论文专区▏高分辨率多波束声纳系统海底目标物检测技术
【编者按：结合近几年出现的高分辨率多波束测深系统的性能特点，通过检测实例，介绍其在海底管道(尤其是裸露管道)检测中的相关技术及及检测成果。结果证实，高分辨率多波束测深系统可以准确检测海底小尺寸目标物，为其新特性的推广应用提供技术参考。本文发表在《海洋测绘》2014年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。丁继胜，男，1972出生，山东单县人，教授级高级工程师，国家海洋局第一海洋研究所，主要从事多波束测量技术研究。】
文/丁继胜 董立峰 唐秋华 李 杰
一、引言
随着海洋资源开发及海洋工程建设的方兴未艾，众多的海底管道(输油、输气、输水等管道)在海洋生产过程中扮演着重要的角色。然而，由于海流、风浪、侵蚀等因素影响，使得本来埋设在海底的管线出现裸露甚至悬空，存在极大的安全隐患。对于海洋石油生产，海底裸露管道的检测与治理，是其安全生产的一项重要内容。对于某些侵蚀、冲刷比较严重的区域，更要常年不间断检测，以保证海底管道安全。常规的检测方法是综合利用磁力仪、浅地层剖面仪、侧扫声纳及单波束测深仪等仪器设备进行检测，也可以利用多波束测深系统代替其中的单波束测深仪，以提供更高分辨率、全覆盖的海底水深信息。近几年，随着技术的发展，出现了更高分辨率的多波束测深系统，比如R2Sonic2024、EM2040及SeaBat7125等，这些超高分辨率多波束测深系统在500px水深范围内，甚至可以提供优于250px的分辨率。得益于自身超高分辨率，仅靠多波束水深数据，就能清晰辨别海底管道裸露情况及管道粗细，并且可以提供比其他测量方式更高精度的目标位置信息。除了超高分辨率水深数据，这些多波束测深系统同时提供水体测量数据，更丰富的反应整个水体中目标物(沉船、鱼群、生产平台等)情况。最新技术的应用，结合三维软件实时显示和精细后处理，使得被检测海底目标物各部分细节在测量者面前真实显现，为后续工作方案提供真实可靠依据。本文结合SeaBat7125高分辨率多波束测深系统在实际管道检测中的应用实例，介绍相关的检测技术及成果。
二、超高分辨率多波束测深系统特性及管线检测技术要点
⒈ 多波束系统主要技术特性
几年前面世的新一代超高分辨率多波束测深系统，相较于前一代产品，有如下关键技术升级：
测量分辨率提高(波束角达到0.5°)；更丰富的水体测量功能；更完善的实时姿态补偿功能；更丰富的测量模式(比如水体测量功能、侧扫声纳功能，片段测量(Snippet)功能等)，可以快速探测到水中目标物。
正是以上新功能的出现，使得相关海洋工程测量、目标物检测手段得以极大的提高，测量成果质量也有了质的飞跃。
⒉ 管线检测的技术要点
在条件允许的情况下，测量船位于被测管道正上方并沿管道走向进行测量，以获取最高测量准确度和分辨率。根据不同的水深，选择合适的测量模式、波束扇面覆盖角、测量频率、脉冲长度等关键测量参数。在相同被测环境下，在发射波束数不变的前提下，波束扇面角越小、频率越高、脉冲长度越小，获取的测量结果准确度及分辨率就越高。合理运用一些新功能。比如波束聚焦功能，水体测量功能等，以获取更为详实的检测数据。
三、海上油气生产平台及管线检测实例
我国海域面积辽阔，资源丰富，从南到北建设有较多的海上石油生产平台、海底输油管线及电缆。由于其特殊的地理位置(特别是处于江河入海口区域)，区域内部分石油生产平台及油气管道受海水侵蚀、冲刷比较严重，是海洋地质灾害多发区域，为区域内油气安全生产带来较大隐患。为了保障安全生产，需要对部分平台及管道进行检测，并针对冲刷情况进行治理，防止事故发生。2013年4月份，在对某海上油田某区域进行地质灾害调查时，对个别平台及管道进行了检测，以验证利用高精度多波束测深系统对目标物检测的可靠性。
检测使用的仪器设备：ResonSeaBat7125多波束测深系统，Applanix POS MV姿态及NavCom2050星站差分综合系统，以提高高精度定位、姿态及方位信息。测量过程中，严格遵循本文第2部分所介绍的技术要点进行，以获取最理想的测量结果。
⒈ 多波束水深数据采集
对于海洋油气生产平台及管线检测来说，全覆盖、高分辨率、高精度的水深数据获取是非常重要的一个技术环节。准确的水深数据，不仅可以反映检测区域即时的水深，和历史水深数据相比较，以发现检测区海底由于海流冲刷、腐蚀等因素引起的海底地形变化，也可以利用超高分辨率的特点，及时发现裸露海底表面甚至悬空的管线，并准确定位，为后续的治理提供可靠的技术依据。
