實(shí)時(shí)三維聲吶技術(shù)在平臺(tái)水下檢測(cè)中的應(yīng)用

代兆立，竇海余，徐 爽，孫大權(quán)，蔡 彪

1.中國(guó)石油冀東油田公司，河北唐山 063004

2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028

灘海人工島處在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，受到風(fēng)、浪、流、海冰、風(fēng)暴潮和地震等多種海洋環(huán)境因素的共同影響，損毀事件屢見(jiàn)不鮮，灘海人工島工程的安全檢測(cè)與預(yù)警是人工島建設(shè)與運(yùn)行的重要保障[1-2]。

冀東南堡油田采用人工島海油陸采工程模式，1號(hào)構(gòu)造相繼建成3座人工島，包括NP1-29平臺(tái)、3座海底管道（簡(jiǎn)稱海管）登陸平臺(tái)（NP1-1D人工島的2座海管登陸平臺(tái)、NP1-2D人工島的1座海管登陸平臺(tái)）、NP1-3D人工島海底管道棧橋支撐平臺(tái)。由于近海風(fēng)、浪、流、冰等動(dòng)力因素的影響，平臺(tái)樁基周邊可能存在沖刷現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能給安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。工程設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都提出了定期檢測(cè)要求[3-4]，檢測(cè)內(nèi)容包括水深與海底地形測(cè)繪、平臺(tái)樁基探測(cè)、樁基沖刷、廢棄電纜及海底障礙物等。

常規(guī)檢測(cè)技術(shù)中有單波束、多波束、側(cè)掃等手段。由于各平臺(tái)水深較淺（1～3 m），平臺(tái)由群樁組成，形狀不規(guī)則，測(cè)量船舶難以抵近檢測(cè)，多年來(lái)各平臺(tái)樁基只能靠潛水員探摸作定性評(píng)估，無(wú)法進(jìn)行定量檢測(cè)。經(jīng)過(guò)技術(shù)比選，本工程采用三維聲吶掃測(cè)技術(shù)。三維聲吶掃測(cè)設(shè)備可實(shí)時(shí)顯示觀看水下地形，也可采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而后在后續(xù)處理中顯示水下目標(biāo)物的三維影像、水工建筑等影像資料。三維聲吶有非常好的可視化效果，可360°呈現(xiàn)水下目標(biāo)物的形狀，距離相對(duì)分辨率達(dá)到4 cm，可輸出掃測(cè)目標(biāo)物的三維數(shù)據(jù)。三維聲吶安裝非常方便，可以安裝在小艇、水下挖掘機(jī)、測(cè)量船、水下機(jī)器人[5]等上面，操作安全，有較高的安全系數(shù)。

本文介紹了三維聲吶測(cè)量技術(shù)首次在冀東灘海油田進(jìn)行了水下工程檢測(cè)中的應(yīng)用，檢測(cè)結(jié)果滿足了工程需要，可推廣應(yīng)用。

1 三維聲吶測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)量原理

三維成像聲吶系統(tǒng)向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射聲信號(hào)，利用聲成像方法對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，獲得一系列二維圖像（幀），通過(guò)計(jì)算機(jī)合成技術(shù)合成三維圖像。對(duì)于一次三維成像可以獲得兩種類(lèi)型的幀，分別是距離圖像和振幅圖像，對(duì)這兩類(lèi)聲納圖像處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像。為了保證測(cè)量精度，通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)修正，以消除船舶在航行時(shí)縱橫搖擺的影響。

1.2 測(cè)量方法

測(cè)量使用水下三維聲吶設(shè)備結(jié)合配套軟件USE等進(jìn)行系統(tǒng)配置和外業(yè)數(shù)據(jù)采集。使用船載TDL中繼站接收控制點(diǎn)基準(zhǔn)站發(fā)射的差分信號(hào)，接入到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中進(jìn)行RTK改正，提供高精度的定位數(shù)據(jù)；通過(guò)GNSS輸出時(shí)間數(shù)據(jù)（ZDA+1PPS），消除時(shí)間延遲誤差；使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的姿態(tài)儀輸出姿態(tài)和艏向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改正船體姿態(tài)，消除波浪對(duì)船體姿態(tài)的影響；采用聲速剖面儀采集測(cè)區(qū)中聲速剖面數(shù)據(jù)，計(jì)算出測(cè)區(qū)平均聲速進(jìn)行聲速改正，消除聲速變化對(duì)水深測(cè)量產(chǎn)生的誤差；通過(guò)USE等采集軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)和換能器的調(diào)節(jié)，根據(jù)測(cè)量目標(biāo)位置與形態(tài)調(diào)整云臺(tái)方向，實(shí)現(xiàn)換能器方向與目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)，再根據(jù)接收到的圖像實(shí)時(shí)調(diào)整換能器增益、閾值、量程等參數(shù)，使圖像數(shù)據(jù)最優(yōu)化。

