廉成斌，李 軍,2，唐建華，陳 勇，張亞龍

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100192；2.武漢環(huán)達(dá)電子科技有限公司，湖北 武漢 430223；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引 言

由于海管、海纜運(yùn)行過(guò)程或鋪設(shè)過(guò)程中受到物理、化學(xué)、機(jī)械等因素的影響，管道可能會(huì)存在不同程度的腐蝕、損傷、變形、沖刷、偏移、懸跨等各種缺陷和現(xiàn)象。為了保證作業(yè)安全和防止海洋環(huán)境污染，需要定期對(duì)海管、海纜進(jìn)行路由勘察并評(píng)估其服役狀況，及時(shí)了解海底管道運(yùn)行中的實(shí)際情況，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的措施，保障管道安全、正常的運(yùn)行[1-2]。

1 現(xiàn)有海管外檢設(shè)備[2-4]

1）DGPS（差分 GPS）

主要用于導(dǎo)航，并將位置信息實(shí)時(shí)傳輸給導(dǎo)航電腦、側(cè)掃聲吶、單波束測(cè)深儀、淺地層剖面儀、多波束測(cè)深系統(tǒng)等勘察設(shè)備。

2）多波束測(cè)深儀

其原理是利用對(duì)各個(gè)波束測(cè)點(diǎn)的空間位置歸算，獲取在與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)，再通過(guò)聲學(xué)成像算法，獲取海底地貌特征數(shù)據(jù)，用不同色差的渲染來(lái)表達(dá)海底地形，從而得到路由區(qū)域三維地形、地貌以及水深信息。

海管在鋪設(shè)施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)海底地形地貌產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，對(duì)于海管的裸露部分或周圍擾動(dòng)區(qū)域就能比較清晰地在聲學(xué)成像圖中得以體現(xiàn)。

3）側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶與多波束測(cè)深儀的區(qū)別是實(shí)現(xiàn)波束空間的粗略定向，獲取的是海底目標(biāo)的相對(duì)回波強(qiáng)度信息，通過(guò)綜合了聲學(xué)、聲波轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)，以較高的聲學(xué)分辨率對(duì)海底地貌成像，反映海底地貌、探測(cè)目標(biāo)物的幾何特征等信息。

4）淺地層剖面儀

淺地層剖面儀通過(guò)換能器向水下鉛直發(fā)射大功率低頻脈沖的聲波，聲波在地層中傳播，根據(jù)不同地層反射的聲波反映出地層的剖面程度，以垂直縱向剖面圖形反映淺地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是探測(cè)記錄海底淺地層組織結(jié)構(gòu)，具有較好的分辨率，可執(zhí)行探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的任務(wù)。淺地層剖面儀生成的圖像可用于辨識(shí)淺部地層產(chǎn)狀、內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)，海底地質(zhì)斷層等，而且還能夠判斷如海底管道、光纜等與海床的埋深空間關(guān)系和位置等信息。

5）單波束側(cè)深儀

將超聲波換能器置于水面或一定位置，利用超聲波在水中的固定聲速V和超聲波發(fā)射到接收的時(shí)間T，儀器自動(dòng)算出水深H，常用于水文測(cè)量。

現(xiàn)有的路由、懸跨、形變、障礙物等外檢測(cè)步驟一般為：

1）將多波束測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶等聲學(xué)設(shè)備提前在岸邊安裝在拖船上，如圖1所示。

圖1 聲學(xué)載荷裝船示意圖Fig.1 Schematic illustration of acoustic loading

2）DGPS系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，并將初始位置信息發(fā)送至各測(cè)量?jī)x器，各測(cè)量?jī)x器進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)定；

3）拖船航行至測(cè)量水域，按照DGPS給出的定位/導(dǎo)航信息進(jìn)行航行，各測(cè)量?jī)x器以拖魚(yú)形式進(jìn)行掃海測(cè)量；

4）在掃海作業(yè)時(shí)，拖船應(yīng)密切觀測(cè)DGPS及避碰系統(tǒng)的信息，確保安全航行在任務(wù)航道；拖船值班人員還要對(duì)測(cè)量中發(fā)生的各種異常和變化，做好記錄（如換線、信號(hào)異常、風(fēng)浪變化等），以便在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行分析和修正；

5）掃海任務(wù)完成后下載各測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行拼圖及修正處理，得到各聲學(xué)成像圖，供技術(shù)人員分析。

