超短基線（USBL）在OBN定位中的應(yīng)用

張安寶 韋立光

中海油服物探事業(yè)部 天津 300451

OBN（Ocean Bottom Node，海底節(jié)點(diǎn)）是一種位于海底，可以獨(dú)立采集、記錄地震信號(hào)的多分量地震儀，可以在淺灘、過渡帶、平臺(tái)等復(fù)雜地形施工作業(yè)，其獨(dú)立采集的特點(diǎn)讓OBN作業(yè)區(qū)域更寬泛，作業(yè)方式更多樣，施工效率更高。特別是深水的OBS地震勘探中，OBN已經(jīng)成為海洋地震采集的主要方法[1]。

在OBN地震勘探中，節(jié)點(diǎn)鋪放精度是直接決定地震資料好壞的因素之一。在鋪放過程中由于受到潮流、水中障礙物、海底泥層的不規(guī)則性等因素影響，節(jié)點(diǎn)在下水點(diǎn)的位置坐標(biāo)和其實(shí)際沉放到海底的位置坐標(biāo)存在著較大差異，這種差異會(huì)直接影響地震資料的好壞。所以海洋地震勘探對(duì)OBN施工作業(yè)的要求是：確定檢波點(diǎn)點(diǎn)位在海底的準(zhǔn)確位置，使其精度盡可能滿足施工設(shè)計(jì)和作業(yè)指標(biāo)要求，確保地震資料質(zhì)量[2]。

1 OBN 施工方式和定位方法

OBN與拖纜、OBC的區(qū)別主要是OBN作為一個(gè)無需額外供電的獨(dú)立采集系統(tǒng)，可以單節(jié)點(diǎn)鋪放，也可以多個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來鋪放。常規(guī)的施工方式是用繩子將多個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的道間距，把整個(gè)施工設(shè)計(jì)排列上所有的節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來，按照測(cè)線的樁號(hào)順序一個(gè)個(gè)鋪放到海底，等完成地震資料采集后再將節(jié)點(diǎn)從海底回收。

因節(jié)點(diǎn)本身不具備聲學(xué)定位功能，需要在節(jié)點(diǎn)上綁定信標(biāo)（聲學(xué)設(shè)備），通過確定信標(biāo)在水下的位置來確定對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置。為了提高節(jié)點(diǎn)的鋪放精度，需要采用超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位節(jié)點(diǎn)鋪放過程中節(jié)點(diǎn)的位置，利用作業(yè)船舶的位置調(diào)整，通過節(jié)點(diǎn)繩將受力傳導(dǎo)給節(jié)點(diǎn)，調(diào)整控制節(jié)點(diǎn)在水中下落過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)落在設(shè)計(jì)點(diǎn)位的范圍內(nèi)。節(jié)點(diǎn)完成鋪放后，還要對(duì)水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次聲學(xué)定位，確定節(jié)點(diǎn)在海底的真實(shí)位置，作為最終的成果資料。

2 超短基線（USBL）系統(tǒng)工作原理和應(yīng)用

在國內(nèi)外的OBN項(xiàng)目里，水深低于300米的項(xiàng)目都使用到了超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)。相對(duì)于長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，超短基線（USBL）使用更方便，更簡(jiǎn)單，不用專門在海底鋪設(shè)聲學(xué)矩陣，就可以實(shí)時(shí)跟蹤單點(diǎn)信標(biāo)，非常適合OBN節(jié)點(diǎn)作業(yè)的特點(diǎn)。