1.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

測(cè)量實(shí)施前，需對(duì)IMU測(cè)量單元進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)校正，測(cè)量船舶開(kāi)始進(jìn)行繞8字航行，校準(zhǔn)程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)行，直至慣性導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)精度指標(biāo)滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)要求即可。按照系統(tǒng)安裝校準(zhǔn)要求，在測(cè)試海域平坦區(qū)域選取兩條平行測(cè)線進(jìn)行距離約170 m的往返測(cè)量，考慮到實(shí)際水深為8 m左右，兩條平行測(cè)線測(cè)量間距取17 m；另外選取在水下有棱角分明的結(jié)構(gòu)體兩側(cè)分別進(jìn)行平行測(cè)線往返測(cè)量。

（1）橫搖（Roll）校準(zhǔn)。在兩條平行測(cè)線的相對(duì)位置選取影像，選取影像重疊區(qū)域達(dá)60%以上進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)使得profile line點(diǎn)基本在一條線上，校準(zhǔn)結(jié)果score值為0.009 8＜0.01，則校準(zhǔn)結(jié)果滿足測(cè)量需求。

（2）艏向（Yaw）校準(zhǔn)。在同一測(cè)線相鄰位置上選取有棱角的結(jié)構(gòu)體影像，校準(zhǔn)使得結(jié)構(gòu)體相同區(qū)域完全重合，則校準(zhǔn)結(jié)果滿足測(cè)量需求。

（3）縱搖（Pitch）校準(zhǔn)。在同一測(cè)線相鄰位置選取影像，影像重疊區(qū)域達(dá)60%以上進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)使得profile line點(diǎn)基本在一條線上，校準(zhǔn)結(jié)果score值為0.006 8＜0.01，則校準(zhǔn)結(jié)果滿足測(cè)量需求。

（4）X校準(zhǔn)。在不同測(cè)線相對(duì)位置上選取有棱角的結(jié)構(gòu)體影像，校準(zhǔn)使得結(jié)構(gòu)體相同區(qū)域完全重合，則校準(zhǔn)結(jié)果滿足測(cè)量需求。

（5）Y校準(zhǔn)。在不同測(cè)線相對(duì)位置上選取有棱角的結(jié)構(gòu)體影像，校準(zhǔn)使得結(jié)構(gòu)體相同區(qū)域完全重合，則校準(zhǔn)結(jié)果滿足測(cè)量需求。

1.4 數(shù)據(jù)采集

合理調(diào)整換能器增益、閾值、量程等參數(shù)，獲取干凈的數(shù)據(jù)，再按照預(yù)定的測(cè)量方式，沿著測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一段區(qū)域數(shù)據(jù)采集完成后，及時(shí)查看數(shù)據(jù)完整性，對(duì)于缺失部分進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

1.5 內(nèi)業(yè)匯編

（1）圖像拼接及噪聲處理。選擇測(cè)量效果好的區(qū)域進(jìn)行圖像拼接，再進(jìn)行噪聲一級(jí)處理和二級(jí)處理。確保圖像數(shù)據(jù)干凈、可靠。

（2）測(cè)量成果分析。根據(jù)平臺(tái)基樁掃測(cè)結(jié)果，認(rèn)真研判掃測(cè)圖像，判斷樁基是否存在異常；確定海床和樁基沖刷、淤積等情況；確定廢棄電纜及海底異常等情況。

2 工程應(yīng)用

測(cè)試設(shè)備采用Echoscope實(shí)時(shí)三維聲吶系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。三維成像聲吶系統(tǒng)向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射聲信號(hào)，利用聲成像的方法對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理。Echoscope聲吶系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)聲納探頭發(fā)射一個(gè)頻率為375 kHz的聲波信號(hào)，形成一個(gè)50°×50°的扇形掃描區(qū)域，每次聲波發(fā)射包含128×128個(gè)波束，以相同的間隔排列，每個(gè)聲波間距為0.39°；系統(tǒng)接收到回波信號(hào)后進(jìn)行聲成像處理，生成一個(gè)二維圖像（幀）；系統(tǒng)以20 Hz的速度更新數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)合成技術(shù)將這一系列的幀合成為三維圖像。為了保證測(cè)量精度，通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)修正，以消除船在航行時(shí)縱橫搖擺的影響。

圖1 Echoscope實(shí)時(shí)三維聲吶系統(tǒng)

平面基準(zhǔn)采用1954年北京坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影；投影參數(shù)中央子午線118°30′E，東向加常數(shù)50萬(wàn)m，北向加常數(shù)0 m。高程（深度）基準(zhǔn)采用曹妃甸理論最低潮面。水位控制使用登陸點(diǎn)設(shè)計(jì)高程進(jìn)行控制。

