起伏地形條件下側掃聲吶探測存在的問題及改進方法?
——以海底管道檢測為例

陶常飛， 徐永臣， 周興華， 王方旗， 丁繼勝， 林旭波

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061; 2.中國海洋大學，山東 青島 266100)

側掃聲吶(Side scan sonar)由英國海洋科學研究所于1960年研制成功，通過接收脈沖信號的后向散射信號信息，經信號處理后圖形化顯示信號覆蓋范圍內的海床信息。通過對側掃聲吶聲學圖譜的解釋，可實現對海底地貌調查以及水下礁石、沉船、海底管線等水下目標物的探測，顯著提高了人類探索海底的視野和維度。

作為一種半定量的探測方法，傳統(tǒng)側掃聲吶系統(tǒng)具有先天的局限性，即假設后向散射信號來源于絕對水平的海底面。當前，側掃聲吶數據處理及解釋均是基于此種假設，來向華等[1]通過聲波信號在水體中傳播路徑所構建的幾何關系，討論了平坦地形條件下目標物高度及海底管道懸空高度的計算方法。當海底地形整體平坦時，應用上述幾何模型進行數據處理、解釋是合理可行的，而當海底存在起伏時，應用上述理想模型進行位置解算時，得到的結果與實際位置存在偏差。Thomas等[2]通過對比某海山的側掃聲吶與多波束測量結果發(fā)現，側掃聲吶對海山位置的探測與多波束測量結果存在偏差，且該偏差隨水深及掠射角的增大呈增大趨勢；同時，Thomas等依據多波束測量結果，選取海山頂點作為特征點，對側掃聲吶探測結果進行了配準，改善地形起伏對側掃聲吶解釋結果的影響；Johnson等[3]系統(tǒng)分析了側掃聲吶系統(tǒng)及其數據的局限性，指出必要情形下可對起伏地形進行人工干預。趙建虎等[4]、王愛學等[5]在對傳統(tǒng)側掃聲吶數據進行三維地形反演研究中，考慮了地形變化對聲波入射方向反演的影響，并以區(qū)域初始地形作為約束建立反演地形的約束模型，實現反演地形向絕對地形的轉變。近年來，隨著新技術及理論的應用，出現了具備測深功能的三維側掃聲吶系統(tǒng)[6]，但是此類設備造價高、系統(tǒng)構成復雜、體積龐大等因素制約了其普及度。因此，傳統(tǒng)側掃聲吶因其技術成熟、便攜易用等特點仍然廣泛應用于海洋調查工作中。

1 側掃聲吶在海底管道檢測工作中的應用

海底管道輸送技術具有低成本、高效率的特點，被廣泛應用于海洋油氣上岸、淡水資源上島等輸送工程中。海底管道大多分布在近岸岸坡、陸架等海域，地質、水動力環(huán)境條件復雜，近岸的潮流沖刷、波浪淘蝕以及沙波活動等地質災害因素極易導致海底管道的裸露、懸空，引發(fā)損壞、斷裂事故，對環(huán)境、財產甚至生命構成威脅[7]。對海底管道適時進行檢測是海底管道維護、風險防范的重要基礎性工作。

當前，海底管道的外部檢測主要依賴多波束測量、側掃聲吶探測以及淺地層剖面探測等聲學方法實現。側掃聲吶通過走航式全覆蓋對海底實施掃測，聲波信號頻率介于100 kHz～1 MHz之間[8]。相較于單波束、多波束測深儀以及淺地層剖面儀等聲學探測設備，側掃聲吶信號頻率更高，覆蓋范圍更大，可獲得高分辨率的海床屬性信息，對海床上小尺寸目標物的探測效果具有明顯優(yōu)勢。在裸露海底管道探測工作中，側掃聲吶可“直觀”揭示海底管道出露分布，并可根據管道聲學影像與其聲學陰影的組合關系，判斷出露于海底的管道是否懸空，進而計算出露長度、懸空高度等特征，為海底管道狀態(tài)評估及治理工作提供數據支持。因此，傳統(tǒng)側掃聲吶在海底管道檢測工作中仍然是不可或缺的方法之一[9-11]。如前文所述，針對傳統(tǒng)側掃聲吶工作原理的先天缺陷，國內外學者基于地形因素對傳統(tǒng)側掃聲吶探測結果的影響對其探測結果的改進做了有益的嘗試與探索。但是，這些成果在實際應用過程中尚存在限制于不便，對于側掃聲吶應用的使用者而言，對側掃聲吶探測效果進行快捷有效的改進是一種迫切需要。本文以側掃聲吶在海底管道檢測項目為例，對起伏地形對側掃聲吶探測效果的影響進行了探討與分析，供側掃聲吶使用者參考。

