论文专区▏海底管道检测中侧扫声纳声波掠射角的优化设计

【编者按】针对利用侧扫声纳检测海底管道时因其检测声影图像模糊而导致管道悬空高度检测误差过大的问题，提出了侧扫声纳声波掠射角优化设计的思路及方法。本文阐述了利用侧扫声纳对海底管道进行检测的工作原理，并利用海底管道和海底底质反向散射强度的计算公式探讨了声波在海底的反向散射强度、侧扫声纳声影图像的质量以及声波掠射角的取值这三者之间的关系对海底管道悬空高度h计算精度的影响，从理论上确定声波掠射角最佳取值范围的存在。通过工程实例的现场检测与比对试验，获得了在本试验所处海域环境中利用侧扫声纳检测海底管道时声波掠射角的最佳取值范围，对于类似的海底管道检测工程具有一定的指导意义。本文发表在《海洋测绘》2016年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。熊春宝，男，1964年出生，湖北荆州人，天津大学建筑工程学院，教授，博士，主要从事土木工程与海洋工程的健康检测研究。

文/熊春宝 丁建棣 李志 熊爱成

一、引言

海底管道是连接海上石油平台之间、石油平台与陆地储油厂或炼油厂之间的海上石油运输通道^[1]，在其服役期间由于受到海流的长期冲刷及海洋地质灾害等因素的影响，其下方的承载物很容易被掏空，形成管道的悬空状态。当管道悬空跨度超过其所能承受的极限值时，易引发管道的断裂，造成巨大的经济损失和生态环境破坏^[2-3]。因此，需要对海底管道进行定期检测，及时发现其裸露和悬空状态并进行治理。

侧扫声纳由于分辨率高、声影图像连续、扫测范围大、效率高等优点，在海底管道的检测和管理中有着广泛应用^[4-5]。目前在实际的作业过程中，一般很少考虑侧扫声纳的声波掠射角对声影图像质量的影响，往往导致海底底质影像与管道声影区或管道影像之间的边界模糊，使得管道悬空高度的检测结果与实际情况偏差较大。本文通过研究声波在海底的反向散射强度与声波掠射角对检测声影图像的影响，并在不同的声波掠射角条件下进行海底管道的检测试验，根据试验结果的比较分析，得到了侧扫声纳声波掠射角的最佳取值范围。

二、基于侧扫声纳的海底管道检测原理

侧扫声纳通过拖鱼上的换能器向沿航迹两侧方向发射高频声脉冲，当声波碰到海底界面时发生散射，根据回波信号的强弱，形成海底地貌特征图^[6]。在海底地貌特征图中，海底物体的灰度值取决于其对声波信号的散射特征，海底物体的反向散射强度越大，所形成的灰度越大；散射强度越小，所形成的灰度越小。如图1所示，侧扫声纳对海底裸露悬空管道进行检测时，海底底质的影像呈灰色；由于管道产生的散射较强，在声影图像上显示为黑色的条状目标物；受到管道遮挡的海底，接收不到声脉冲，其声线受到屏蔽，在声影图像上显示为白色的声影区，因此可根据侧扫声纳的检测声影图像来判断确定海底管道的位置状态^[7-10]。

（a）海底悬空管道检测示意图 

（b）悬空管道的检测声影图像

图1海底管道侧扫声纳检测示意图和声影图像

假设海底面为一平坦的平面，且忽略声波在海水中传播时产生的声线弯曲现象，根据图1（a）中的几何关系，海底管道的悬空高度h的计算公式为^[11]：

上式中，H为拖鱼距海底面的高度，S为管道声图末端至管道声影区末端的距离，R为发射线距管道声影区末端的斜距，r为海底管道的半径。

在式⑴中，管道半径r已知，拖鱼距海底面的高度H可由侧扫声纳系统自动精确测得，而S和R是从侧扫声纳的检测声影图像中人工量取，因此，海底管道悬空高度h的计算精度主要受检测声影图像中S和R量取误差的影响。

