海洋技术▏实时三维声呐技术在平台水下检测中的应用
滩海人工岛处在复杂的海洋环境中，受到风、浪、流、海冰、风暴潮和地震等多种海洋环境因素的共同影响，损毁事件屡见不鲜，滩海人工岛工程的安全检测与预警是人工岛建设与运行的重要保障。
某油田采用人工岛海油陆采工程模式，相继建成3座人工岛，包括一号目标平台、海底管道（简称海管）登陆平台（人工岛海管登陆平台）、二号目标人工岛海底管道栈桥支撑平台。由于近海风、浪、流、冰等动力因素的影响，平台桩基周边可能存在冲刷现象，严重时可能给安全生产带来威胁。工程设计及相关标准都提出了定期检测要求，检测内容包括水深与海底地形测绘、平台桩基探测、桩基冲刷、废弃电缆及海底障碍物等。
常规检测技术中有单波束、多波束、侧扫等手段。由于各平台水深较浅（1～3m），平台由群桩组成，形状不规则，测量船舶难以抵近检测，多年来各平台桩基只能靠潜水员探摸作定性评估，无法进行定量检测。经过技术比选，本工程采用三维声呐扫测技术。三维声呐扫测设备可实时显示观看水下地形，也可采集点云数据，而后在后续处理中显示水下目标物的三维影像、水工建筑等影像资料。三维声呐有非常好的可视化效果，可360°呈现水下目标物的形状，距离相对分辨率达到4cm，可输出扫测目标物的三维数据。三维声呐安装非常方便，可以安装在小艇、水下挖掘机、测量船、水下机器人等上面，操作安全，有较高的安全系数。本文介绍了三维声呐测量技术首次在某油田进行了水下工程检测中的应用，检测结果满足了工程需要，可推广应用。
一、三维声呐测量技术简介
⒈测量原理
三维成像声呐系统向目标区域发射声信号，利用声成像方法对接收到的回波信号进行处理，获得一系列二维图像（帧），通过计算机合成技术合成三维图像。对于一次三维成像可以获得两种类型的帧，分别是距离图像和振幅图像，对这两类声纳图像处理实现目标的三维成像。为了保证测量精度，通过惯性导航系统进行姿态修正，以消除船舶在航行时纵横摇摆的影响。
⒉测量方法
测量使用水下三维声呐设备结合配套软件USE等进行系统配置和外业数据采集。使用船载TDL中继站接收控制点基准站发射的差分信号，接入到惯性导航系统中进行RTK改正，提供高精度的定位数据；通过GNSS输出时间数据（ZDA+1PPS），消除时间延迟误差；使用惯性导航系统中的姿态仪输出姿态和艏向数据实时改正船体姿态，消除波浪对船体姿态的影响；采用声速剖面仪采集测区中声速剖面数据，计算出测区平均声速进行声速改正，消除声速变化对水深测量产生的误差；通过USE等采集软件实现对云台和换能器的调节，根据测量目标位置与形态调整云台方向，实现换能器方向与目标对准，再根据接收到的图像实时调整换能器增益、阈值、量程等参数，使图像数据最优化。
⒊系统校准
测量实施前，需对IMU测量单元进行对准校正，测量船舶开始进行绕8 字航行，校准程序将自动进行，直至惯性导航系统校准精度指标满足系统预设要求即可。按照系统安装校准要求，在测试海域平坦区域选取两条平行测线进行距离约170m的往返测量，考虑到实际水深为8m左右，两条平行测线测量间距取17m；另外选取在水下有棱角分明的结构体两侧分别进行平行测线往返测量。
⑴横摇（Roll）校准。在两条平行测线的相对位置选取影像，选取影像重叠区域达60%以上进行校准，校准使得profile line点基本在一条线上，校准结果score值为0.0098<0.01，则校准结果满足测量需求。
⑵艏向（Yaw）校准。在同一测线相邻位置上选取有棱角的结构体影像，校准使得结构体相同区域完全重合，则校准结果满足测量需求。
⑶纵摇（Pitch）校准。在同一测线相邻位置选取影像，影像重叠区域达60%以上进行校准，校准使得profile line点基本在一条线上，校准结果score值为0.0068<0.01，则校准结果满足测量需求。
⑷X校准。在不同测线相对位置上选取有棱角的结构体影像，校准使得结构体相同区域完全重合，则校准结果满足测量需求。
⑸Y校准。在不同测线相对位置上选取有棱角的结构体影像，校准使得结构体相同区域完全重合，则校准结果满足测量需求。
⒋数据采集
合理调整换能器增益、阈值、量程等参数，获取干净的数据，再按照预定的测量方式，沿着测线进行数据采集。一段区域数据采集完成后，及时查看数据完整性，对于缺失部分进行补测。
⒌内业汇编
⑴图像拼接及噪声处理。选择测量效果好的区域进行图像拼接，再进行噪声一级处理和二级处理。确保图像数据干净、可靠。
