海洋技术▏参量阵浅剖探测技术在海底管线探测中的应用

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一、引言

随着港口工程建设、海洋资源开发等人类海洋活动的增加，海底管线调查的重要性日趋明显。诸如输油管道、通讯电缆、供水排污管道等管线设施，在工程建设实施阶段如果遭到破坏，势必会造成巨大的经济损失，甚至污染水域环境，影响居民正常生活；如果海底管线经过航道、锚地等经常有船只航行、抛锚的地方，为保证航行安全、避免锚地抛锚船只出现走锚进而造成海底管线损坏，定期进行海底管线埋深位置探测是非常有必要性的。

当前水下探测设备如多波束测深系统、侧扫声呐、水下ROV等可以对悬空、裸露管线进行探测，但是对于有埋深深度的海底管道均得不到较好的探测效果；海洋磁力仪虽然可以进行对有磁场异常的埋深管线进行探测，但是受限于拖曳式作业方式，磁力异常点计算过程因误差累计导致定位精度差强人意。因此，综合考虑各种因素，浅地层剖面仪是海底管线探测的最佳设备。本文以最具代表性的SES 2000型参量阵浅地层剖面仪在实际工程中的应用为例，阐述了参量阵SBP探测系统的工作原理及其在港口、航道埋深管线探测中的有效性，对应用过程中出现的一些问题进行了分析，研究提出了多种有效解决方法。

二、参量阵SBP探测技术原理

SBP探测技术是一种基于水声学原理进行海洋地球物理调查的方法，通过在测量船侧舷垂直固定安装浅地层剖面仪，向海底发射不同频率的声波，以穿透海水至海底地层及目标物，接收反射信号形成地层与目标物的模拟图像。

根据非线性调频技术生产的参量阵浅地层剖面仪换能器在高电压下同时垂直向海底发射两个频率相近的高频信号f₁与f₂（此处假设f₁> f₂）作为主频信号，当声波作用于水体时，由于参量阵的非线性特征，两个原始高频波会产生一系列的二次频率如f₁，f₂，（f₁+f₂），（f₁-f₂），2f₁，2f₂等。f₁高频声波信号用来进行水深探测，而f₁与f₂的频率相对非常接近，则（f₁-f₂）会产生低频率的差频信号，形成的低频信号拥有较强的穿透性，可以用来进行海底剖面探测，而且仍然可以保持高频时的波束角不变。

参量阵技术的非线性特性决定了参量阵浅地层剖面仪具有以下优点：

⑴在使用小体积换能器的情况下，产生高指向性的低频声波；

⑵在更广的频率范围内指向性基本保持不变，且无旁瓣效应，见图1；

图1  20cm×20cm参量阵声纳波束方向图（红色）示意图

⑶更短的脉宽发射声波；

⑷更高的脉冲频率；

⑸更高的空间分辨率与动态范围；

⑹更低的混响级别；

参量阵浅地层剖面仪发射的差频声波拥有极强的指向性，且旁瓣效应低，其在保障较强的穿透能力和分辨率的条件下，可以详细探测出海底较小目标物的结构状况。结合DGPS导航定位系统，可以准确对海底管线进行平面位置的确定，满足对管线的定位要求；利用声波反射信号的双程旅行时间以及声速可以准确计算出管线埋深深度，满足定深要求。

本文所用管线探测数据均由德国Innomar公司研发生产的SES-2000 Standard型参量阵浅地层剖面仪在实际工程项目中采集获取，设备的主要技术参数见表1。

表1 SES-2000 Standard参量阵浅地层剖面仪技术参数

参数	参数值
数据存储格式	SES/RAW格式
SBP主频频率	90～115 kHz
SBP低频频率	4,5,6,8,10,12,15 kHz(中央频率，可选)
SBP波束角	±4°
SBP工作水深范围	1～500m
SBP垂向分辨率	最小5cm
脉冲频率	最大50 Ping/秒

三、海底管线探测实例

不同地质环境的航道、港口海底管线探测需要调整不同的采集参数，必要时还需要配合其他辅助设备提升浅地层剖面数据质量。本节选取两个较为典型的海底管线探测案例，对施测过程中需要特别注意的技术问题进行分析。

⒈惠州某航道小直径海底电缆探测

本次勘测是为航道设计做前期勘测，利用SBP探测技术对航道规划区域进行路由调查，调查路由走向与埋深，最终达到开挖航道时可合理规避海底电缆的目的。从已有资料可知海底电缆位置位于惠州市澳头镇某近海海域，海底电缆为光电复合缆，海底电缆路由全长近10km，电缆直径大小为8.5cm。