2 起伏地形對探測結果影響

基于某海底輸氣管道的側掃聲吶、多波束、淺地層剖面調查數據，分析復雜地形條件對側掃聲吶應用結果的影響，為側掃聲吶海底標物探測工作提供參考。

2.1 起伏地形的遮擋效應

海底管道的出露多由海底沖刷侵蝕或者活動沙波等地質災害現象導致[7]。出露或者懸空的管段多發(fā)育小規(guī)模的沖刷槽及伴生的堆積體，使管道處于負地形之中。此類起伏地形會對聲波信號產生遮擋效應，影響探測區(qū)域的有效覆蓋以及探測目標的揭露[1]。

在海底輸氣管道檢測過程中，側掃聲吶探測一般平行海底管道布設調查測線，以保證對海底管道的多次探測，由此，不同測線上的聲波信號會因距海底管道相對位置的差異而產生不同的掠射角度。如圖1所示，當海底管道周邊存在明顯的地形變化且地形坡度大于該處聲波信號掠射角時，背側產生陰影區(qū)，即為聲波探測的盲區(qū)，陰影區(qū)內的海底管道等目標物被遮擋，影響探測效果。

圖1 地形起伏的遮擋效應示意圖

海底輸氣管道側掃聲吶探測工作中，常見聲波信號被起伏地形遮擋而影響海底管道揭露的現象。如圖2所示：當側掃聲吶拖魚距離管道距離較遠時(見圖2a)，聲波信號被海底管道周邊堆積體遮擋，表現為堆積體后方出現典型的聲學陰影區(qū)，海底管道處于陰影區(qū)內，僅能部分揭露；當側掃聲吶拖魚距離管道更近時(見圖2b)，管溝內未出現聲學陰影區(qū)，同一裸露管段揭露長度更大，揭露特征更完整。由此可見，在應用側掃聲吶對溝槽或者凸起等小規(guī)模的起伏海底進行探測時，根據海底地形變化特征進行測線調整，使聲波信號在地形起伏處的掠射角不小于地形坡度，以保證聲波信號對溝槽內部或者凸起后方區(qū)域的有效覆蓋，避免對敏感目標物的漏測。

2.2 對懸空管道位置的影響

在側掃聲吶數據解釋工作中，需對側掃聲吶數據進行斜距改正，即根據拖體距海底的高度與聲波信號傳輸距離構建幾何關系，對探測點位置進行再處理[2,9]。海底管道裸露區(qū)域的沉積動力條件復雜，潮流、波浪主導的淘蝕、堆積以及施工過程中的人工擾動，使管道裸露段周邊海底崎嶇不平。當海底地形存在起伏時，斜距改正過程所選取的拖體距海底的高度值無法代表探測區(qū)域內的整體地形特征，尤其是當拖體下方起伏的小規(guī)模地形與海底管道周邊區(qū)域地形無明顯相關性時，選取拖體下方的地形數據進行斜距改正后將導致海底管道形態(tài)畸變與位置漂移。如圖3a所示，斜距改正前，海底管道的形態(tài)順直，與其真實形態(tài)相吻合；圖3b采用拖體下方真實地形值進行斜距改正后，受凸起地形的影響，海底管道的形態(tài)產生畸變，平面位置明顯向左偏移。

圖2 海底輸氣管道檢測中的地形遮擋效應對比圖

因此，在側掃聲吶數據解釋時，為消除或減弱局部地形起伏對解釋結果的影響，需對斜距改正時所選取的拖體高度值進行人工干預。如圖4所示，側掃聲吶拖體下方發(fā)育一小規(guī)模堆積體，與周邊整體地形高差介于2～3 m。海底跟蹤時，根據整體地形特征，手動設置符合地形總體分布趨勢的跟蹤值，忽略此堆積體對側掃聲吶探測結果的影響。

應用上述方法對側掃聲吶數據進行解釋，并以多波束測量、淺地層剖面探測結果為參照基準，進行對比分析。結果如圖5所示，對起伏地形海底跟蹤值進行人工干預后，海底管道平面位置解釋結果較干預前得到明顯的改善，主要表現為：(1)依據實際地形的跟蹤值解釋得到的管道位置整體較海底管道“實際位置”存在3～6 m的偏離，對海底跟蹤值進行人工干預后，管道解釋位置向管道“實際位置”的偏離收斂至1～2 m區(qū)間；(2)海底管道形態(tài)更趨順直，與管道實際形態(tài)吻合度更高，以局部地形起伏區(qū)域的改善效果最為明顯。