為滿足人工島周邊水域測(cè)量要求，本項(xiàng)目建立了臨時(shí)基準(zhǔn)站。在NP1-1D、NP1-2D、NP1-3D登陸點(diǎn)分別布設(shè)臨時(shí)潮位驗(yàn)潮點(diǎn)，使用登陸點(diǎn)設(shè)計(jì)高程進(jìn)行人工驗(yàn)潮，精確至1 cm，每10 min量取一次并記錄。驗(yàn)潮在每天測(cè)量前10 min開(kāi)始，水深測(cè)量后10 min結(jié)束。

2.1 NP1-1D海管登陸平臺(tái)水下檢測(cè)

對(duì)NP1-1D海管登陸平臺(tái)周?chē)M(jìn)行三維掃測(cè)，掃測(cè)角度為20°，聲吶探頭與特征物之間掃測(cè)距離約8.8 m，探頭距離海底約7.9 m。

掃測(cè)結(jié)果表明，NP1-1D引橋東側(cè)海管平臺(tái)樁基周?chē)? m范圍內(nèi)有約50 cm的凹坑（見(jiàn)圖2），水下樁基未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 NP1-2D海管登陸平臺(tái)水下檢測(cè)

對(duì)NP1-2D海管登陸平臺(tái)周?chē)M(jìn)行三維掃測(cè)，掃測(cè)角度為30°，聲吶探頭與特征物之間掃測(cè)距離約13.9 m，探頭距離海底深度約5.7 m。

掃測(cè)結(jié)果表明，NP1-2D西側(cè)海管登陸平臺(tái)未發(fā)現(xiàn)地形異常情況，未發(fā)現(xiàn)樁基異常（見(jiàn)圖3）；NP1-2D北側(cè)（引橋邊）海管登陸平臺(tái)，因水深小于4 m，掃測(cè)數(shù)據(jù)噪點(diǎn)過(guò)多，無(wú)法形成有效影像。根據(jù)低潮時(shí)人工巡視及水深數(shù)據(jù)，認(rèn)為海管樁基無(wú)異常，樁基下海床無(wú)溝槽和深坑。

圖2 NP1-1D海管登陸平臺(tái)樁基掃測(cè)地形

圖3 NP1-2D西側(cè)海管登陸平臺(tái)樁基掃測(cè)地形

2.3 NP1-29平臺(tái)水下檢測(cè)

對(duì)NP1-29平臺(tái)周?chē)M(jìn)行三維掃測(cè)，掃測(cè)角度為20°，水下樁基掃測(cè)高度約7 m。

掃測(cè)結(jié)果表明，西北側(cè)樁基北側(cè)有長(zhǎng)44 m、寬約14 m、較周?chē)匦紊?.6 m的溝槽（見(jiàn)圖4～6）。

圖4 NP1-29平臺(tái)西北側(cè)溝槽位置

圖5 NP1-29平臺(tái)西北側(cè)溝槽深度

2.4 NP1-3D海管棧橋支撐平臺(tái)水下檢測(cè)

對(duì)NP1-3D海管棧橋支撐平臺(tái)周?chē)M(jìn)行三維掃測(cè)，掃測(cè)角度為20°，聲吶探頭與特征物之間掃測(cè)距離約7.2 m，探頭距離海底深度約3.0 m。

圖6 NP1-29平臺(tái)溝槽區(qū)域剖面

掃測(cè)結(jié)果表明，NP1-3D海管棧橋支撐平臺(tái)樁基寬度約11 m，樁基下方有較小溝槽（見(jiàn)圖7），樁基底部呈三角形狀。上部水深小于3 m，上部掃測(cè)時(shí)噪點(diǎn)較大，無(wú)法形成影像，根據(jù)低潮時(shí)對(duì)樁基的觀察，樁基無(wú)破損等異常。

圖7 NP1-3D海管棧橋支撐平臺(tái)樁基掃測(cè)

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了水下三維聲吶測(cè)量技術(shù)，采用Echoscope實(shí)時(shí)三維聲吶系統(tǒng)對(duì)1號(hào)構(gòu)造平臺(tái)樁基進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，首次在灘海區(qū)域?qū)ζ脚_(tái)樁基地形地貌進(jìn)行了三維定量測(cè)試，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于水深大于3 m的平臺(tái)，其樁基可采用Echoscope實(shí)時(shí)三維聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下檢測(cè)；水深小于3 m時(shí)，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

（2）冀東油田1號(hào)構(gòu)造平臺(tái)樁基未發(fā)現(xiàn)異常。NP1-1D引橋東側(cè)海管平臺(tái)樁基周?chē)? m范圍內(nèi)有約0.5 m的凹坑；NP1-29平臺(tái)西北側(cè)樁基北側(cè)有長(zhǎng)44 m、寬約14 m、較周?chē)匦紊?.6 m的溝槽；NP1-3D海管棧橋支撐平臺(tái)樁基寬度約11 m，樁基下方有較小溝槽，樁基底部呈三角形狀。

（3）檢測(cè)成果滿足工程要求，水下檢測(cè)技術(shù)可推廣應(yīng)用。

（4）水下三維聲吶檢測(cè)應(yīng)建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足水下工程檢測(cè)要求。