图2  电缆实测浅剖图像

由于探测目标为8.5cm粗的电缆，考虑到电缆的声阻抗不一定比海底地层层界声阻抗大，且直径较小，因此在采用适宜当地地质环境的最佳采集参数组合的基础上，探测过程中也尽可能的保持船速缓慢且平稳，并加入高精度姿态补偿仪和高精度导航定位系统，以获取清晰的管线回波反射弧。探测得到的电缆剖面成果图见图2，在浅地层剖面图像中可以清晰的分辨出电缆的反射弧，管线埋深约为2m；结合多条垂直于电缆测线上的剖面图像，可定位出多个电缆探测点，各点连接起来可绘出海底电缆路由。图3是多波束扫测海底地形得到的为敷设海底电缆开挖的管沟走向图，根据浅剖资料探测出的多个海缆点位绘制出的路由走向图，经比较与多波束扫测的管沟走向图符合一致，也与设计线缆路由保持一致。

图3 多波束扫测的海底管沟走向示意图

结合SBP探测技术获取的海底电缆探测结果与原始电缆路由资料对比分析，管线走向理论上对航道开挖无影响，因此无需进行航道改道开挖的设计更改。

⒉舟山某海域百米水深管线探测

该管线路由位于外海海域，所处海域平均水深为80～100m，管线材质为钢铁材质，管道直径32cm。水深在百米深度附近，在保证换能器激发声波能达到海底的同时能穿透地层至埋深管线，并能接收到管道的反射信号，对于采集参数的调整是一个极大的考验。因此首先接入姿态仪进行实时涌浪数据校正，之后选取若干条测线进行试探性的探测，此过程不断调整增益、发射频率等参数，最终确定适合附近区域的采集参数，之后开始保持3～4节船速，沿垂直于管道路由布置的计划测线进行该测区的管线探测，进行数据记录存储。

图4 实测管线浅剖图像

从图4中可看出，在87m水深附近、埋深约半米的管道的反射信号较强，在浅剖图像中可明显看出管道回波信号形成的弧状反射模拟图像，利用后处理软件可精确的划定管线所在深度，结合DGPS导航定位系统可同时确定管线的平面位置。

四、判别管线影响因素分析与解决措施

⒈回转波影响与解决措施

对于管沟自然回淤均匀的埋深管线，SBP探测技术勘测效果非常明显；如果管沟自然回淤不均且管沟两侧沉积物过高，SBP探测常常会有回转波、绕射波的产生，在浅剖图像中这两种波会与管线的反射弧产生严重混淆，为管线反射弧的识别与管线定深带来极大困难。

⑴回转波成因

在深水中，利用SBP探测技术进行埋深管线探测，需要顾及SBP的穿透能力和分辨率。穿透能力与分辨率之间存在矛盾关系，浅地层剖面系统发射频率越低其穿透能力越大，分辨率越低。鉴于管线位置位于近百米深度，为了能得到管线的反射回波，浅地层剖面系统所发射震源声波必须有足够大的能量（即相对低的发射频率），此时分辨率就显得差强人意，同时管沟两侧堆积物过高且呈圆弧状，受这些不整齐凸起点反射波的影响，最终形成如图5中难以进行分辨的管线反射波的剖面图像。

图5 有管沟的87m水深处管线实测剖面图像

产生图5红色方框中反射波的主要原因是管沟两侧堆积的不整齐沉积物产生回转波。回转波实质上就是地层中凹界面上的反射波，由于回转波是在凹界面上形成的，即界面上的反射点坐标和时距曲线上的点坐标没有严格意义上的单一对应的关系。例如界面上某两个点的反射可能同时达到换能器接收阵列的同一个观测点，这是回转波与平界面反射波相比的特殊性。

⑵基于波路径的偏移处理

典型回转波示意图如图6（a）所示，凹状的管沟形成向上凸的抛物状反射弧，与管线的抛物状反射弧互相混淆，如果判断不出两个反射弧哪个是管线位置，管线定深工作就无法进行。

依据管沟凹界面上同相轴上回转波的产生机理和波的传播路径，可利用波的偏移进行回转波的偏移成像处理，滤除回转波恢复管沟真实的反射波，见图6（b）。结合回转波的定义以及图6即可合理解释管线的反射弧是图5红色框中87m界线下方的反射弧。

通过分析回转波形成机理与管沟回波信号，可合理准确的判定浅剖图像中管线反射弧所在位置。

图6  管沟地层图像偏移前后比对示意图

⑶基于信号分析的管道反射弧识别

管线物理性质与沉积物物理性质的差异性，造成管沟回转波的抛物状反射弧与管道的抛物状反射弧在声强上会有一个固定的差值，其声阻抗必然不是等值的。利用管沟沉积物与管道的这一差异，可进行二者反射弧所在道的数据提取，进行声信号分析鉴别二者在同相轴上的振幅差异性，振幅强的位置则是管道所在位置。

提取出管道反射弧弧顶与回转波弧顶所在道的声强数据并求其平均值，道堆积紧密时，可提取10～20个单道数据求其平均值。对图5中的管道反射弧进行10～20个单道声强数据提取求其平均值，形成样本与振幅对应的“样本—振幅”图像，见图7。