圖3 側掃聲吶圖譜進行斜距改正前后對比

圖4 人工干預后的側掃聲吶海底跟蹤值

由此可見，地形對海底管道等目標物的探測位置精度影響是不可忽視的。在側掃聲吶數據解釋過程中，綜合水深地形特征，對局部復雜地形進行人工干預，尤其是在沒有其他方法對目標物進行更精確的位置標定的情況下，選取適宜的海底跟蹤值進行斜距改正，可改善側掃聲吶對特定目標物位置及形態(tài)的探測效果。

2.3 對目標物尺寸計算的影響

海底管道出露、懸空高度探測是海底管道安全狀態(tài)評價及治理的重要數據，因此，管道出露、懸空高度探測是海底管道檢測工作中的重要任務之一。平坦海底條件下，來向華等[1]根據出露、懸空管道的聲學陰影特征，建立海底管道出露及懸空高度計算方法，可以得到海底管道出露或懸空高度值，這也是當前應用側掃聲吶計算目標物的出露懸空高度的理想模型與同行方法。

圖5 同一管段側掃聲吶解釋結果對比示意圖

如前文所述，海底管道的出露懸空多伴隨沖刷槽、小型堆積體等復雜地貌形態(tài)，此情形下，聲波信號的量取長度值(R)以及聲學陰影的長度值(S)受地形的影響產生失真，從而導致聲波信號掠射角與基于平坦地形條件下構建的理想模型存在偏離，進而導致海底管道出露或懸空高度計算值(h′)與其真實值(h)存在偏差。根據聲波信號掠射角、地形傾角以及海底管道陰影特征參數的幾何關系，構建起伏地形影響模型(見圖6)。

圖6 起伏地形條件下海底管道出露高度計算原理

根據圖6確定的幾何模型，可以推導出海底地形因素對側掃聲吶探測結果影響因子(k)的數學模型：

h′=Ssinα，

(1)

h=S(sinβ+cosβtgθ)，

(2)

(3)

式中：h為經地形改正后的高度；h′為地形改正前的高度；S為經斜距改正前陰影與管道對應點的距離；S′為地形改正前后的陰影距離差值；α為根據聲波信號及拖體距海底距離(Hf)確定的掠射角；β為聲波信號實際掠射角；θ為地形傾角。

式(3)中，影響因子k為α，β，θ的函數。由于當前主流側掃聲吶無法給出聲波信號的實際掠射角，且考慮側掃聲吶在探測應用過程中實際情況，將α與β進行近似，即α≈β，并代入式(3)得到

(4)

由式(4)可見，影響因子k值與地形坡度成正相關，并受探測點掠射角度的影響。如圖7所示，k值皆呈現隨地形坡度增大而逐漸增大的趨勢。此外，不同掠射角度下，k值呈現出明顯差異，即掠射角度愈小而k值分布區(qū)間愈大，當掠射角度逐漸增大，k值分布區(qū)間快速收斂，當掠射角大于40° 時，k值分布曲線整體已趨于平緩，且分布區(qū)間收斂趨勢明顯減緩。同理，如圖8所示，在不同地形條件下，影響因子k值隨掠射角度的增大而逐漸減小。

圖7 不同掠射角度下地形坡度與影響因子k的關系

圖8 不同地形坡度下掠射角度與影響因子k的關系

由于海底管道懸空高度無法精確測得，為驗證上述方法的可靠性，選擇已知直徑的海底管道作為“標的物”，根據地形數據及側掃聲吶數據，通過反演海底管道直徑，對比地形改正前后管道直徑反演值與實際直徑的差異。以圖3所示的懸空管道為樣本，截取10個斷面數據進行驗證，檢驗結果見表1。

表1 某懸空管段管徑反演結果

注：1)部分拖體高度值(Hf)經過人工干預；2)管徑d=0.7 m,d1為改正前管徑反演值，d2為改正后管徑反演值，Δd1改正前管徑反演值與實際管徑的差值絕對值，Δd2改正后管徑反演值與實際管徑的差值絕對值。1)PartHfis corrected manully, 2)Pipe diameterd=0.7 m,d1,d2is the inversion results before and after correction, Δd1is the difference betweeninversion results and the actual value of Pipe diameter before correction, Δd2is is the difference between inversion results and the actual value of Pipe diameter after correction.

