合成孔徑聲納系統(tǒng)在海底掩埋電纜探測(cè)中的應(yīng)用研究

趙陽(yáng)

摘? 要：隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海域使用開發(fā)活動(dòng)日益頻繁，海底已建掩埋電纜的探測(cè)尤為重要。該文以海底排污管道敷設(shè)工程為例，在管道敷設(shè)前，對(duì)該管道路由沿線周圍進(jìn)行了已建海底掩埋電纜準(zhǔn)確位置調(diào)查。工程采用GPS定位系統(tǒng)、合成孔徑聲納和磁力儀系統(tǒng)組合進(jìn)行海底電纜探測(cè)，進(jìn)一步證實(shí)了低頻合成孔徑聲納對(duì)海底掩埋電纜探測(cè)具有效率高、圖像連續(xù)性好的特點(diǎn)。結(jié)果表明了該方法對(duì)海底掩埋目標(biāo)物探測(cè)有較高的適用性，其船舷固定安裝方式，有效減少了換能器與GPS偏移誤差，能夠有效提高目標(biāo)位置精度。

關(guān)鍵詞：合成孔徑系統(tǒng)? 海底? 掩埋電纜? 探測(cè)

中圖分類號(hào)：U666.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（a）-0068-03

The Application and Researchs of Synthetic Aperture Sonar System in Submarine Buried Cable Detection

ZHAO Yang

（Tianjin Water Transport Engineering Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin， 300456? China）

Abstract： With the rapid development of marine economy， the use and development of sea areas are becoming more and more frequent， and the detection of buried cables on the seabed is particularly important. In this paper， the submarine sewage pipeline laying project is taken as an example. Before the pipeline laying， the exact location of the buried submarine cables along the pipeline route is investigated. The project adopts the combination of GPS positioning system， synthetic aperture sonar and magnetometer system for submarine cable detection， which further proves that low frequency synthetic aperture sonar has the characteristics of high efficiency and good image continuity for submarine buried cable detection. The results show that the method has high applicability for the detection of buried targets on the seabed. The fixed installation on the ship side can effectively reduce the offset error between the transducer and GPS， and can effectively improve the target position accuracy.

Key Words： Synthetic aperture system; Seabed; Buried cable; Detection

近年來(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海洋開發(fā)的深入，海上活動(dòng)愈加頻繁，各種通信光纜、電力電纜鋪設(shè)及后期檢測(cè)工作與日俱增。人們?cè)诮＿M(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到鋪設(shè)在近海海底的電纜，這時(shí)就需要準(zhǔn)確探測(cè)出電纜的位置，以確定后續(xù)的工程措施。但是傳統(tǒng)側(cè)掃聲納探測(cè)方法僅能夠探測(cè)裸露于海底面的電纜，無(wú)法探測(cè)掩埋于泥面下的電纜。采用磁力儀、電纜儀等方法探測(cè)電纜，其測(cè)線以一定間隔垂直電纜方向布設(shè)，效率低，連續(xù)性及圖像直觀性差。該文從低頻合成孔徑聲納探測(cè)能力和特點(diǎn)入手，結(jié)合作業(yè)實(shí)踐，探討了低頻合成孔徑聲納對(duì)海底掩埋電纜探測(cè)的優(yōu)越性。

1? 儀器工作原理和技術(shù)要求

1.1 合成孔徑聲納

1.1.1 合成孔徑聲納工作原理

合成孔徑聲納技術(shù)其基本原理是利用小孔徑聲納基陣沿空間勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)虛擬大孔徑聲納基陣，在運(yùn)動(dòng)軌跡的順序位置發(fā)射并接收回波信號(hào)，根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對(duì)不同位置的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運(yùn)動(dòng)方向的高分辨率。