2.1 超短基線（USBL）系統(tǒng)組成和工作原理

超短基線（USBL）定位系統(tǒng)硬件由工作主機(jī)，聲學(xué)探頭（換能器基陣）、信標(biāo)、編碼器等，另外還配備相關(guān)應(yīng)用軟件。聲學(xué)探頭是包含1個(gè)信號(hào)發(fā)射器和多個(gè)接收器，依據(jù)廠家設(shè)備不同，接收器的數(shù)量和排列方式不同。發(fā)射器位于聲學(xué)探頭的中間，接收器環(huán)繞在發(fā)射器周圍。工作原理就是工作主機(jī)將信標(biāo)的地址號(hào)發(fā)給聲學(xué)探頭，聲學(xué)探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定頻段的聲波信號(hào)，由發(fā)射器向水下的信標(biāo)發(fā)射聲波信號(hào)，信標(biāo)接收到聲波信號(hào)后，反饋對(duì)應(yīng)地址和編碼器編譯的通道號(hào)給接收器，由多個(gè)接收器同時(shí)接收反饋信號(hào)，通過檢測(cè)計(jì)算信標(biāo)信號(hào)到達(dá)多個(gè)接收器的時(shí)間差，計(jì)算出信標(biāo)位于聲學(xué)探頭坐標(biāo)系中的俯仰角、方位角等，然后根據(jù)測(cè)得的距離和姿態(tài)航向角度數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)信標(biāo)在水中準(zhǔn)確位置。

2.2 超短基線（USBL）在節(jié)點(diǎn)鋪放過程中的應(yīng)用

超短基線（USBL）的聲學(xué)探頭具有方向方位性，在安裝聲學(xué)探頭前，須確保探頭朝前方向與船首向保持平行。因聲學(xué)探頭與船中心坐標(biāo)系不重合，存在著自身設(shè)備安裝偏差，同時(shí)外部的姿態(tài)儀和電羅經(jīng)也存在安裝偏差，為了確保獲取高精度的定位數(shù)據(jù)，在超短基線（USBL）系統(tǒng)投入使用前須進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。在正常作業(yè)中，需要將超短基線（USBL）系統(tǒng)和綜合導(dǎo)航系統(tǒng)連接通信，利用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)超短基線（USBL）系統(tǒng)進(jìn)行外部控制，二者通過串口實(shí)現(xiàn)指令控制和數(shù)據(jù)傳輸。

節(jié)點(diǎn)鋪放前，導(dǎo)航工作人員用編碼器按照一定的排列方式對(duì)信標(biāo)進(jìn)行地址通道配置，將這些信標(biāo)一一掛在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)導(dǎo)航人員在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)上配置信標(biāo)地址號(hào)、通道號(hào)、以及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)線號(hào)和樁號(hào)。在鋪放作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前船位信息，計(jì)算確認(rèn)當(dāng)前測(cè)線的樁號(hào)及對(duì)應(yīng)的信標(biāo)地址號(hào)，將該信標(biāo)地址號(hào)通過串口發(fā)送給超短基線（USBL）系統(tǒng)，然后經(jīng)由換能器基陣將相應(yīng)地址號(hào)的頻段信號(hào)發(fā)射給水下的信標(biāo)，等信標(biāo)接收反饋回信號(hào)后，重新由超短基線（USBL）將該信標(biāo)的距離、方位、坐標(biāo)等信息傳輸給綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航工作人員在監(jiān)控界面能實(shí)時(shí)查看到水下信標(biāo)與當(dāng)前測(cè)線的位置關(guān)系，通過分析信標(biāo)與測(cè)線的橫向偏差和縱向偏差，結(jié)合當(dāng)前的水流情況，由導(dǎo)航工作人員與駕駛?cè)藛T溝通，調(diào)整作業(yè)船舶的速度及航向，以便讓節(jié)點(diǎn)落到標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

2.3 超短基線（USBL）在二次定位中的應(yīng)用

OBN沉放到海底后，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行重新精準(zhǔn)定位，以確定節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置，該過程稱為二次定位。二次定位分為聲學(xué)二次定位和初至波二次定位，因初至波在拾取觀測(cè)值時(shí)容易受到地層反射、折射等多方面因素影響，野值較多，需要花費(fèi)較多的精力去篩查，影響現(xiàn)場(chǎng)施工效率，所以主流的二次定位方法是聲學(xué)二次定位[3]。

超短基線（USBL）進(jìn)行聲學(xué)二次定位與節(jié)點(diǎn)鋪放流程的工作流程基本一樣，選擇需要定位的測(cè)線，配置該測(cè)線的聲學(xué)定位參數(shù)，包含：測(cè)線號(hào)樁號(hào)、信標(biāo)地址通道號(hào)、選擇聲學(xué)定位模式等，然后啟動(dòng)定位功能，系統(tǒng)內(nèi)部之間的工作過程與節(jié)點(diǎn)鋪放一樣，二者區(qū)別在于聲學(xué)二次定位航行軌跡固定在測(cè)線的正上方，而鋪放節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置調(diào)整船位。

