侧扫声纳在海底管道悬空调查中的应用魏荣灏，陈铁鑫，郭晨(浙江省河海测绘院，浙江杭州310008)摘要:海底管道在铺设及运营过程中，受各种因素的影响，会形成部分悬空状态。为保证油管的安全运营，研究了一种基于声学的快速检测方法:主要利用侧扫声纳获取油管附近声学影像，通过数据判读的方法分析并获取管线状态。然后使用该方法，在册镇海底管线调查中进行了应用测试。声学检测结论与水下探摸结果进行比较，测试结果表明该方法可高效、快速、准确并低成本地检测管线状态，可为海底管道运营与治理提供有力的技术支持。关键词:侧扫声纳;数据处理;管道悬空;水下探摸中图分类号:P237文献标志码:B文章编号:1671-3044(2014)02-0063-031引言随着海洋经济的迅猛发展，人类铺设了越来越多的海底管道。海底管道在铺设及运营的过程中，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，从而形成管线悬空的状态。如果任其发展，管线悬空跨度在超过设计指标后可能导致管线断裂，造成巨大的经济损失与环境污染。因此，必须定期对海底管线进行状态检测。若采用潜水员探摸的传统方式进行检测，不但作业周期长、费用高，且作业时间受水文气象等因素的影响比较大，在较深海域也难以开展此项工作。因此，寻找一种海底管线悬空状态的快速检测方法是很有必要的，而采用侧扫声纳进行悬空点检测与悬空后跨度判断可望解决该问题。侧扫声纳系统作为一种现代声纳系统［1］，综合了声学、声波转换技术、数字信号处理技术、导航定位技术和计算机技术等技术，可对海底地貌成像，其图像能反映海底地貌的几何特征等信息，定位精度、量测精度、空间分辨率和图像质量相对于传统声纳系统有了大幅的提高，在海洋测绘、海洋地质勘探、海底沉积物探测、海洋制图及海洋工程等领域都已有广泛的应用［2～4］，近年来众多学者也对其在海底路由管线悬空状态检测的应用研究［5～8］。本文首先介绍了侧扫声纳的工作原理，然后简述其数据处理方法，最后对册子岛—镇海海底管道(以下简称“册镇管道”)某处数据进行分析，获取其悬空点及悬空跨度，并利用潜水员进行水下探摸，验证侧扫声纳在海底管道悬空调查中的有效性与准确性。2工作原理2.1侧扫声纳工作原理侧扫声纳系统是主动式声纳系统，主要由水下拖鱼和甲板处理单元组成，其载波为声波，具有水平波束角窄、垂直波束角宽的特征。水下拖鱼主要包括左、右舷换能器阵列和姿态控制器。甲板处理单元主要包括发射—接收器、控制处理器、显示设备及导航系统等。侧扫换能器阵工作时，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面方式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波(也称为回波)会按照原传播路径返回换能器并被接收，经换能器转换成一系列电脉冲。利用甲板处理单元对电脉冲进行处理，最后变成数字量，并显示在显示器的一横线上，每一点显示的位置和回波到达的时刻对应，每一点的亮度和回波幅度相关。将每一发射周期的接收数据连续纵向排列并显示，就构成了二位海底地貌声图。声图平面和海底平面构成逐点映射关系，声图的亮度包含了海底的特征。2.2目标物高度计算侧扫声纳系统利用发射和接收声波信号得到海收稿日期:2013-07-10;修回日期:2013-12-31基金项目:浙江省科技厅科技条件建设计划(2013F10034)。作者简介:魏荣灏(1982-)，男，广东揭阳人，工程师，主要从事海洋物理探测和海洋测绘研究。图1侧扫声纳的几何关系图64海洋测绘第34卷底成像，有一定高度的海底障碍物在侧扫声纳资料上能产生“阴影”，通过“阴影”长度计算海底目标物的实际高度［9］。如图1所示，a为拖鱼深度，b为拖鱼到海底的高度，c为拖鱼到目标物的斜距，d为声图阴影区长度，h为目标物的高度，通过几何关系，可得下式:据及打标信息，结合拖鱼姿态，顾及船速变化、波束角等产生的几何变形后，计算声纳图像每一像素的实际坐标。对于裸露在海床上的管线，需要进行人工判读，从图像上量取所需参数，结合管线信息，对管线的状态进行判别，如裸露、单双侧冲刷或者悬空等。当管线悬空时，计算出管线的悬空高度及悬空hd跨度。必要时可结合其他数据成果判别海底管线的b=c...