實時三維多波束聲吶在海底管道勘測中的應(yīng)用

楊 陽，李東德，芮建明

(天津市陸海測繪有限公司，天津 300304)

海底石油管道是海洋石油開采中的生命線，其所處海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在外力或內(nèi)因的作用下可導致管道斷裂、破損。管道斷裂、破損具有泄漏位置定位困難、經(jīng)濟損失大和環(huán)境污染嚴重等特點。保證管道安全生產(chǎn)是備受石油企業(yè)關(guān)注的焦點，同時也是國家海洋環(huán)保部門關(guān)注的焦點[1-2]。三維多波束聲吶利用相控陣技術(shù)產(chǎn)生同步波束，形成三維聲吶圖像，從而實現(xiàn)了從二維多波束到三維多波束的提高。該款聲吶是換能器探頭搭載云臺系統(tǒng)實現(xiàn)三維掃描探測海底海床概況的設(shè)備[3]。在海底管道勘測時，通過云臺調(diào)整聲吶探頭的角度來實現(xiàn)裸露、懸空管道任何方向的實時勘測，使作業(yè)人員在操作時能夠快速獲取水下石油管道的三維圖像，并可實時量取管道裸露長度、懸空高度等。給實時監(jiān)測工作帶來了極大的方便性和靈活性，提高了工作效率，保證了儀器的安全。

1 三維聲吶系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

該三維聲吶是全球首款也是分辨率最高的一款實時三維多波束聲吶，圍繞獨特的專利技術(shù)構(gòu)建，可以從每次聲波傳輸中生成一個由16 384個水深探測點組成的完整三維模型。隨著聲波傳輸?shù)母?，該三維模型每秒可更新12次[4]。三維多波束聲吶系統(tǒng)主要組成及設(shè)備連接數(shù)據(jù)接入概況如圖1。

圖1 三維多波束聲吶系統(tǒng)

1.2 工作原理

三維多波束成像聲吶系統(tǒng)通過向勘測目標區(qū)域發(fā)射聲波信號，利用聲學成像方法對接收到的回波信號進行處理，獲得一系列二維圖像(圖2-a)，通過利用相控陣技術(shù)計算合成三維圖像(圖2-b)。對于一次三維成像可以獲得兩種類型的幀，分別是距離圖像和振幅圖像，對這兩類聲吶圖像處理實現(xiàn)目標的三維顯示[5-6]。為了保證測量精度，通過慣性導航系統(tǒng)進行船舶姿態(tài)修正，以消除船舶在航行時縱、橫搖擺的影響[7]。

2-a 多波束掃測示意圖 2-b 實時三維多波束聲吶掃測示意圖

在進行勘測作業(yè)時，該款聲吶的特殊脈沖形成方式允許聲吶在通過目標物后可從不同角度識別目標物。這就使得復(fù)雜的海底結(jié)構(gòu)物能夠被全方位勘測出來。無論是部署在內(nèi)陸水道工程還是大規(guī)模海上石油和天然氣項目中實時三維聲吶都能提供高清晰度的水下環(huán)境圖像。

1.3 技術(shù)參數(shù)

三維多波束聲吶的技術(shù)規(guī)格如表1所示。在海上作業(yè)過程中，根據(jù)當前海域和作業(yè)成果要求的具體情況而設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)使得測量結(jié)果清晰可見[8]。

表1 三維多波束聲吶技術(shù)參數(shù)

2 三維聲吶在海底管道勘測中的應(yīng)用

2.1 設(shè)備安裝及使用

(1)設(shè)備安裝。

三維多波束聲吶的設(shè)備安裝無論是在常規(guī)測量船(30 m×6 m)還是大型噸位的施工船均可采用側(cè)舷懸掛式安裝(圖3)。為了使測量精度達標，三維多波束聲吶的使用還需使用慣導系統(tǒng)對船舶行進過程中的橫、縱、艏搖進行數(shù)據(jù)補償、并提供衛(wèi)星定位導航數(shù)據(jù)(如圖1所示)。實際工作中應(yīng)根據(jù)測量海區(qū)的水深、海床底質(zhì)、海管屬性等多種要素，選用適宜的儀器測量參數(shù)。測量船速采用盡可能低的船速，船速建議在3～5 kn即可。

圖3 三維多波束聲吶側(cè)舷懸掛式安裝圖

(2)設(shè)備使用。

聲吶船舷安裝完成后進行系統(tǒng)軟件調(diào)試。系統(tǒng)參數(shù)改正包括：聲速改正，聲吶系統(tǒng)測量是從換能器所發(fā)射的聲波脈沖離開換能器在海水中傳播至勘測目標，然后計算聲波反射回換能器的時間，而聲波的傳播是與時間和其在水中的速度相關(guān)的[9]；增益改正，聲波在海水中傳播存在被吸收、擴散、散射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會減弱返回到聲吶換能器的信號強度，且衰減變化的范圍很大[10]。所以必須加一個隨時間變化的增益到回波信號上，以補償聲波在傳播過程中所產(chǎn)生的損耗；位置校正，保證探測管道位置與實際管道位置一致，避免出現(xiàn)偏差。以海底某已知結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標物為參考進行三維測量，調(diào)整參數(shù)使探測物與實際重合。完成設(shè)備測量前的準備工作。三維圖像目標物的量化處理是根據(jù)三維圖像上地理坐標，系統(tǒng)采集軟件可直接實現(xiàn)距離、高度、面積等數(shù)據(jù)的輸出。