對(duì)聲納系統(tǒng)而言，發(fā)射陣孔徑越大，對(duì)目標(biāo)的方位分辨率越高，但實(shí)際上不可能無(wú)限制地增大發(fā)射陣尺寸，因此真實(shí)孔徑聲納的目標(biāo)分辨率是相當(dāng)有限的，而且真實(shí)孔徑對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的方位分辨率很差。要想提高分辨率就要提高信號(hào)的發(fā)射頻率，而信號(hào)的衰減隨頻率的增大而增大，就需要用更大的發(fā)射功率才能獲得更遠(yuǎn)距離的傳輸。針對(duì)這些問(wèn)題，如果用真實(shí)的小孔徑聲納運(yùn)動(dòng)等效地構(gòu)成一個(gè)大孔徑聲納，則可以提高目標(biāo)方位分辨率。使用小孔徑在許多方位向位置處發(fā)射和接收信號(hào)，來(lái)獲得一個(gè)更大孔徑，從而對(duì)海底的每個(gè)像素成像，最終形成整個(gè)海底的圖像。

根據(jù)其基本原理，合成孔徑聲納主要具有3個(gè)特點(diǎn)：（1）具有很高的橫向空間分辨率，并且分辨率與聲納的工作頻率和作業(yè)距離無(wú)關(guān)，而僅僅取決于基陣的物理孔徑長(zhǎng)度;（2）可以在低頻工作，具有一定的穿透性，可以探測(cè)海底埋藏目標(biāo);（3）在分辨率相等的條件下，工作效率要高于側(cè)掃聲納。因此，用低頻合成孔徑聲納探測(cè)掩埋海底電纜作業(yè)效率高，聲圖像反映連續(xù)直觀，容易判斷，是探測(cè)掩埋電纜的首選方法。

1.1.2 技術(shù)要求

探測(cè)時(shí)要遵守以下技術(shù)要求：（1）測(cè)線布設(shè)。合成孔徑聲納測(cè)線布設(shè)平行于所需探測(cè)電纜方向，以30 m、60 m間隔布設(shè)。（2）航速。測(cè)船的航速不超過(guò)5 kn，測(cè)量時(shí)盡量保持勻速直線行駛。（3）海況。風(fēng)速5級(jí)以下。（4）定位精度。使用高精度的DGPS。（5）拖魚高度。換能器采用固定支架方式與船體固定相連。（6）加密測(cè)量。對(duì)探測(cè)目標(biāo)不少于兩個(gè)方向加密測(cè)量，可以減少目標(biāo)位置中誤差，提高位置精度。

2? 換能器的精確定位

海底電纜探測(cè)涉及以下幾個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)：拖魚坐標(biāo)系、船體坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)系。簡(jiǎn)述如下。

（1）拖魚坐標(biāo)系是以拖魚中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，拖魚前進(jìn)方向?yàn)閤軸，以垂直向下為y軸。

（2）船體坐標(biāo)系主要是以船體中心或GPS定位點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，船艏方向?yàn)閤軸方向，垂直于船體方向?yàn)閥軸方向（右舷為正），垂直向下為z軸方向，組成右手坐標(biāo)系。船體坐標(biāo)系主要是利用船舶導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定拖體的坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)需要有船舶艏向和GPS點(diǎn)與拖體之間的相對(duì)位置關(guān)系。

（3）測(cè)量坐標(biāo)系是海洋施工定位測(cè)量，一般情況下使用CGCS2000坐標(biāo)系。如需不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，測(cè)量范圍不大，可采用三參數(shù)法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如果范圍較大，則需要七參數(shù)。

在海底掩埋電纜探測(cè)中，目前一般常用方法為磁力探測(cè)法，隨著技術(shù)的發(fā)展，近幾年合成孔徑聲納探測(cè)的方法逐步引入到海底掩埋物體探測(cè)中。采用磁力儀探測(cè)方法，為避免船體對(duì)磁力的干擾，拖體位于測(cè)船正后方約3倍船長(zhǎng)處，其拖體與GPS定位點(diǎn)相對(duì)便移量較遠(yuǎn)。采用合成孔徑聲納探測(cè)的方法，則儀器設(shè)備采用船舷固定安裝的方法，換能器與GPS定位點(diǎn)相對(duì)偏移量可有效減少。測(cè)量示意圖如圖1所示。

3? 測(cè)線的技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查目的，為準(zhǔn)確探測(cè)掩埋的海底電纜，合成孔徑聲納測(cè)量，測(cè)線根據(jù)水深情況，以適當(dāng)間隔平行于電纜布設(shè)。調(diào)查中，盡量保持TVG不變，以保證圖像的灰度一致，每條測(cè)線圖像清晰。磁力儀測(cè)量掩埋電纜，拖體需進(jìn)行適當(dāng)配重，盡量減少與海底的距離。航行時(shí)實(shí)際測(cè)線偏移沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)間隔的20%，航速保持穩(wěn)定，船速5 kn左右。

