韓天培 王鵬飛

摘 ? 要：本文以海洋多波束測深技術(shù)在海底管道探測中的應(yīng)用為研究對象，首先分析了多波束測深系統(tǒng)及其校準(zhǔn)方法，進而探討了其在渤海地區(qū)海底輸油管道探測中的應(yīng)用思路，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：多波束測深技術(shù) ?管道探測 ?校正

中圖分類號：P631 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0038-02

多波束測深系統(tǒng)通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，在與航向垂直的垂面內(nèi)形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，能精確、快速地測出沿航線一定寬度條帶內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，從而精確可靠地描繪出海底地形地貌的精細(xì)特征。

采用多波束測深儀對海底管道路由區(qū)進行水深測量，水深數(shù)據(jù)是分析海底管道沉降變化的基本信息之一，也是分析路由區(qū)地形沖刷變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過技術(shù)處理，可以直觀看到海底管線彎曲走向、狀態(tài)、管線拋沙維護以及插樁擾動等信息，科學(xué)準(zhǔn)確地為海底管道維護提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 ?多波束測量系統(tǒng)及其校準(zhǔn)

完整的多波束系統(tǒng)除了具有復(fù)雜的多陣列發(fā)射接收換能器和用于信號控制、處理的電子柜外，還需要高精度的運動傳感器、定位系統(tǒng)、聲速剖面儀和計算機軟、硬件及其顯示輸出設(shè)備。典型多波束系統(tǒng)應(yīng)包括 3 個子系統(tǒng)： （1）多波束聲學(xué)子系統(tǒng)，包括多波束發(fā)射接收換能器陣和多波束信號控制處理電子柜。（2）波束空間位置傳感器子系統(tǒng)，包括電羅經(jīng)等運動傳感器、DGPS 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)和 SVP 聲速剖面儀。運動傳感器將船只測量時的搖擺等姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給多波束信號處理系統(tǒng)，進行誤差補償。衛(wèi)星定位系統(tǒng)為多波束系統(tǒng)提供精確的位置信息。聲速剖面儀為準(zhǔn)確計算水深提供精確的現(xiàn)場水中聲速剖面數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)采集、處理子系統(tǒng)，包括多波束實時采集、后處理計算機及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲存設(shè)備。

多波束換能器陣在安裝時應(yīng)嚴(yán)格垂直，如果發(fā)生橫向偏移，縱向俯仰或者左右旋轉(zhuǎn)，會使同一位置在不同航向測量時造成測量誤差，所以在多波束系統(tǒng)安裝后應(yīng)進行橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）和航向（Yawing）校正。

1.1 橫搖偏差校正

橫搖（Roll）校正和航向（Yawing）校正應(yīng)選擇在海底平坦區(qū)，確定一條較短的試驗測線往返測量。選擇符合要求（主要是航跡較直、重復(fù)性好）的記錄經(jīng)后處理進行對比，確定橫搖校正參數(shù)。

1.2 縱搖偏差校正

縱搖（Pitch）校正應(yīng)選擇在一個斜坡上進行，試驗測線垂直斜坡布設(shè)，往返測量。選擇符合要求的記錄經(jīng)后處理進行對比，確定縱搖校正參數(shù)。

1.3 電羅經(jīng)偏差校正

電羅經(jīng)安裝后應(yīng)進行電羅經(jīng)指向與船首向的一致性校正。因多波束測深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波及接收陣的排列是與船首向垂直的，如果電羅經(jīng)與船首向不一致，將影響換能器陣的發(fā)射、接收角度，導(dǎo)致覆蓋寬度減少。電羅經(jīng)校正應(yīng)在船只靠泊碼頭或船塢上進行，精確測定船首向與電羅經(jīng)進行對比，確定電羅經(jīng)的校正值。

1.4 導(dǎo)航延遲校正

導(dǎo)航延遲與船只航行速度有關(guān)，它引起測點位置沿航跡方向的前后位移。因此，進行導(dǎo)航延遲校正的合適目標(biāo)是突起巖石、疏浚海穴、管道線、尖角等。以相同的測線來回穿過目標(biāo)幾次，選擇最高的可能船速（要求船速不變），以減小電羅經(jīng)和縱搖偏差效應(yīng)。測量結(jié)束后，疊加2個方向的所有測線，標(biāo)出2個不同方向測線測得的目標(biāo)。如果多波束系統(tǒng)存在導(dǎo)航延遲，則兩個方向測線測得的同一目標(biāo)是分離，確定延遲值。

2 ?多波束測深在海底管道探測中的應(yīng)用

通過先進多波束測深調(diào)查手段來檢測海底管線運行狀態(tài)，評估風(fēng)險，勢在必行。2018年5月，在某油田海區(qū)進行了多波束勘測，希望通過測量，準(zhǔn)確地確定海底管道的位置及狀態(tài)，為以后海油安全運輸?shù)裙ぷ魈峁┛煽康幕A(chǔ)資料。

2.1 測線布設(shè)