綜上所述，可以總結(jié)出現(xiàn)有的外檢測(cè)方法的主要缺點(diǎn)如下：

1）設(shè)備繁多，步驟復(fù)雜。在外檢測(cè)勘查作業(yè)中，需要?jiǎng)佑靡凰彝洗⑿韬馁M(fèi)一定的工時(shí)安裝種類繁多的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備。這些儀器設(shè)備各有專長(zhǎng)，互為補(bǔ)充，但功能單一。只能勝任某一項(xiàng)外檢測(cè)內(nèi)容。為完成內(nèi)容較多的外檢測(cè)勘探任務(wù)，拖船需要往復(fù)航行多個(gè)航次。

2）限制條件多。從上述勘測(cè)步驟可以看出，側(cè)掃聲吶等多種聲學(xué)儀器是以“拖魚(yú)”的形式臨時(shí)安裝在拖船上的?！巴萧~(yú)”與拖船之間以“拖繩”進(jìn)行軟性連接。由于拖繩的限制使得這種外檢測(cè)方式在執(zhí)行100 m以上水深海管外檢測(cè)任務(wù)時(shí)，易受到海況較差、航道擁堵等外部因素的影響，作業(yè)窗口期較窄。

3）精度差。聲學(xué)傳感器工作時(shí)，要求搭載的拖魚(yú)“三軸”高精度穩(wěn)定，以保證聲學(xué)成像設(shè)備能夠得“拍攝到”高清聲學(xué)“照片”，為后續(xù)技術(shù)人員的讀圖分析打下基礎(chǔ)。而拖船以“軟繩”拖曳拖魚(yú)這種工作方式必然會(huì)造成在較高海況或受到外界因素干擾的情況下拖魚(yú)“三軸姿態(tài)失穩(wěn)”，這不利于聲學(xué)設(shè)備的高清成像。

4）自動(dòng)化程度低，檢測(cè)成本高?，F(xiàn)有的勘測(cè)作業(yè)需要拖船上大量人員從事導(dǎo)航、控制、船舶駕駛、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、海情海況觀察、聲學(xué)設(shè)備布放回收等工作，自動(dòng)化程度低，耗費(fèi)大量人工工時(shí)?，F(xiàn)有各傳感器功能單一、精度差，往往需要航行多個(gè)任務(wù)航次才能得到相對(duì)理想的勘測(cè)結(jié)果，成本高昂。

2 AUV執(zhí)行海管外檢特點(diǎn)分析

為了滿足日益增加的海管外檢測(cè)需求。國(guó)外海洋石油公司加快了研發(fā)新一代無(wú)人水下航行器的研發(fā)工作，國(guó)外已經(jīng)有幾型產(chǎn)品服務(wù)于海管外檢市場(chǎng)。這種可搭載多種聲、光載荷可自主執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)的AUV較傳統(tǒng)的“拖魚(yú)”掃海形式具有以下的優(yōu)勢(shì)：

1）模塊化設(shè)計(jì)，可裝配多類聲學(xué)傳感器。典型的AUV為模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)換裝搭載不同聲學(xué)載荷的功能艙段，可完成不同的勘測(cè)任務(wù)。搭載的“中低頻合成孔徑聲吶”等聲學(xué)載荷可對(duì)裸露/淺掩埋的海管進(jìn)行比較高清的聲學(xué)成像，搭載的“高頻合成孔徑聲吶”可對(duì)裸露海管進(jìn)行高清成像，以判別彎折、形變、路由走向、裸露或掩埋情況、懸跨、異物等故障現(xiàn)象；搭載的“多波束測(cè)深儀”可勘測(cè)海管附近地形、地貌及水深；CTD可收集海域的水文數(shù)據(jù)，為海管的日常維護(hù)及海管鋪設(shè)提供水文資料參考；“水下高清攝像機(jī)”可提供水下高清視頻/圖片資料；“低頻三維成像聲納”具有較強(qiáng)穿透能力，可探測(cè)深埋海管埋深及海底地質(zhì)。

2）自動(dòng)化程度高，航行姿態(tài)穩(wěn)定，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)。AUV由吊機(jī)等設(shè)備吊放至水面后，可自行按照預(yù)置航路信息進(jìn)行航行并自動(dòng)開(kāi)啟搭載的聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行勘測(cè)作業(yè)。在航行過(guò)程中，AUV通過(guò)水聲通信向岸上或支援船發(fā)送狀態(tài)信息，勘測(cè)作業(yè)完成后，AUV自動(dòng)上浮并通過(guò)無(wú)線電通信發(fā)送位置信息，回收人員回收。AUV具有高精度三軸姿態(tài)穩(wěn)定航行控制能力，并可為各類傳感器提供速度、位置、姿態(tài)、航深、水文等多類信息，以便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，是多類高精度聲學(xué)傳感器的最理想載體；國(guó)外典型海管外檢用AUV航深可達(dá)500-1 000 m，可滿足大部分區(qū)域的海管外檢需求。AUV裝備有可充電的二次鋰電池，可以連續(xù)航行數(shù)十小時(shí)，上浮后可快速換裝電池，具有較好的大深度連續(xù)工作能力。