資料采集過(guò)程中解釋人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解釋，發(fā)現(xiàn)如海底電纜等線狀反射異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)分析判斷，做出是否進(jìn)一步探測(cè)的決定，并做好記錄。數(shù)據(jù)后處理采用SonarWeb聲納軟件及Maglog磁力軟件進(jìn)行必要的處理，計(jì)算掩埋海底電纜準(zhǔn)確位置。

4? 應(yīng)用實(shí)例分析

以福建海域排海工程海底管道路由與電纜穿越段已有電纜探測(cè)工程為例，其管道路由與電纜相交處，以待建管道路由為中心，交點(diǎn)兩側(cè)各250 m范圍內(nèi)進(jìn)行已建電纜位置探測(cè)。主要儀器有DSM232 GPS/信標(biāo)接收機(jī)（Trimble）、FlexSAS合成孔徑聲納。作業(yè)過(guò)程中還采用了G882海洋銫光泵磁力儀對(duì)電纜位置進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果與合成孔徑聲納探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。

作業(yè)時(shí)GPS天線安裝在合成孔徑聲納探頭桿的正上方，選擇調(diào)查船甲板附近的船舷位置（約1/3船長(zhǎng)處）固定安裝合成孔徑聲納換能器，此位置安裝儀器能遠(yuǎn)離船主機(jī)、泵和螺旋槳，有效避免調(diào)查船搖擺及噪音干擾，合成孔徑聲納換能器通過(guò)前、后、過(guò)船底鋼纜拉緊。磁力儀采用60 m長(zhǎng)繩后拖于船尾，與合成孔徑聲納探測(cè)分開作業(yè)，作業(yè)中合成孔徑聲納采用了高低頻測(cè)量相結(jié)合的作業(yè)方式，高頻測(cè)量泥面以上地貌特征，低頻聲波具有穿透泥面的特點(diǎn)。如圖2所示，分別為同一地點(diǎn)合成孔徑高頻與低頻電纜探測(cè)結(jié)果，從圖像上可以明確看出，高頻聲納圖像沒(méi)有電纜狀線性聲波反射，而低頻圖像可以明確看出電纜對(duì)聲波的反射，從而判斷電纜埋藏于泥面以下。結(jié)果證明，合稱孔徑聲吶低頻聲波對(duì)泥面海底具有一定的穿透性，能有效分辨海底掩埋物體。

作業(yè)中還采用磁力儀對(duì)掩埋電纜進(jìn)行了測(cè)量，磁力測(cè)量垂直于電纜方向進(jìn)行，測(cè)量結(jié)束對(duì)其得到的磁力異常曲線進(jìn)行連線，最終確定了電纜的位置，具體如圖3所示。

此次工程中，通過(guò)使用合成孔徑聲納與磁力儀對(duì)掩埋電纜進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)果證明低頻合成孔徑聲納圖像連續(xù)，能夠直觀反映海底掩埋電纜的狀態(tài)，較磁法探測(cè)效率更高，是海底掩埋電纜的最有效探測(cè)手段。

此次測(cè)量電纜位置，后期經(jīng)過(guò)潛水探摸，確定為已建海底電纜，掩埋于泥面下1.2 m。

5? 結(jié)語(yǔ)

合成孔徑聲納系統(tǒng)在海底掩埋電纜測(cè)量時(shí)，能夠給出高分辨率的反射信息，低頻聲波對(duì)泥面具有一定的穿透性。該文采用GPS定位系統(tǒng)、合成孔徑聲納和磁力儀系統(tǒng)組合進(jìn)行海底電纜探測(cè)，進(jìn)一步證實(shí)了低頻合成孔徑聲納對(duì)海底掩埋電纜探測(cè)具有效率高、圖像連續(xù)性好的特點(diǎn)。結(jié)果表明了該方法對(duì)海底掩埋目標(biāo)物探測(cè)有較高的適用性，其船舷固定安裝方式，有效減少了換能器與GPS偏移誤差，能夠有效提高目標(biāo)位置精度。

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