图7 管沟回转波与管道反射弧所在道集的样本-振幅图

根据公式4-1计算振幅强度跳变大的样本点所在深度，进行海底-回转波、回转波-管道弧顶的比较，进而确定出管线所在深度值。

  h＝H₀＋((H₁－H₀)×n/N)    ⑴

式中：h为某一样本对应的深度，H₀为深度起始值，H₁为深度变化范围值，n为第n个样本，N为该声强文件中总的样本数，此处N为480（提取出的管沟回转波与管道反射弧所在道的采样数为480）。

从图7可明显看出标记的两个样本处是振幅变化明显的深度位置，即声阻抗较大的位置。此处H₀为85m，(H₁－H₀)＝5m，根据式⑴可计算的道样本数为167处的深度为86.74m，样本209处的深度值为87.18m。考虑到管道材质为钢铁，其声阻抗相对沉积泥沙要大，所以可以确定管道深度所在位置为87.18m处，即在图5中两个反射弧中下方反射弧的才是管道的回波。

⒉经抛沙整治后难以分辨的管线剖面图像判别

⑴问题分析

根据SBP探测原理得知，进行海底管线探测需保证浅剖换能器垂直经过海底管线路由，因此布设计划线通常是垂直管道路由布设的，这样得到的剖面图像才能明确体现管线与周围地层反射的差别，容易进行管线的定位。

理论上讲，沿垂直管线路由的若干条测线探测后，可在每一条测线上都能辨别出一个海底管线的反射弧，连接所有测线上的管线反射弧所在点就可以得到管线路由。但是，一整条的管线路由通常是非常长的，有些位置为了保证通航安全且保证管道不受通航船只的损坏，通常需要进行抛沙治理，鉴于水声传播的特性，经抛沙治理过的管道附近地层环境受到侵扰，砂砾对于声学设备限制较大，因此在某些抛沙过多的位置无法准确的识别管道埋深。

⑵基于三维图像显示的管线位置综合识别

针对少数受抛沙治理造成的管线反射弧不能明显识别的问题，可采取对比左右（前后）测线上管线反射弧明显的图像进行分析，进而准确判别出抛沙治理处的管线位置。本文利用功能强大的交互式三维数据可视化系统，融合SES-2000 Stand型参量阵SBP的后处理软件ISE处理输出的SD文件，进行海底地层剖面的三维显示。

三维可视化必须有平面的坐标与深度信息作为标签轴，而SBP采集数据时频率高，且主要是单道采集模式，原始地层剖面数据中不能保证每一Ping都有对应的坐标信息，因此对原始数据进行坐标插值，对多段连续的管线探测文件拼接后进行三维显示，可得到图8所示的三维效果。

图8  裸露管线探测地层剖面三维显示示意图

三维显示的效果更能直观的看出管线路由的走向，从图像中可明显看出在A点（4229475.0，659850.0）附近剖面图像有明显的凸起抛物弧，该管弧在每一段地层剖面上均有出现，直至三维图像B点（4229325.0，660075.0）附近，如将两个坐标连接成线，即可确定出管线的路由，与设计路由相比较，则可以获得管道路由的偏差。同时在三维显示软件中可进行剖面图像不同位置的放大与缩小，方便结合前后测线上的地层剖面图像，对比分析与识别管线所在位置，使得资料解释说明性更强，可信度更高。

五、结论

本文通过参量阵浅地层剖面探测技术在港口、航道海底小直径埋深电缆探测和百米水深的埋深管道探测两个典型实例，探讨浅地层剖面图像中管线识别中存在的问题，得出以下结论：

⑴在加入高精度姿态补偿系统、选取合理参数的情况下，参量阵浅地层剖面仪可获取埋深2m、直径8.5cm海缆的高分辨剖面图像，也可获取百米水深埋深1m左右的32cm海管的高分辨剖面图像，体现出参量阵浅剖的指向性高、分辨率高的特性；

⑵本文提出的信号分析识别管道反射弧和三维图像综合识别海底裸露管线两种方法，应用在实际工程案例中解决了诸多海底管线浅剖图像判读的难题；

⑶对于一些复杂的海底悬空管线、裸露管线探测，可在参量阵浅地层剖面探测方法的基础上结合侧扫声纳探测、磁力探测、三维实时声呐等方法进行综合探测，以满足不同探测目的。

【作者简介】文章作者/胡梦涛 李太春 廖荣发 沙何峰 张慧莹，分别来自无锡红海勘测科技有限公司和江苏海洋大学测绘与海洋信息学院；第一作者胡梦涛，1992年出生，男，河南许昌，硕士研究生，主要从事海洋测绘研究；文章来自《海洋测绘》（2019年第5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，编发取得了作者授权，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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