因多波束屬于全覆蓋測量，與單波束相比可以有效地提高測量效率。在進行海底管道探測時，單波束測線一般沿著垂直管道的方向布設(shè)，測線的間距通常為20～100m，測線數(shù)量巨大。如在勝利油田某管線探測過程中，就以基本間距20m布設(shè)單波束測線，工作量很大。多波束測線只需要沿管線兩側(cè)一定距離平行布設(shè)兩條測線。有時甚至是沿管道路由布設(shè)一條測線就足夠了，這樣就大大提高了測量效率，而且完全滿足要求。

2.2 聲速控制

聲速剖面導(dǎo)致的聲傳播路徑的彎曲，如圖1所示，由于聲速隨深度的改變，多波束換能器發(fā)射的聲束將不會按原定角度以直線路徑傳播，而是走一條曲線。這在多波束測深系統(tǒng)聲速校正時已作校正。產(chǎn)生了設(shè)計覆蓋區(qū)與實際覆蓋區(qū)的差別，容易造成漏測。因此在測線設(shè)計前應(yīng)收集測區(qū)的聲速資料，大致計算由于聲傳播路徑的彎曲導(dǎo)致的覆蓋范圍的改變，提供設(shè)計測線時參考。

2.3 多波束施測及成果分析

傳統(tǒng)的海上油田調(diào)查一般使用單波束測深儀靠近平臺測量，測量過程中受平臺及井架的遮擋，GPS 定位精度大大降低，甚至不能定位。另外平臺樁柱附近的水深及平臺下方的水深很難測到，而且靠近平臺測量很不安全，但利用多波束系統(tǒng)寬覆蓋、高分辨率的特點對油田進行調(diào)查，在距離平臺一定范圍就可以準(zhǔn)確測出平臺的位置以及平臺下方和周圍的地形，再通過對多波束數(shù)據(jù)的精細(xì)處理，可以確定管道的位置和掩埋狀態(tài)。圖2是利用多波束系統(tǒng)在海上油田采油平臺調(diào)查中測繪的地形圖，該圖清晰地顯示了平臺周圍及平臺下方的地形特征、管道走向及狀態(tài)，并且可以明顯看出平臺樁柱的位置以及平臺安置后形成的地形擾動。

多波束測深系統(tǒng)不僅為我們提供水深地形數(shù)據(jù)，而且還能提供聲照射區(qū)的反向影像圖。多波束海底聲像圖的形成及應(yīng)用研究，通過數(shù)據(jù)處理和圖像鑲嵌，輸出類似側(cè)掃聲吶的海底聲像圖，懸空和裸露段的多波束海底聲像圖和聲吶影像互相鑲嵌拼接，能夠立體反映出整條海底管道的懸空、裸露及埋藏狀況，對已經(jīng)出現(xiàn)懸空和出露的管道及時提出風(fēng)險預(yù)警和解決方案，避免事故發(fā)生，降低了風(fēng)險，為安全采油和海洋環(huán)境保護提供了科學(xué)保障。

3 ?結(jié)語

因多波束的波束角的存在，對管道的探測能力會隨著水深的增加而線性降低，解決水深因素限制的方法之一就是使測量系統(tǒng)盡量貼近海底，如將多波束系統(tǒng)安裝在 ROV 中施測。多波束測深技術(shù)是通過測量管道與海底面的相對高差來檢測海底管道掩埋狀況的，對尚未完全掩埋的海底管道，可以使用多波束測深技術(shù)確定管線位置和掩埋狀況，對完全掩飾埋的海底管道無效。全面分析海底管道的狀況，要配合淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等物探設(shè)備進行綜合檢測，才能獲得較好的效果。

隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，淺水多波束系統(tǒng)在海洋工程項目中的應(yīng)用會越來越廣泛。目前的實踐主要是多波束系統(tǒng)在海底地形上的應(yīng)用，多波束測量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地得出某點的水深，精確得到海底管道的高度和位置，具有高效、直觀和高分辨率等特點，通過 DTM 網(wǎng)格插值可以獲得較為直觀的彩色暈渲圖。這些技術(shù)在我國還有深入研究和普遍應(yīng)用的空間，隨著多波束技術(shù)更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，它在海底管道探測中所占的地位會越來越明顯。

參考文獻

[1] 馮永贊.多波束測深系統(tǒng)在湛江港航道疏浚工程中應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（3）：125-126.

[2] 趙陽，崔志偉.多波束測深系統(tǒng)在天津港航道疏浚工程中應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（8）.

[3] 鄒獻華，周興華，嚴(yán)新生，等.GPS在水利工程施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟，2006（5）：328-330.

[4] 陳學(xué)輝.水下測量GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（4）：38-39.

[5] 邵士林.譜寫航道疏浚事業(yè)新篇章[J].中國水運，1998（12）.

[6] 本刊編輯部.第一次全國水利普查數(shù)據(jù)處理試點培訓(xùn)班在南京舉行[J].水利信息化，2010（3）.

[7] 胡大根，楊世坤，馮雪輝.積極發(fā)展江西水上運力[J].中國水運，2005（10）：26-27.

[8] 張濤.航道疏浚工程造價管理的現(xiàn)狀及措施研究[J].品牌（理論月刊），2010（12）.