沉底油的高頻聲探測方法與水池模擬試驗

杜偉東，吳明星，徐超，李建偉，溫國義

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300450；3.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033)

近年來，人類對海洋中石油探測、開采、運輸和儲存等活動日益增多，隨之而來的原油、燃料油等泄漏事故也頻繁發(fā)生。海上溢油隨著風(fēng)浪潮流逐步擴散，其中一部分在經(jīng)過風(fēng)化和海洋動力作用沉入海底或者懸浮在海洋中形成了沉潛油。沉潛油常指重油，包括半潛油和沉底油，具有揮發(fā)性低，呈現(xiàn)半固態(tài)等特性。其主要成分包括瀝青質(zhì)、炭黑油、煤焦油、船用c級鍋爐燃料油及5號、6號燃油[1]。因為沉潛油長期存在于水下，不易發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易消散，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成長期的影響，極大危害海洋生態(tài)系統(tǒng)，如，海龜?shù)群Ｑ笊锎罅克劳觯l(fā)電廠及水處理設(shè)備的進(jìn)口處被迫關(guān)閉，損害漁具對人們造成巨大經(jīng)濟損失[2]。沉潛油并不是固定不動，其受到水流及其他海洋物質(zhì)作用，難以對沉潛油進(jìn)行跟蹤監(jiān)測而無法進(jìn)行清理操作，一旦再次上浮會對海岸線生態(tài)環(huán)境造成二次危害。沉潛油在海面上難以觀測，與海面溢油相比更難探測與回收。不同于海面溢油監(jiān)測的方法(激光熒光法、高光譜技術(shù)、微波輻射遙感、紅外吸收光譜技術(shù)等)[3]，沉潛油探測技術(shù)手段主要包括原位監(jiān)測及物理吸附[4](如V-SORS)、光學(xué)探測[5-6](如激光熒光、激光成像、熒光偏振等)及高頻聲探測[7-10]。高頻聲探測具有探測距離遠(yuǎn)、探測效率高等特點，常用的水下高頻聲探測系統(tǒng)包括多波束聲吶、側(cè)掃聲吶及成像聲吶等。雖然上述聲吶設(shè)備在海洋調(diào)查、水下目標(biāo)成像等方面得到廣泛應(yīng)用，但在沉潛油探測方面的研究相對較少，可工程應(yīng)用的成熟性較弱。為此，本文以水池為試驗平臺對上述聲吶設(shè)備沉底油探測能力進(jìn)行檢驗與分析，并以此為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗場景

試驗水池長×寬×高約為10 m×3 m×2 m。首先在該水池內(nèi)平鋪約10 cm厚沙子，其后以其為底布放模擬物。在沙底鋪放不同形狀大小和厚度的沉底油模擬物作為目標(biāo)，布放鋼管、貝殼、石頭、螃蟹、淤泥、草等作為干擾目標(biāo)。其中，沉底油的模擬采用油品為1種原油、1種燃料油，通過與重晶石和高嶺土混合，并將混合后的油布放于沙底以形成模擬沉底油目標(biāo)。見圖1、2。

試驗現(xiàn)場見圖3，分別采用多波束測深聲吶、側(cè)掃聲吶、成像聲吶對沉底油進(jìn)行探測，主要設(shè)備型號包括：①Kongsberg EM2040P多波束聲吶；②Klein 3900側(cè)掃聲吶；③BlueView M900-2250成像聲吶。

圖1 模擬物布放示意

圖2 模擬物水池布放實物

表1 試驗用高頻聲吶設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 試驗現(xiàn)場

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沉底油聲學(xué)成像

對目標(biāo)區(qū)域采用BlueView M900成像聲吶進(jìn)行沉底油成像處理，得到含有沉底油的聲學(xué)圖像，見圖4。圖4中面積0.5 m×0.5 m，厚度3 cm的正方形沉底油區(qū)域和直徑0.6 m厚度5 cm的圓形沉底油區(qū)域清晰可見。但同時也能看出在更遠(yuǎn)距離處，由于圖像背景不均衡導(dǎo)致出現(xiàn)較暗背景圖像，且與沉底油區(qū)域的強度分布較為相近，因此，沉底油在更遠(yuǎn)處時不易被觀察出來。

圖4 BlueView M900的沉底油成像結(jié)果

對目標(biāo)區(qū)域采用EM2040P多波束聲吶進(jìn)行成像處理，得到沉底油聲學(xué)成像結(jié)果，見圖5。通過對比圖1，在圖5中可清晰看到試驗預(yù)設(shè)的5處較大尺度的沉底油目標(biāo)，此外還包括有水草、鐵管和鐵管的陰影也清晰可見。貝殼、石頭、礫石都與沙底背景圖像相近。而由于受波束寬度和脈沖寬度限制，2個小尺寸(0.1 m×0.1 m與0.2 m×0.2 m)的沉底油圖像的可辨識性相對較弱，但在回波強度上不同于沙底。隨機攤開到沙底的沉底油是8處沉底油預(yù)設(shè)區(qū)域唯一難以判別的區(qū)域。

圖5 EM2040P多波束聲吶的沉底油成像結(jié)果

對目標(biāo)區(qū)域采用Klein 3900側(cè)掃聲吶進(jìn)行成像處理，得到沉底油聲學(xué)成像結(jié)果，見圖6。與EM2040P多波束聲吶成像結(jié)果相近，5處沉底油目標(biāo)、水草、鐵管和鐵管陰影都清晰可見，螃蟹和泥并不明顯。