三、声波掠射角的最佳取值范围探讨

设海底悬空管道的反向散射强度为TS，其计算公式为^[12]：

TS＝10lg(rl²/2λ)                 ⑵

式中r为管道的半径， l为单位声脉冲所覆盖的管道长度，与侧扫声纳的波束开角有关，λ为侧扫声纳的声波波长。

设海底底质的反向散射强度为S_b，根据Lambert散射定律可得^[13]：

       S_b(θ)＝10lgμsin²θ         ⑶

式中µ为与海底底质类型有关的常数，θ为侧扫声纳的声波掠射角（见图1（a））。

由式⑵和式⑶可得海底管道与海底底质二者的反向散射强度之差：

     TS－S_b＝10lg(rl²/2λμsin²θ)   ⑷

为了精确检测出海底管道的悬空高度h，从式⑴得知在检测声影图像中S和R必需具有较好的量测精度，因此，一方面，声影图像中灰色的海底影像与白色的管道声影区的边界必需清晰，这就要求海底底质具有一定的反向散射强度，由式⑶可知，海底底质的反向散射强度S_b随声波掠射角θ的增大而增大，即存在声波掠射角的某一取值θ₁，要求θ≥θ₁；另一方面，声影图像中黑色的管道影像与灰色的海底影像的边界也必需清晰，这就要求管道的反向散射强度与海底底质的反向散射强度具有一定的差值，由式⑷可知，海底管道与海底底质二者的反向散射强度之差（TS－S_b）随声波掠射角θ的减小而增大，即存在声波掠射角的某一取值θ₂，要求θ≤θ₂。综上所述，当声波掠射角θ位于区间[θ₁，θ₂]内时，检测声影图像中灰色的海底底质影像与白色的管道声影区之间的边界、黑色的管道影像与灰色的海底底质影像之间的边界均能确保清晰，检测效果可以达到最佳。

根据图1（a）中的几何关系，我们也可得到声波掠射角θ的计算公式为^[12]:

上式中，L为拖鱼至管道中心的水平距离。在式⑸中，与H及L相比，r及h都相对很小，且为固定值，因此，从式⑸可以看出，侧扫声纳在进行海底管道检测时，声波掠射角θ主要由H和L这两个参数决定，即可通过现场调整H与L，以获取不同大小的声波掠射角θ，从而使之位于区间[θ₁，θ₂]内，得到最佳的检测影像，确保声影图中S和R的量取精度和海底管道悬空高度h的计算精度。

四、声波掠射角对检测效果的影响试验

试验以山东胜利油田某输油管道为检测目标，该管道半径r＝0.1225m。试验采用EdgeTech 4200FS侧扫声纳，工作模式选用高分辨率模式（HDM），此频率的波长λ＝0.0037m，量程选用75m，横向分辨率为2cm，沿航迹方向的波束水平开角α＝0.3°。

为了验证声波掠射角的不同取值对检测效果的影响，在被检测管道的单侧平行布置了8条测线，各条测线至管道中心的水平距离见表1。海底管道悬空段的侧扫声纳检测图像如图2～9所示（图中的虚线处通过潜水员下潜探摸量测，得到其实际悬空高度为1.76m），通过系统自带的EdgeTech Discover 4200软件对各条测线的检测图像依次量取发射线至管道声影区末端的斜距R、管道声图末端至管道声影区末端的距离S，并根据式⑴和式⑸分别计算海底管道的悬空高度h和声波掠射角θ。上述各项检测数据、量算数据和计算数据分别列于表1中。其中，相对误差δ＝（实际悬空高度-计算高度）/实际悬空高度。

表1 各条测线的检测结果

测线至管道中心水平距离L/m	拖鱼距海底面高度H/m	发射线至声影区末端斜距R/m	管道声图末端至声影区末端斜距S/m	声波 掠射角θ/(°)	管道悬空高度计算值h/m	与实际悬空高度的相对误差δ
19.0	12.1	25.9	3.76	28.0	1.53	13.1%
20.2	11.8	27.0	4.12	25.9	1.57	10.8%
22.4	11.9	29.4	5.32	23.8	1.92	9.1%
24.9	12.0	32.0	5.07	21.9	1.67	5.1%
28.0	12.2	35.8	5.54	20.0	1.65	6.3%
31.2	12.1	39.4	5.96	17.9	1.59	9.7%
36.2	12.5	45.3	6.50	16.2	1.55	11.9%
40.3	12.1	49.1	6.46	14.1	1.35	23.3%

观察表1中的各项数据，同时对照图2～9的检测效果，可以看出：

⑴当声波掠射角较大（θ＝28.0°）时，由于海底反向散射强度较强，管道影像与海底底质影像难以区分（见图2），管道悬空高度估算时出现较大误差13.1%（见表1）。

⑵随着声波掠射角从28.0°逐步减小至21.9°时，管道影像与海底底质影像之间的边界逐渐清晰（见图2～5），管道悬空高度估算的相对误差也逐步从13.1%减小到5.1%（见表1）。