表1中的對比結果顯示，在未考慮地形起伏的情形下，根據側掃聲吶圖譜中的聲學陰影寬度計算得到的管徑結果與實際管徑的差值絕對值介于0.08～0.20 m，絕均差為0.152 m，均方差為0.156 m；而經過地形傾斜導致的陰影畸變改正后，差值絕對值收斂至0～0.03 m，絕均差為0.015 m，均方差為0.017 m。經過地形傾斜導致的陰影畸變改正后，管徑反演值與管徑真實值符合度更高，樣本各項統(tǒng)計誤差均可減小至原來的10%左右。在海底管道檢測項目中，經過地形改正后的懸空管道側掃聲吶探測結果與多波束、淺地層剖面探測以及潛水員探摸結果符合良好，對海底管道評估及治理工作提供了可靠的數據支持。

2.4 討論

在起伏地形條件下，應用側掃聲吶進行海床或者特定目標物的探測，建議對探測區(qū)域的地形條件進行了解，并對探測方案進行合理優(yōu)化，使側掃聲吶掠射角大于單次覆蓋范圍內地形的最大坡度，保證側掃聲吶的有效覆蓋。探測過程中，應實時關注側掃聲吶探測效果，若出現明顯地形陰影，則需要對探測方案進行實時調整，避免敏感目標物漏測。探測范圍內的地形坡度(θ)特征，可根據水深實測值確定。當探測范圍內缺乏精確的水深地形數據時，則需根據區(qū)域內的地形分布特征取值；當探測區(qū)域內存在小尺度的起伏地形，如沖刷槽、小型堆積，建議根據調查區(qū)域的底質、水動力等對控制地形發(fā)育等因素，選擇具有代表性的坡度經驗值，對側掃聲吶的探測結果進行修正，亦可得到較好的改善效果。

上文所述的起伏地形改正方法皆是在數據解釋階段進行，由于側掃聲吶數據的位置信息二維性，因此，改正過程中對拖體距海底距離、掠射角等參數進行了假設與近似，所得結果與真實情況會存在偏差。但是，在實際應用中，側掃聲吶拖體距海底距離與其單側覆蓋寬度比值一般設置為1∶5～1∶7之間，一般情況下，可將將聲波信號實際掠射角(β)與計算模型中構建的掠射角(α)進行近似，這一過程導致的計算誤差與側掃聲吶信號探測精度相比是可以忽略的。相比而言，當信號掠射角度過大時，隨側掃聲吶數據的橫向分辨率急劇降低，在側掃聲吶圖譜上讀取數據所造成的人為誤差對計算及修正結果影響反而更加顯著，從而出現表1中部分斷面陰影寬度小于真實管徑的矛盾現象，此情形下需增加數據讀取的精度及樣本數量，以減小由于人為因素造成的誤差。因此，在側掃聲吶數據獲取階段，控制拖體與目標的相對距離，使掠射角不宜過大，以形成足夠寬的陰影區(qū)，并充分利用側掃聲吶的高分辨率區(qū)間，使上述方法中的假設與近似成立，可獲得良好的改正效果。

3 結論

(1) 側掃聲吶對管溝、沖刷槽等負地形內的海底管道探測時，凹陷地形及周邊的堆積體會對側掃聲吶信號產生遮擋，產生探測盲區(qū)。通過調整側掃聲吶拖體與海底管道的相對位置，使聲波信號掠射角大于管溝、沖刷槽等的邊坡坡度，保證聲波信號對溝槽內部或者凸起后方的全覆蓋探測，避免對負地形內部的海底管道等目標物的漏測。

(2) 側掃聲吶數據解釋時，對拖體距海底的高度值進行人工干預，選取代表探測范圍內地形特征的高度值，篩除拖體下方小規(guī)模的起伏地形對平面位置的畸變影響，可使解釋結果更好的反映海底管道以及地貌單元等目標物的真實分布特征。

(3) 在應用側掃聲吶數據進行海底管道懸空高度計算時，考慮地形起伏導致的聲學圖譜變形影響，通過計算模型的優(yōu)化，對海底管道等目標物的懸空高度計算進行修正。通過對改正后的側掃聲吶結果與多波束測量、淺地層剖面探測結果以及已知目標物的對比驗證，表明引入地形因素后的改善效果明顯。

(4) 在海洋工程項目探測工作中，尤其是沒有應用其他高精度的測量方式的情況下，利用上述方法對側掃聲吶數據進行地形改正可在一定程度上彌補側掃聲吶系統(tǒng)的數據缺陷，從而提高側掃聲吶的探測精度。