圖6 BlueView M900的沉底油成像結(jié)果

上述3種方法對預(yù)設(shè)沉底油目標(biāo)都能清晰監(jiān)測到，貝殼、礫石都與沙底圖像效果相近無法監(jiān)測到，因為水底中貝殼、礫石都與沙底反向散射聲波特性相近，而與沉底油的散射特性差異較大，此結(jié)論與實驗結(jié)果一致。預(yù)設(shè)的干擾項水草、鐵管和鐵管的陰影也可明顯觀察到，因為水草和鐵管陰影的回波聲強比沙底反射聲強要小顯得較暗，鐵管回波聲強比沙底較大顯得較亮，螃蟹、海底泥和海邊泥較為模糊。

2.2 基于聲學(xué)圖像的沉底油識別

為更加直觀觀測沉底油目標(biāo)分布效果，采用支持向量機分類器實現(xiàn)沉底油的特征識別。為達(dá)到較好的識別效果，首先對側(cè)掃圖像和多波束圖像分割并歸一化，然后進(jìn)行特征提取、參數(shù)優(yōu)化、訓(xùn)練得到識別精度，最后進(jìn)行顏色標(biāo)記，得到油和非油的分布圖(圖7、8)。

對多波束聲吶圖像數(shù)據(jù)(見圖5)進(jìn)行統(tǒng)計特征提取，其中統(tǒng)計特征主要包括均值、峰度、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、分位數(shù)。樣本選取像素大小為8×8共計7 140個，分別在沉底油區(qū)域和其他類區(qū)域各提取100組樣本作為訓(xùn)練樣本，經(jīng)過支持向量機分類之后總體識別率為91.947%，顏色標(biāo)記后的分類結(jié)果見圖7。

圖7 多波束聲吶沉底油圖像的識別結(jié)果

對側(cè)掃聲吶圖像(見圖6)進(jìn)行統(tǒng)計特征提取，其中統(tǒng)計特征主要包括均值、峰度、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、分位數(shù)。樣本選取像素大小為8×8共計66 256個，分別在沉底油區(qū)域和其它類區(qū)域各提取100組樣本作為訓(xùn)練樣本，經(jīng)過支持向量機分類之后總體識別率為88.137%，顏色標(biāo)記后的分類結(jié)果見圖8。

圖8 側(cè)掃聲吶沉底油圖像的識別結(jié)果

從分類結(jié)果圖(圖7、8)和聲吶圖像(圖4)可以看出3種聲吶都不同程度探測出沉底油的位置。其中多波束聲吶識別率最高，目標(biāo)最清晰，側(cè)掃聲吶次之，成像聲吶效果較差。這與不同型號聲吶的成像特點有關(guān)，多波束聲吶具有分辨率高，定位精確的特點，使得其在聲吶圖像的清晰度上占據(jù)優(yōu)勢;側(cè)掃聲吶特點是覆蓋范圍大、效率高，但是回波強度隨著距離增加而降低造成識別率較低;成像聲吶圖像由于在遠(yuǎn)距離上背景不均衡導(dǎo)致出現(xiàn)了較暗背景圖像，表明其對于沉底油目標(biāo)探測，更適合于近距離精細(xì)觀測。從圖7多波束圖像中可以看到，8處預(yù)設(shè)沉底油目標(biāo)全部識別出來(但隨機鋪設(shè)沉底油區(qū)域的辨識尺寸與實際相比相對較小)，預(yù)設(shè)干擾項貝殼、礫石、石頭、鐵管和海邊泥都與沉底油區(qū)分開來，但是水草、鐵管陰影和海底泥會對沉底油探測造成干擾。因為水草以及鋼管在聲波傾斜照射時都會造成陰影，陰影以及海底泥的回波強度與沉底油相近，會一定程度上對沉底油識別造成影響。從側(cè)掃聲吶圖中(圖8)可以看出，除了探測盲區(qū)造成右側(cè)0.5 m×0.5 m和1 m×0.2 m油區(qū)域目標(biāo)缺失外，由于分辨率不夠高導(dǎo)致沒有正確識別出0.1 m×0.1 m沉底油油區(qū)域，其他5處預(yù)設(shè)沉底油目標(biāo)均被識別出來。同樣鐵管、水草以及石頭的陰影部分和海底泥會對沉底油監(jiān)測造成干擾外，其他干擾項并未對沉底油的識別造成影響。

3 結(jié)論

針對沉底油的聲學(xué)監(jiān)測問題，開展基于高頻聲吶的沉底油聲學(xué)探測方法與水池模擬試驗驗證研究，通過3種不同類別高頻聲吶對沉底油目標(biāo)區(qū)域信息采集和成像處理，對多波束聲吶、側(cè)掃聲吶獲得的聲吶圖像進(jìn)行圖像統(tǒng)計特征提取，并采用支持向量機分類器技術(shù)對提取得到的特征量進(jìn)行分類，處理結(jié)果表明，3類高頻聲吶都能較清晰顯示出預(yù)設(shè)模擬沉底油目標(biāo)，其中多波束聲吶探測效果最好，識別率達(dá)到91.947%。試驗中布放的大部分干擾目標(biāo)通過特征提取與識別都能區(qū)分開，表明聲學(xué)方法能較好用于沉底油探測。