多波束和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海洋管道建設(shè)中的應(yīng)用

王 朝，王 帥

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來(lái)，隨著海洋工程活動(dòng)的增加和作業(yè)難度的增大，海洋測(cè)繪技術(shù)特別是多波束和側(cè)掃聲吶探測(cè)信息融合在勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)行管理等方面得到廣泛應(yīng)用。多波束能夠獲取海底全覆蓋的高精度水深數(shù)據(jù)，但地物的判讀性較弱；側(cè)掃聲吶能夠獲得海底地貌聲像圖，從而直觀(guān)地判讀海底表層特征，如沉積類(lèi)型、出露巖石、海底形態(tài)（沙波、沙脊）等，但圖像中的目標(biāo)定位及深度的判斷能力較差。二者的綜合應(yīng)用在海底底質(zhì)勘探、海底障礙物探測(cè)、海洋工程等方面效果顯著，提高了地物特征識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。本文以國(guó)外某海域海洋管道工程項(xiàng)目為依托，以具有代表性的 R2sonic 2024測(cè)深系統(tǒng)和Edge Tech 4200型側(cè)掃聲吶來(lái)說(shuō)明它們?cè)诤Ｑ蠊艿澜ㄔO(shè)中的綜合應(yīng)用。

1 多波束和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的特點(diǎn)

多波束測(cè)深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶都是實(shí)現(xiàn)海底全覆蓋掃測(cè)的水聲設(shè)備，都能夠獲得幾倍于水深的覆蓋范圍。它們具有相似的發(fā)射方向性圖案，以一定的角度傾斜向海底發(fā)射聲波脈沖，接收海底反向散射回波，從海底反向散射回波中提取所需要的海底幾何信息。由于接收波束圖案的不同以及對(duì)所接收回波信號(hào)處理方式的不同，多波束測(cè)深儀通過(guò)接收波束形成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間精確定向，利用回波信號(hào)的某些特征參量進(jìn)行回波時(shí)延檢測(cè)以確定回波往返時(shí)間，從而確定斜距以獲取精確的水深數(shù)據(jù)，繪制出海底地形圖。側(cè)掃聲吶只是實(shí)現(xiàn)了波束空間粗略定向，依照回波信號(hào)在海底反向散射時(shí)間的自然順序檢測(cè)并記錄回波信號(hào)的幅度能量，僅僅顯示海底目標(biāo)的相對(duì)回波強(qiáng)度信息，獲得海底地貌聲圖。

1.1 高精度水深和定位數(shù)據(jù)

在處理海底反射的回波時(shí)，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有精密的空間定向和準(zhǔn)確的回波信號(hào)時(shí)延檢測(cè)能力，因此多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量的水深數(shù)據(jù)精度較高；另外，多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量時(shí)一般使用信標(biāo)機(jī)或 RTK定位，而信標(biāo)機(jī)可達(dá)到亞米級(jí)定位精度，RTK可達(dá)到厘米級(jí)定位精度，經(jīng)過(guò)定位延遲改正，多波束系統(tǒng)測(cè)量的海底目標(biāo)能達(dá)到很高的定位精度。

1.2 高分辨率海底聲像圖

側(cè)掃聲吶由拖魚(yú)、線(xiàn)纜和船上的主機(jī)三部分組成。工作時(shí)，拖魚(yú)發(fā)射垂直于船行進(jìn)方向的扇形波束，拖魚(yú)接收系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)換放大海底的反射信號(hào)，然后主機(jī)以圖像的形式記錄、顯示反射和散射信號(hào)。側(cè)掃聲吶在處理接收回波時(shí)，主要是對(duì)回波強(qiáng)度信息進(jìn)行處理，而不需進(jìn)行回波時(shí)延檢測(cè)，因此獲得的海底聲像圖分辨率較高。

掃海時(shí)拖魚(yú)與定位天線(xiàn)有一定的方位和距離偏差，并且受船速、航向、水的流速和流向的影響很大。另外，側(cè)掃聲吶不能進(jìn)行聲速和潮汐等改正，無(wú)法獲得精確的水深數(shù)據(jù)，因此側(cè)掃聲吶探測(cè)的海底目標(biāo)在定位和水深數(shù)據(jù)精度上都存在較大誤差。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

為落實(shí)國(guó)家“一帶一路”倡議，建設(shè)“孟中印緬”經(jīng)濟(jì)走廊，我公司承擔(dān)了孟加拉海上管道建設(shè)的前期探測(cè)任務(wù)。該項(xiàng)目位于孟加拉灣東部，孟加拉共和國(guó)海域，探測(cè)區(qū)域距離陸地大約10 km，探測(cè)海域全長(zhǎng)約66 km，最大水深為27 m。孟加拉灣海域氣候多變，潮流湍急，外業(yè)采集工作盡量選擇在天氣較好，能見(jiàn)度較高，測(cè)區(qū)風(fēng)浪較小的時(shí)段開(kāi)展。由于調(diào)查線(xiàn)路較長(zhǎng)，結(jié)合海上驗(yàn)潮站布設(shè)情況以及聲速剖面觀(guān)測(cè)點(diǎn)有效控制范圍等情況，本次多波束水深測(cè)量和側(cè)掃聲吶掃測(cè)采取分區(qū)分段施測(cè)。

