侧扫声纳深拖定位在陆丰油田海底管线调查中的应用.pdf

侧扫声纳深拖定位在陆丰油田海底管线调查中的应用侧扫声纳深拖定位在陆丰油田海底管线调查中的应用 马深马深 天津水运工程勘察设计院天津水运工程勘察设计院 天津天津 300456300456 摘要 摘要 侧扫声纳是海底地貌调查的常用手段 本文以陆丰油田海底输油管线调查 为例 阐述了侧扫声纳在深拖情况下如何实现拖鱼定位和海底目标物的定位 以 及如何进行声纳图像的处理和解释 关键词 陆丰油田 侧扫声纳 超短基线 卡尔曼滤波 图像解释 中图分类号 O434 文献标识码 A 1 概述 陆丰 13 2 油田位于珠江口盆地陆丰 08 区块西端 距香港东南约 210 公里 距在产油田陆丰 13 1 西北方向约 12 公里 所在海域水深约 132 米 陆丰 13 2 油田的主要开发设施包括一座井口平台 一条长约 12 公里的海底输油管线及电 缆 该油田所产原油将通过海底管线输送到陆丰 13 1 油田进行处理 本次调查作业主要针对海底输油管道 调查管道的裸露和悬空情况 由于作 业区水深较深 所以侧扫声纳拖鱼释放的缆绳长度约 270m 保证拖鱼尽量接近 海底 提高海底地貌地物的分辨率 为了保证地物的定位精度 采取超短基线水 下定位的方式对拖鱼进行定位 2 侧扫声纳调查作业 本次侧扫声纳采用美国 Benthos 公司的 SIS1624 声纳系统 是在 Benthos 公 司的 1500 型声纳系统基础上发展的新一代扫海设备 是一种集高科技与传统型 相结合的扫测手段 在调查作业时 声纳发出信号遇到海底然后返回到声纳中 返回的声波转换成电能 并通过电缆向上传输到海面上的记录显示单元内 由于 返回的时间不同 也就是传输的距离不同 显示的灰度不同 每一条扫描线一条 靠着一条有序的排列起来形成一幅记录图像 这样就可以看到海底的任何特征和 位于海底面的目标 侧扫声纳的几何关系是资料判读解释的关键 图 1 所示即为 侧扫声纳的几何关系 图 1 声纳调查示意图 图中 A 为拖鱼入水深度 B 为拖鱼到海底的高度 C 为拖鱼到目标物的斜 距 D 为声图阴影区的长度 E 为目标物的高度 根据相似三角形的原理 就可 以计算出目标物的高度 1 本次调查侧扫声纳高频与低频扫宽量程均为 150m 航速保持在 3 4 节 测 量过程中海况较好 没有涌浪影响 海底声学图像资料清晰 3 拖鱼定位 由于作业区域水深较深 为了得到更清晰的海底地貌图像 必须尽可能的让 侧扫声纳拖鱼接近海底 为了确定水下目标物的具体位置 首先要知道侧扫声纳 拖鱼的位置 即拖鱼定位 侧扫声纳拖鱼的定位是一个传统难题 由于拖鱼悬于水下 特别是在深水探 测时 拖鱼的定位精度就成为一个重要问题 传统的定位方法是将 GPS 天线固 定在测量船上 通过确定拖鱼与测量船之间的位置关系来确定拖鱼的位置 其基 本原理是 近似认为拖鱼深度 钢缆长度 拖鱼和离船之间的距离三者之间呈直 角三角形 通过这种三角关系来确定拖鱼距离测船上 GPS 天线的相对位置 这 种方法在水深较浅 钢缆较短时比较精确 但在水深较大的区域 精度就会严重 下降 这是因为钢缆在水下并非直线 其姿态会受到流速 流向和船速等诸多因 素的影响而弯曲变形 2 目前超短基线系统已经在水下定位领域广泛应用 本次侧扫声纳拖鱼定位即 采用超短基线进行 超短基线换能器采用舷侧的方式安装在船舶左舷 换能器入 水深度超过船底约 1 8m 超短基线的信标安装在侧扫声纳拖鱼连接的电缆上 基本位于拖鱼中部 GPS 