检测区域水深在10m左右，为了最大限度提高测量准确度，采用了400kHz的测量频率；波束发射频率采样20次/s，波束发射角及脉冲长度在可选范围内选择最小值，以获取最高测量分辨率。
⒉ 多波束水体数据采集
目前最新一代多波束测深系统，基本上都提供了三维水体原始影像测量功能，此功能可以测量并实时显示海底以上水中目标物，比如沉船、生物群落、海底热液、大尺寸水泡群等悬浮于水体中的目标物。
测量过程中，为了更加准确反映海底管线裸露悬空情况，在采集水深数据时，同步采集测量区域水体影像数据，并同步导入高精度定位数据及姿态数据，以提高原始水体影像数据处理及解译准确度。水体数据测量过程，根据实时水体影像监测图，及时调整系统发射功率、增益等参数，以获取最佳原始水体影像数据。
⒊ 海底反射强度数据采集（Sidescan&SnippetData)
目前，绝大多数多波束测深系统都提供了海底反射信号强度值接收处理功能，该功能测量结果类似于传统的侧扫声纳测量功能。然而，由于硬件原理不同，普通多波束提供的Sidescan功能所提供的测量效果远不及真正的Sidescan所给出的测量效果。不同的测量系统、不同的测量参数，使得同一被测目标的信号反射强度也不相同。这样就会造成同一被测目标物多次测量的一致性较差。而SeaBat7125提供了一种Snippet测量功能，该功能是一种改正了的、加强的后向散射强度测量功能，可以提供更为清晰的海底地貌图像。测量过程中，采集了油气生产平台及裸露管道的Snippet数据，并同步辅以高精度星站差分定位数据输入，以获取高精度的数据处理及再现精度。
⒋ 检测结果
利用系统自带数据处理软件系统(PDS2000)对本次测量采集的数据进行了处理。数据处理按照水深数据、水体数据及海底反射强度数据三种类型分类进行。为了最大限度提高测量成果精度，对所有数据进行了姿态、潮位、声速等综合误差改正。
⑴水深数据
水深数据是多波束测深的最基本数据，全覆盖、高分辨率及高精度的水深数据，可以清晰反映海底地形特征，为海洋工程安全评价及海底地形变化趋势分析提供可靠技术依据。
利用处理后的水深数据生成地形模型图(网格大小为0.1m×0.1m)，见图1，可以清晰分辨出裸露悬空油气输送管道及其准确走向。为了进一步明确管道悬空高度及管道粗细，在管道合适位置选择一合适剖面位置，利用软件查询分析功能，得知该管道最高点比周边海底高出约1.4m左右，管道直径约0.4m左右。除了裸露的管道，从图中还可以看到一平台动力电缆，该处电缆从图1中较难分辨，从多波束系统同步测量的海底反射强度数据中可以清晰看出(见图3)，经过比对，可以在水深图上进行定位。该处电缆走向接近平台位置处，有较明显的线状物，应该是电缆在平台位置处的保护套管。水深缺失较多的中央区域，为石油生产平台位置区，平台桩柱对水深测量产生严重的干扰，使得桩柱位置处有较多的极浅水深点。
⑵水体数据
与只反映海底地形的水深数据不同，新一代多波束测深系统所提供的水体数据，可以反映声波穿透区整个水体中目标物反射信息。通过水体测量监控界面波束扇面图可以实时发现存在于海底面以上水体中的目标(见图2(a))，但是从该扇面图上很难辨别目标物的外部物理特性。对水体数据进行精细处理之后，可以对实际存在的目标物进行准确显现，准确判断海底及水体中目标物真实情况。图2(b)所示为处理后部分水体数据所反映的一些水体中目标物存在情况，可以清晰看出悬空管道和平台立柱的存在。
⑶反射强度数据(Snippet数据)
多波束测深系统波束数目增加、测量分辨率的提高及Snippet功能的应用，使得反映海底地貌形态的反射强度图像分辨率得以极大提高。本次检测目标物包括平台、悬空管道和海底电缆。
通过对检测数据简单处理，生成海底声纳影像图(见图3)。从图中可以清晰看出，由于平台和悬空管道对声学信号的遮挡，而在影像图上生成明显的强阴影区，而呈“S”走向的线状物，则为平台动力电缆。
四、结束语
通过以上数据处理及分析结果，在选择合适的测线布设及测量参数前提下，新一代高分辨率多波束测深系统可以非常准确地对海底目标物进行探测并精确定位。如果方法应用得当，以往不能实现的小尺寸目标物探测也可以实现。这得益于：①自身测量分辨率的大幅提升；②更高精度的姿态信息补偿；③更高精度的定位数据辅助。
相对于传统的管道测量方法，高精度多波束测深系统可以对检测目标进行更为精确的定位。在以后的实际工作应用中，即可以单独利用此方法进行目标物检测，也可以综合利用多波束测深系统及测扫声纳测量系统，利用多波束系统更高的定位精度、测扫声纳系统更高的分辨率特性，提供更为精确的检测测量成果。