，又稱作水下聲探頭，如圖3(b)、圖3(c)所示;換能器電子艙內(nèi)部主要由多通道相控信號源、多通道信號發(fā)射機以及多通道前置放大電路組成。

2 水池測試與結果

水下分機和水上分機硬件和軟件研制并調(diào)試完成后，整個儀器在專用水池進行了整機性能詳細測試，并以其對水池形狀的測量效果作為檢測系統(tǒng)性能的一種手段。其中水池長寬高分別為25、15和10 m，行車縱橫走行精度皆為1 mm，吊桿旋轉(zhuǎn)精度為0.1°。具體實驗測試過程如下:1)水下分機安裝于行車旋轉(zhuǎn)裝置吊桿上，位于專用水池長度方向一側(cè)4.6 m、寬度方向中心位置，基陣吃水約0.3 m［14-15］，水上分機布放在行車儀器室，水上分機和水下分機通過電纜相連;2)旋轉(zhuǎn)基陣180°后對池壁寬度方向進行測量，可以清楚地看到兩邊基本對稱的池壁和池底形狀(現(xiàn)場側(cè)壁和池底顯控軟件情況如圖4所示)，經(jīng)多次實測統(tǒng)計，其距離長度方向一側(cè)4.58 m、深度9.66 m、距水池寬度方向兩側(cè)距離分別為7.48和7.51 m，和已知位置相吻合;3)經(jīng)過72小時連續(xù)工作考機，驗證系統(tǒng)硬件和軟件工作穩(wěn)定性、可靠性。

圖4 水池池壁現(xiàn)場檢測結果Fig.4 Detection results of pool wall

經(jīng)過上述水池實驗，得到如下基本結論:1)實測數(shù)據(jù)與已知水池尺寸數(shù)據(jù)吻合情況很好，驗證了其深度測量精度;2)該地基形位測量儀可以測量呈直角形狀的目標，證明其工作原理與關鍵技術能勝任海底地基形位測量;3)該地基形位測量儀長時間工作正常、穩(wěn)定可靠，具備了進行海上外場試驗研究的條件。

3 海上試驗測試與驗證

3.1 試驗基本情況

為了進一步驗證該地基形位測量儀海上工作穩(wěn)定性和實際海洋平臺測量的適應能力，采用本設備并結合相關輔助設備數(shù)據(jù)處理方法［16-20］，對渤海JZ20-2平臺進行水下三維地形測量，該試驗水域水深約18 m左右。在正式測量之前，首先需要對地基形位測量儀的安裝誤差進行校準。圖5是利用三條往返測線進行安裝誤差校準的結果，驗證了設備具有良好的自吻合性。

圖5 安裝誤差校準(三條測線)Fig.5 Installation error calibration(with three surveying lines)

3.2 測量結果數(shù)據(jù)詳細分析

為了分析海洋平臺地基形位變化細節(jié)情況，對所測量數(shù)據(jù)進行了精細處理。處理后得到的JZ20-2平臺周邊三維形位圖像如圖6所示，觀察視角為60°俯視。

從圖6中可以直觀的看到平臺周邊的三維形位分布情況，其中圖中三處柱狀突起是測量過程探測到的平臺結構，分別對應MNW、MUQ、BOP三個平臺，即海洋平臺海底地基形位測量儀發(fā)射的聲波照射到平臺樁腿及其他結構件上形成的平臺架形位結果。

從圖6中可以看出:①整個區(qū)域內(nèi)相對平坦，水深變化范圍不大;②在此區(qū)域內(nèi)，平臺附近北側(cè)存在兩個樁坑。在兩個樁坑之間、靠近右側(cè)樁坑位置，呈現(xiàn)一“帶狀”隆起，該“帶狀”沿東北至西南方向延伸，穿過JZ20-2MNW平臺底部后，一直延伸至本區(qū)域左側(cè);③平臺JZ20-2 MUQ平臺底部存在不規(guī)則沖刷坑，沖刷坑最深處位于MUQ平臺西北角，從測量結果數(shù)據(jù)上分析，該沖刷坑樁腿處的坑深為0.78 m;④JZ20-2 MUQ平臺下方東南部呈隆起地形，高于平臺外側(cè)地基面;⑤MUQ平臺外側(cè)相近地形中，東北方向呈隆起地形向北方延伸，東部的相對低洼地形向東北方向延伸，與前述隆起地形相鄰接;⑥MUQ平臺東南角、BOP平臺西北角區(qū)域發(fā)現(xiàn)管線引出地形特征，從圖像中可清晰觀察到由管線壓塊堆壘形成的隆起，隆起地形的形狀走勢與已有海管路由圖相吻合。為便于分析描述，圖7給出了MUQ平臺位置及樁腿編號。