3）成本及人員風(fēng)險(xiǎn)低。AUV由于自動(dòng)化程度高且無(wú)人航行，使得在勘測(cè)作業(yè)中人員需求少。由于其無(wú)人自主航行的特點(diǎn)，最多僅需一艘保障船搭載相關(guān)設(shè)備接收水聲信號(hào)以監(jiān)測(cè)AUV工作狀態(tài)。該船僅需部署在AUV水聲通信距離范圍內(nèi)，與現(xiàn)有拖船在勘測(cè)過(guò)程中全程拖曳“拖魚(yú)”這種傳統(tǒng)外檢測(cè)形式相比，無(wú)疑大大減少成本及人員以外風(fēng)險(xiǎn)。

3 典型地質(zhì)聲學(xué)圖像特征

AUV利用搭載的合成孔徑聲吶等聲學(xué)載荷完成對(duì)目標(biāo)海域的探測(cè)掃描，可以得到以下典型地質(zhì)（目標(biāo)）的聲學(xué)圖像特征。搭載合成孔徑聲吶的AUV如圖2所示。

圖2 搭載合成孔徑聲吶的AUV外形Fig.2 Shape of AUV

1）水底地形地貌

合成孔徑聲吶是一種新型高分辨率的水下成像聲納，基本原理是利用小孔徑基陣隨AUV平臺(tái)在方位向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，發(fā)射聲波并接受回波，對(duì)合成虛擬大孔徑內(nèi)的聲學(xué)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)域的高分辨率成像，其優(yōu)點(diǎn)是分辨率與工作頻率和距離無(wú)關(guān)[5]。水底由于物理性質(zhì)的差異，在受到洋流等影響下，產(chǎn)生條（帶）狀、月牙形等斑塊狀。凸出的條（帶）狀、巖石等硬質(zhì)底質(zhì)能夠反射回較多的聲學(xué)回波，因此在聲學(xué)成像圖中顯示成高亮。而凹陷的區(qū)域由于反射回較少的聲學(xué)回波則顯示成較暗的圖像。圖3為在試驗(yàn)湖底的地形地貌特征，可以看到高亮呈現(xiàn)的帶狀凸起、巖石底質(zhì)和較暗的凹陷區(qū)域。

圖3 水底地形地貌聲學(xué)成像圖Fig.3 Acoustic imaging of underwater topography

2）水底異物

和成孔徑聲吶可以得到清晰的水底異物的聲學(xué)成像圖，通過(guò)圖像處理可以得到異物的幾何尺寸，方便工程人員進(jìn)行辨別。圖4為預(yù)先布放在湖底的受測(cè)目標(biāo)，圖5為該目標(biāo)的聲學(xué)成像圖。

圖4 受測(cè)目標(biāo)實(shí)物Fig.4 Objects of target

圖5 受測(cè)目標(biāo)聲學(xué)成像圖Fig.5 Acoustic imaging of target

3）掩埋物體

對(duì)于水下埋深1 m以內(nèi)的物體，利用AUV搭載的中低頻合成孔徑聲吶也可獲得較清晰的聲學(xué)成像圖，可用于淺掩埋的海管外檢測(cè)任務(wù)。圖6為埋深1 m鋼管的聲學(xué)成像圖。

圖6 掩埋鋼管的聲學(xué)成像圖Fig.6 Acoustic imaging of buried steel tubes

4 結(jié) 語(yǔ)

利用模塊化設(shè)計(jì)的AUV可以搭載不同的聲學(xué)載荷執(zhí)行海管外檢測(cè)任務(wù)：利用和成孔徑聲吶可以獲得水底目標(biāo)清晰的聲學(xué)成像圖，通過(guò)讀圖可以確定目標(biāo)的性質(zhì)、尺寸、位置及周圍的地形地貌的變化；利用多波束測(cè)深儀可以獲得精確的水深變化。此外AUV還具有使用成本低、適用范圍廣、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，可以大大提高海管外檢測(cè)的工程質(zhì)量。