當(dāng)完成整條測(cè)線的聲學(xué)數(shù)據(jù)采收后，利用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的PPN聲學(xué)后處理節(jié)點(diǎn)，則需要對(duì)該條測(cè)線相應(yīng)的原始聲學(xué)定位P294文件進(jìn)行后處理，根據(jù)工區(qū)參數(shù)和環(huán)境因素，設(shè)置合理的門限值，去除掉觀測(cè)值的尖跳野值，處理后生成的SPS聲學(xué)定位文件，就是節(jié)點(diǎn)在海底的真實(shí)位置坐標(biāo)信息，作為最終的成果文件上交存檔。

3 超短基線（USBL）應(yīng)用效果

超短基線（USBL）聲學(xué)定位技術(shù)在國內(nèi)外OBN項(xiàng)目中已經(jīng)得到應(yīng)用驗(yàn)證，下面以南海某項(xiàng)目為例，該工區(qū)水深在62-80米之間，道間距50米，炮間距50米，要求放纜精度不應(yīng)大于15米。下圖1和圖2是該工區(qū)的2525測(cè)線鋪放后用超短基線（USBL）進(jìn)行的第一次聲學(xué)定位結(jié)果，從下圖中可以看到2525測(cè)線橫向偏差和縱向偏差都在15米范圍內(nèi)，在節(jié)點(diǎn)鋪放過程中利用超短基線（USBL）對(duì)水下信標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控調(diào)整，確實(shí)有效的提高了節(jié)點(diǎn)鋪放精度。

圖1 2525測(cè)線第一次定位結(jié)果縱向偏差

圖2 2525測(cè)線第一次定位結(jié)果橫向偏差

在勘探過程中，發(fā)現(xiàn)有拖網(wǎng)漁船在2525測(cè)線東頭（大樁號(hào)一邊）的進(jìn)行漁業(yè)打撈，有可能影響到該測(cè)線水下節(jié)點(diǎn)的位置，為了能確定水下節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，安排聲學(xué)定位船對(duì)2525測(cè)線重新進(jìn)行聲學(xué)二次定位，兩次定位結(jié)果對(duì)比如下圖3、圖4所示：

圖3 2525測(cè)線拖動(dòng)前后的縱向?qū)Ρ冉Y(jié)果

圖4 2525測(cè)線拖動(dòng)前后的橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果

從上圖中兩次定位結(jié)果的對(duì)比可以看出，2525測(cè)線在樁號(hào)6534-6662區(qū)間兩次定位結(jié)果不吻合，在縱向偏差和橫向偏差上都出現(xiàn)明顯的差異，可以確定水下節(jié)點(diǎn)發(fā)生位置變化，2525測(cè)線確實(shí)收到漁船拖動(dòng)的影響，也驗(yàn)證了超短基線（USBL）聲學(xué)定位能夠準(zhǔn)確的采集計(jì)算到節(jié)點(diǎn)在海底的位置，有效保證OBN點(diǎn)位的定位精度。

超短基線（USBL）不僅僅可以應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)鋪放和聲學(xué)二次定位，還可以應(yīng)用到可視化動(dòng)態(tài)撈纜頭，將信標(biāo)綁定到板錨上，實(shí)時(shí)監(jiān)控板錨在水中的動(dòng)態(tài)位置，通過調(diào)整船舶位置和板錨的配重，讓其將水下節(jié)點(diǎn)繩勾起，然后將水下節(jié)點(diǎn)回收，這種方式不僅簡(jiǎn)單方便，作業(yè)效率也相比LRT的回收方式更高，也更節(jié)約成本【4-7】。

4 結(jié)束語

在OBN作業(yè)中利用超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控水下節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位置，科學(xué)的指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)鋪放作業(yè)，讓節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位落在合格范圍，避免點(diǎn)位超標(biāo)而重新鋪放的問題；該技術(shù)應(yīng)用于聲學(xué)二次定位，也能準(zhǔn)確計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)在海底的真實(shí)位置，保證節(jié)點(diǎn)的定位精度，從而保障地震資料的品質(zhì)。