在圖7所標注的四個樁腿中，測量數(shù)據(jù)覆蓋了B1、B2、A2三個樁腳，平臺最內(nèi)側(cè)的A1因為遮擋只測量到部分數(shù)據(jù)。下面僅就發(fā)現(xiàn)明顯沖刷坑的B1樁腿處測量結果數(shù)據(jù)進行分析。

圖6 JZ20-2平臺周邊形位圖像(局部)Fig.6 Seafloor groundsill terrain map around JZ20-2 platform(local)

圖7 MUQ平臺位置及樁腿編號Fig.7 Position of MUQ platform and number of its pegs

1)B1樁腿處沖刷坑圖像及尺寸分析

B1樁腿處的沖刷坑形狀不規(guī)則，南北方向稍長，東西方向稍短。如圖8所示，南北方向上樁腿向平臺外側(cè)的長度為7.0 m，東西方向長度為6.8 m。樁腿處的坑深為0.78 m(相對于平臺參考基準點)。

2)B2-B1樁腿間沖刷情況分析

從B2到B1之間，每間隔0.5 m取一個水深點，根據(jù)水深點的深度和參考基準點深度，得到從B2到B1之間各點的相對深度數(shù)據(jù)列表如下，其中正值代表高出參考基準點，負值代表低于參考點，單位均為m。

表1中數(shù)據(jù)直觀地說明了B2-B1樁腿間的地基形位分布情況。相對于參考基準點，B2樁腿處掩埋0.74 m，B1樁腿處的坑深0.78 m。將上述海洋平臺海底地基形位測量儀測量結果與潛水員對導管架泥面四周進行探摸的結果相比較(詳細沖刷情況見圖9)。B1樁腿位置處懸空大約為80 cm，B2樁腿周圍沒有發(fā)現(xiàn)沖刷痕跡。

圖8 B1樁腿處沖刷坑尺寸測量圖Fig.8 Terrain map of the pit scoured around peg B1

表1 不同位置點的深度值Tab.1 Depths of different positions

圖9 潛水員對導管架泥面探摸結果Fig.9 The result of canal frame mud plane groped by diver

3.3 與潛水員探摸比對結論

將海洋平臺海底地基形位測量儀的測量結果與潛水員探摸結果相比較，可以得出以下結論:

1)對B1樁腿處的沖刷坑的測量結果吻合很好，潛水員探摸結果給出的是80.0 cm，而海洋平臺海底地基形位測量儀的測量結果是0.78 m，兩者基本一致。

2)與圖9給出的潛水員探摸的泥面線相比較，海洋平臺海底地基形位測量儀測量得到的地基形位曲線在整體上是吻合的，即B2、B1之間靠近B2樁腿有掩埋，而在靠近B1樁腿附近有明顯沖刷坑。

由于海底地基形位測量儀能夠給出二維坑形分析和更為詳細的坑形剖面信息，更為全面地描述了地基沖刷狀況，體現(xiàn)出該儀器設備的優(yōu)越性，具有替代傳統(tǒng)探摸方式的前景。

4 結語

基于多波束測深技術，采用分布式模塊化硬件設計思想研制成功了海底地基形位測量儀系統(tǒng)，并通過水池試驗詳細測試、以及海上實際試驗研究，得到以下結論:

1)通過對海上鉆井平臺的實測結果分析，驗證了海洋平臺海底地基形位測量儀可以用于海洋平臺海底地基測量，尤其是對沖刷坑大小、坑形的測量;并且相比于人工探摸方式，其測量結果更為全面和細致。

2)該設備技術先進，填補國內(nèi)海洋平臺地基形位測量儀空白，具有進一步推廣應用前景。

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