2.2 管道路由勘察中的應(yīng)用

在某海域進行100 km的海底路由管道的勘察作業(yè)中，沿測量管道路由走向布設(shè)一條測線，測線與待測管道重合，測量船沿測線航行勘測。本次勘測任務(wù)為勘測管道路由概況，找出裸露管道、懸空管道位置、長度以及懸空管道的懸空高度。

海底石油管道在完成鋪設(shè)后處于溝槽內(nèi)的管道會發(fā)生部分掩埋使管道局部裸露，或者已經(jīng)掩埋的管道在海水復(fù)雜的環(huán)境中，使本來管道上方的海底沉積物被沖刷，隨時間推移，管道會出現(xiàn)裸露現(xiàn)象，其露出高度小于管道直徑。裸露管道在三維多波束聲吶圖像上出現(xiàn)凸出來的線狀，色調(diào)與周圍勘測圖像色調(diào)出現(xiàn)明顯差距(圖4)。測量該段裸露管道長度約為12.89 m。

圖4 裸露管道三維聲吶圖

處于懸空狀態(tài)的管道多數(shù)是受到海底水流的沖刷，管道下部沉積物被掏空所致，海底具有比較明顯的沖刷痕跡。懸空管道在三維多波束聲吶圖中呈現(xiàn)出一個凹下去的沖刷溝(圖5)。上方為懸空管道，測量懸空長度為24.81 m，高度為1.85 m，懸空管道正下方為一條黑色的管道聲影區(qū)?？梢妰商帒铱展艿乐螛?，根據(jù)沖刷溝的形態(tài)以及管道懸空長度，選擇大小不一致的兩個支撐樁進行管道固定。

2.3 管道斷點定位中的應(yīng)用

對某海域某天然氣管道進行三維多波束聲吶實時勘測，找出泄漏點準確位置及狀態(tài)，在該天然氣管道疑似區(qū)域內(nèi)進行路由勘測，沿管道走向布設(shè)一條測線，測線與待測天然氣管道重合，測量船沿測線航行勘測，勘測船為某動力定位船舶，船速勻速1 kn進行勘測，尋找泄露點。

該處天然氣管道泄漏點，管道出現(xiàn)錯位，相錯距離為0.56 m，管道下方存在明顯的直徑為6.08 m沖刷溝，溝中間可見管道黑色條狀聲影區(qū)(圖6)。管道總懸空16.42 m，斷點一端為7.89 m，另一端為8.53 m，最高懸空為2.33 m。根據(jù)管道斷點形態(tài)以及斷點在該懸空段的位置，判斷該天然氣管道發(fā)生斷裂是人為破壞，拖錨掛斷最為可能。建議盡快對損壞點海管及時維修，對懸空管道及時治理，減少經(jīng)濟損失以及對海洋環(huán)境污染。

圖6 某天然氣管道泄露點三維聲吶圖

2.4 其他應(yīng)用

基于對該款三維多波束聲吶的了解以及實現(xiàn)的功能、性能，其在海洋工程勘測中的應(yīng)用將會越來越廣泛。例如:在新鋪管道挖溝工程中，三維聲吶能夠快速實時監(jiān)測挖溝情況，不受瞬時海水水質(zhì)影響，同時可實時顯示挖溝機位置，為挖溝機精確在管道上方進行施工提供定位指導服務(wù)。在海底巖石采樣中，三維聲吶可實時監(jiān)測采樣機位置，指導采樣，不受瞬時海水水質(zhì)影響。同樣在海底進行打撈作業(yè)時，三維聲吶可提供實時檢測到潛水員和目標物之間的位置，指導潛水員快速到達目標物的量化服務(wù)，減少潛水作業(yè)過程中的盲目性。

3 結(jié)束語

文章從海底管道路由勘察、海底管道斷點位置定位、挖溝機和采樣機海底準確作業(yè)等實例，探討了三維多波束聲吶在海底管道勘測中的應(yīng)用，得出以下兩點結(jié)論：(1)三維多波束聲吶實時圖像可以清晰地反映海底管道的賦存狀態(tài)，并能精確地對海底管道進行量化處理、實時檢測海底障礙物和沖刷狀況，證實了設(shè)備具有快速、高效、簡便的優(yōu)點，在海洋工程中的應(yīng)用將會越來越廣泛。(2)通過對三維多波束聲吶典型圖像分析，得出了海底懸空、裸露管道的圖像色調(diào)與周圍海床存在明顯差異，可清晰辨別。海底沖刷溝為深色色調(diào)，懸空管道下方具有黑色條帶狀回聲陰影區(qū)。