⑵测量成果分析。根据平台基桩扫测结果，认真研判扫测图像，判断桩基是否存在异常；确定海床和桩基冲刷、淤积等情况；确定废弃电缆及海底异常等情况。
二、工程应用
测试设备采用Echoscope实时三维声呐系统，见图1。
图1 Echoscope实时三维声呐系统
三维成像声呐系统向目标区域发射声信号，利用声成像的方法对接收到的回波信号进行处理。Echoscope声呐系统工作时，通过声纳探头发射一个频率为375 kHz的声波信号，形成一个50°×50°的扇形扫描区域，每次声波发射包含128×128个波束，以相同的间隔排列，每个声波间距为0.39°；系统接收到回波信号后进行声成像处理，生成一个二维图像（帧）；系统以20Hz的速度更新数据，再通过计算机合成技术将这一系列的帧合成为三维图像。为了保证测量精度，通过惯性导航系统进行姿态修正，以消除船在航行时纵横摇摆的影响。
平面基准采用1954年北京坐标系，高斯-克吕格投影；投影参数中央子午线118°30′E，东向加常数50万m，北向加常数0m。高程（深度）基准采用理论最低潮面。水位控制使用登陆点设计高程进行控制。
为满足人工岛周边水域测量要求，本项目建立了临时基准站。在各登陆点分别布设临时潮位验潮点，使用登陆点设计高程进行人工验潮，精确至1cm，每10 min量取一次并记录。验潮在每天测量前10min 开始，水深测量后10min结束。
⒈一号目标海管登陆平台水下检测
对一号目标海管登陆平台周围进行三维扫测，扫测角度为20°，声呐探头与特征物之间扫测距离约8.8m，探头距离海底约7.9m。
扫测结果表明，一号目标引桥东侧海管平台桩基周围3m范围内有约50cm的凹坑（见图2），水下桩基未发现异常。
图2 一号目标海管登陆平台桩基扫测地形
⒉二号目标海管登陆平台水下检测
对二号目标海管登陆平台周围进行三维扫测，扫测角度为30°，声呐探头与特征物之间扫测距离约13.9m，探头距离海底深度约5.7m。扫测结果表明，二号目标西侧海管登陆平台未发现地形异常情况，未发现桩基异常（见图3）。
图3 二号目标西侧海管登陆平台桩基扫测地形
二号目标北侧（引桥边）海管登陆平台，因水深小于4m，扫测数据噪点过多，无法形成有效影像。根据低潮时人工巡视及水深数据，认为海管桩基无异常，桩基下海床无沟槽和深坑。
⒊三号目标平台水下检测
对三号目标平台周围进行三维扫测，扫测角度为20°，水下桩基扫测高度约7 m。扫测结果表明，西北侧桩基北侧有长44m、宽约14m、较周围地形深2.6m的沟槽（见图4～6）。
图4 三号目标平台西北侧沟槽位置
图5 三号目标平台西北侧沟槽深度
（a) 三号目标平台坑剖面
（b) 三号目标中直线处标高图
图6 三号目标平台沟槽区域剖面
⒋四号目标海管栈桥支撑平台水下检测
对四号目标海管栈桥支撑平台周围进行三维扫测，扫测角度为20°，声呐探头与特征物之间扫测距离约7.2m，探头距离海底深度约3.0m。
扫测结果表明，四号目标海管栈桥支撑平台桩基宽度约11m，桩基下方有较小沟槽（见图7），桩基底部呈三角形状。上部水深小于3m，上部扫测时噪点较大，无法形成影像，根据低潮时对桩基的观察，桩基无破损等异常。
图7 四号目标海管栈桥支撑平台桩基扫测
三、结束语
介绍了水下三维声呐测量技术，采用Echoscope实时三维声呐系统对构造平台桩基进行了系统检测，首次在滩海区域对平台桩基地形地貌进行了三维定量测试，主要结论如下：
⑴对于水深大于3m的平台，其桩基可采用Echoscope实时三维声呐系统进行水下检测；水深小于3m时，需进行现场试验确定。
⑵某油田构造平台桩基未发现异常。
⑶检测成果满足工程要求，水下检测技术可推广应用。
⑷水下三维声呐检测应建立统一的技术标准，以满足水下工程检测要求。
【作者简介】本文作者/代兆立 窦海余 徐爽 孙大权 蔡彪，分别来自中国石油冀东油田公司和中国石油集团海洋工程有限公司；第一作者代兆立，1970出生，男，湖北江陵人，高级工程师，2009 年毕业于河北理工大学建筑与土木工程专业，硕士，主要从事油田基建和海洋石油工程项目管理工作；文章来自《石油工程建设》（2018年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有；本文编发时作了脱密处理，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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