⑶但当声波掠射角继续从21.9°减小至14.1°时，越来越小的声波掠射角使海底反向散射强度逐渐减弱，海底底质影像与管道声影区之间的边界模糊，难以区分（见图5～9），致使管道悬空高度估算的相对误差也逐步从5.1%增大到23.3%（见表1）。

⑷从表1并结合图5、6，可以得知，对于本试验所处的海域环境和海底管道的悬空状态，当声波掠射角位于20°～22°区间时，管道影像与海底底质影像之间的边界、海底底质影像与管道声影区之间的边界均比较清晰，管道悬空高度的估算误差相对较小，此时侧扫声纳检测海底管道的检测效果和管道悬空高度的计算精度均达到最佳。

图2 当θ=28.0°时的检测图

图3 当θ=25.9°时的检测图

图4 当θ=23.8°时的检测图

图5 当θ=21.9°时的检测图

图6 当θ=20.0°时的检测图

图7 当θ=17.9°时的检测图

图8 当θ=16.2°时的检测图

图9 当θ=14.1°时的检测图

五、结论

⑴侧扫声纳对于海底管道的检测，其检测声影图像的质量主要受声波掠射角取值的影响：当声波掠射角过大时，将导致管道影像与海底底质影像之间的边界模糊；当声波掠射角过小时，将导致海底底质影像与管道声影区之间的边界模糊。因此，声波掠射角的优化设计有利于提高声影图像的质量，即提高图像的量测精度和海底管道悬空高度的计算精度。

⑵调整侧扫声纳的拖鱼至海底的高度或测线至海底管道的水平距离，可以获取不同大小的声波掠射角。本文首先从理论上推导声波在海底的反向散射强度、声影图像的质量、声波掠射角的取值这三者之间的关系，从而确定声波掠射角最佳取值范围的存在，然后通过工程实例的现场检测与比对试验，得出了侧扫声纳检测海底管道的声波掠射角的最佳取值范围为20°～22°。

⑶从本文的理论推导过程可以看出，海底底质的反向散射强度及其与海底管道的反向散射强度之差，除了与声波掠射角的取值有关以外，还受到侧扫声纳的声波波长和波束开角、海底管道的半径、海底底质的类型等参数的影响。因此，为了获得边界清晰的高质量检测声影图像，对于不同型号的侧扫声纳系统和不同类型的海域环境及海底管道，声波掠射角的最佳取值范围可能会略有不同。

参考文献：

[1]张彦昌,郑佳.海底管线调查综合物探作业方法研究[J].海洋技术,2010,29(1):78-81.

[2]刘延鑫,王旱祥,张延军,等.海底管道立管局部冲刷数值模拟[J].油气储运,2013,32(7):745-749.

[3]方娜,陈国明,朱红卫,等.海底管道泄漏事故统计分析[J].油气储运,2014,33(1):99-103.

[4]王雷,徐兴平,张辛,等.悬跨海底管道的侧扫声纳检测方法[J].石油机械,2013,41(5):50-53.

[5]魏荣灏,陈铁鑫,郭晨.侧扫声纳在海底管道悬空调查中的应用[J].海洋测绘,2014,34(2):63-65.

[6]刘磊,张纯.高速多脉冲侧扫声纳设计[J].声学技术,2011,30(3):341-343.

[7]姜小俊,刘仁义,刘南,等.强潮地区海底管线状态检测方法研究—杭州湾海底管线状态检测[J].浙江大学学报（工学版）,2009,43(9):1739-1742.

[8]陈正荣,王正虎.多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用[J].海洋测绘,2013,33(4):51-54.

[9]来向华,潘国富,苟诤慷,等.侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究[J].海洋工程,2011,29(3): 117-121.

[10]ANDREY Bagnitsky, ALEANDER Inzartsev, Alexander Pavin, et al.Side-scan sonar using for underwater cables & pipelines tracking by means of AUV[C].Underwater Technology (UT),2011 IEEE Symposium on and 2011 Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies (SSC).IEEE,2011:1-10.

[11]熊春宝,田磊,熊爱成,等.侧扫声纳声波掠射角对海底管道检测的影响[J].测绘通报,2016,(4):58-63.

[12] (美) Robert J.Urick著,洪申(译).水声原理[M].第三版,哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990: 239-240.

[13]Darrell R.Jackson,Michael D.Richardson.High-frequency Seafloor Acoustics[M].Newyork, Springer Publishing Company,2007:21-26,323-326.

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