安装在驾驶室顶部 精确量取了 GPS 天线与超短基线 换能器的三维坐标偏移 电罗经安装在驾驶室 在码头已经完成校准工作 姿态 传感器安装在超短基线换能器探杆附近 水下定位作业过程中 难免会存在各种误差和噪声干扰 导致超短基线水下 定位数据会出现信号不稳定和数据中断的情况 如果直接输出给侧扫声纳 会导 致声纳定位数据的缺失 因此在实际外业测量时 根据声纳缆绳长度 GPS 天线 偏移以及船速等信息 模拟一个数据作为侧扫声纳定位源 即采用传统定位方法 为拖鱼进行定位 在数据后处理中 根据平滑后的超短基线定位数据 对侧扫声 纳探测的海底地物点进行坐标标定 超短基线系统在定位前要进行动态校准 实际调查作业中船速不宜过快 应 保持在 3 5 节 4 超短基线校准 到达工区后 实测声速剖面 并将一个信标放置在海底 超短基线校准采用 井字线的校准方法 如图 2 所示 考虑到风波流的影响 本次试验测量船的计划 线布设成井字形 井字形内切圆半径为 100m 总计 4 条计划线 井字形的计划 线同样是闭合线段 分布在信标的四个方向上 这样就可以最大程度的抵消 Pitch 和 Roll对定位精度的影响 将信标下坠重物安置的海底 测量船以 2 节的速度 沿计划线运行 每条计划线沿相反方向测量两次 总共得到 8 条测线 图 2 超短基线校准方法 以安置在海底的信标为中心 布设 4 条交叉线 信标到每条线的垂直距离是 100m 每条线沿不同方向跑两边 如图 2 中箭头所示 校准作业结束后 采用 超短基线设备自带的商业软件计算校准结果 得到如图 3 所示的结果 将 Pitch Roll 和 Heading 的校正值输入到超短基线控制软件中 这样就可以进行水下定位 作业 图 3 超短基线校准结果 5 声纳拖鱼航迹平滑 如前所述 由于受到水下信号不稳定影响 直接将超短基线信标位置传输到 侧扫声纳软件中作为定位源数据 会出现定位数据的缺失 这样声纳图像后处理 时就会造成地物位置不准确 因此声纳图像解释前需要对拖鱼的航迹进行平滑处 理 超短基线信标安装在拖鱼的拖缆上 基本位于拖鱼中前部 这样信标的位置 即为拖鱼的位置 测量过程中船舶匀速运行 这样信标的位置也应是均匀变化 但实际情况是信标位置跳变偶然性较大 而每一时刻的位置具有唯一性 这样就 可以对其进行卡尔曼滤波 卡尔曼滤波是一种最优化自回归数据处理算法 它通过不断预测 修正递推 过程 提供了一种最优估计值 3 按照滤波算法 采用定常速度模型 编写了适 用于超短基线定位数据的卡尔曼滤波程序 对拖鱼航迹进行了平滑 如图 4 所示 航迹平滑后 按照线性内插方法 对其进行了内插 以满足图像处理和解释的要 求 图 4 卡尔曼滤波对拖鱼轨迹的平滑 6 声纳图像解释 侧扫声纳图像要进行声速改正 海底跟踪和斜距改正等处理 才能进行回放 处理和图像解释 由于图像中的地理坐标为导航软件输入的模拟拖鱼位置 在海 底地物位置摘取时不能直接应用 目标地物出现后 记录其出现的时间 船舶艏 向和舷侧偏距 根据时间 可以从超短基线定位数据中获得拖鱼的地理坐标 再 结合船舶此刻的艏向和目标至船舶的距离 按照三角函数的原理 就可以计算出 目标物体的地理坐标 通过本次侧扫声纳调查 发现输油管线裸露较多 达到 7963m 并确定了管 线裸露处的坐标 为下一步的治理方案提供的基础资料 参考文献 1 周兴华 姜小俊 史永忠 侧扫声纳和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检