2.2 多波束全覆蓋掃測(cè)

多波束水深測(cè)量按照分區(qū)段進(jìn)行施測(cè)，工程中使用的R2 Sonic 2024型多波束測(cè)深系統(tǒng)的波束最大開(kāi)角為160°，實(shí)際采用開(kāi)角120°，其掃測(cè)寬深比為：2×tan60°=3.4（倍水深）。為了保證多波束掃測(cè)條帶間的測(cè)線(xiàn)重疊率，提高多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，本工程多波束測(cè)線(xiàn)間距按2.5倍水深沿平行于管道中心線(xiàn)方向布設(shè)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為管道中心線(xiàn)長(zhǎng)度。路由探測(cè)寬度為500 m，共計(jì)布設(shè)11條測(cè)線(xiàn)，船速控制在6 kn以?xún)?nèi)。

2.3 側(cè)掃聲吶全覆蓋探測(cè)

沿海底管道路中心線(xiàn)方向平行布設(shè) 11條側(cè)掃聲吶探測(cè)測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)間距為50 m。測(cè)量過(guò)程中采用側(cè)掃聲納高精度模式，按計(jì)劃測(cè)線(xiàn)逐條施測(cè)，全覆蓋掃側(cè)，掃測(cè)寬度設(shè)定為單側(cè) 75 m，重疊率超過(guò)100 %，并且采用高低頻同時(shí)作業(yè)的工作模式。

2.4 內(nèi)業(yè)處理與圖像判讀

本工程中內(nèi)業(yè)處理使用 CARIS/HIPS 7.1軟件和 Sonar Wiz5軟件分別對(duì)多波束數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

1）多波束獲得的水深數(shù)據(jù)能夠反映出海底地形地貌特征，而側(cè)掃聲吶影像圖能直觀(guān)反映出海底地貌的性質(zhì)，如圖1所示。

圖1 沙波圖像對(duì)比

圖2 多波束數(shù)據(jù)側(cè)視

圖3 特殊地貌對(duì)比

圖1的水深地貌可以直觀(guān)分析出該段海域底部存在沙波、沙脊地貌，在結(jié)合對(duì)聲圖的判讀（根據(jù)灰階、陰影等），可以清晰地看出沙波走向。圖 2為多波束側(cè)視數(shù)據(jù)，從圖中可以精確測(cè)量出沙波沙脊的間距、長(zhǎng)度以及高度等信息，沙波高度約0.36 m，波長(zhǎng)為10 m，沙脊高度最大為3.36 m。圖3顯示疑似蝕余臺(tái)地地貌，其長(zhǎng)度、寬度及高度可在圖中直接量取。本次探測(cè)結(jié)果顯示，路由調(diào)查區(qū)域海底地貌特征主要表現(xiàn)為平滑海底地貌、沙波地貌、沙脊地貌和疑似蝕余臺(tái)地地貌（表 1）。沙波沙脊是砂質(zhì)海床在海流作用下塑造的一種丘狀地貌，它的運(yùn)動(dòng)和遷移可以掏空掩埋的海底管道，造成管道裸露于海床面，對(duì)管道安全運(yùn)行危害極大，經(jīng)過(guò)對(duì)路由沿線(xiàn)的地貌特征進(jìn)行分析，清晰判別了路由沿線(xiàn)內(nèi)的沙波沙脊形狀及運(yùn)移趨勢(shì)，從而精確設(shè)計(jì)管道敷設(shè)預(yù)處理范圍及埋深深度，以減小管道施工及后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

表1 地貌信息統(tǒng)計(jì)

2）通過(guò)對(duì)比相同位置的水深地貌圖和側(cè)掃聲吶影像，可以綜合分析出沿線(xiàn)的障礙物分布情況，提高確認(rèn)障礙物的準(zhǔn)確率。圖4顯示，該段海域底部存在疑似金屬或者海底巖石。對(duì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在管道中線(xiàn)附近共發(fā)現(xiàn) 10處障礙物，其分布位置及大小見(jiàn)表2。

圖4 海底障礙物綜合分析對(duì)比

表2 障礙物信息統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 語(yǔ)

利用多波束的全覆蓋水深探測(cè)，能夠獲得高分辨率海底地形圖，可直觀(guān)判讀海底地形的變化，并能直接量取障礙物范圍和大小。利用側(cè)掃聲吶進(jìn)行掃測(cè)時(shí)，能獲得海底地形和障礙物等聲圖影像，通過(guò)聲圖判讀確定目標(biāo)的特征信息，但圖像中的目標(biāo)定位及深度的判斷能力較差。綜合分析多波束測(cè)量數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲吶聲像圖，可有效增強(qiáng)不同觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，從而確定管道路由沿線(xiàn)海底地貌和障礙物分布情況，用于指導(dǎo)前期路由設(shè)計(jì)和管道施工，確保管道運(yùn)營(yíng)安全，提高了工程質(zhì)量。