侧扫声纳和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检测中的应用.docx

1、第27卷第4期2007年7月Vol.27,No.4JuL,2007海洋测绘HYDROGRAPHICSURVEYINGANDCHARTING侧扫声纳和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检测中的应用周兴华，姜小俊，史永忠(浙江省水利河口研究院，浙江杭州310008)摘要：首先介绍了杭州湾油管检测工程概况，引出了海底油管检测的必要性。其次，介绍了该工程中运用的两种重要仪器侧扫声纳和浅地层剖面仪的原理及影响因素。最后，通过两种仪器的数据分析、图像判读,提出了综合利用两种仪器可增强两种数据的互补性并提高工程质量、关键词：侧扫声纳;浅地层剖面仪;数据处理;图像判读中图分类号：P229.1文献标识码：B文章编号：

2、1671-3044(2007)04-0064-041引言杭州湾的三条海底管线,北起平湖白沙湾南至慈溪半掘浦闸，已于2004年底前相继完成铺设并投入运行。由于该输油管线绝大部分铺设在海床表面，而管线所在的海域水流急，潮流的季节性变化大，管线所在的海床冲淤幅度较为剧烈。一旦管线因为海床冲刷而引起悬空发生断裂，必然会造成输油的中断，影响甬一沪、宁石化企业的生产，造成重大经济损失。从已有的管线断裂修复情况来看，困难较大，费用惊人；另一方面造成严重的环境污染，影响钱塘江两岸居民的日常生活。因此对管线进行定期检测，确保输油管线的安全运行就显得非常重要。而检测内容主要包括管线的平面位置和管线埋深状态。可能造

3、成路由管线发生断裂事故的原因主要有两种情况：(1) 路由管线的悬空跨度过长，管线中输送的原油由于重力作用对管线的压力超过了管线所能承受的极限,从而发生路由管线的断裂；(2) 由于特殊地质条件，某段路由管线发生大幅度下沉，原油和路由管线上覆盖泥沙的重力对管线的压力超过了管线所能承受的极限，从而发生路由管线的断裂。造成海底路由管线断裂的通常是第一种情况，因此本文的讨论也是针对上文的第一种情况而言的。2工作原理2.1侧扫声纳的工作原理本次侧扫采用美国Benthos公司的SIS1624声纳侧扫系统，是在Benthos公司的1500型声纳侧扫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

4、扫测手段。侧扫声纳的原理：声纳发出信号遇到海底然后返回到声纳中，返回的声波由声能转换成电能，并且通过电缆向上传送到海面上的记录显示单元内，由于返回的时间不同，也就是传送的距离也不同，并且返回时间的不同，显示的灰度不同。每一条扫描线一条靠着一条有中地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人们对侧扫记录判读解释的关键。如图1就是侧扫声纳的几何关系。A为拖鱼深度;8为拖鱼到海底的高度；C为拖鱼到目标物的斜距;。为声图阴影区长度;/为目标物的高度。根据相似三角形原理:音=鑫，由此可以计算出目标物的高度。2.2浅地层剖面仪的工作原理本次使用的浅地层

5、剖面仪是Edgetech3200浅收稿日期：2006-12-14；修回日期：2007-03-03作者简介：周兴华(1980-),男，浙江临安人，硕士，主要从事海上探测和海上地形测髭应用研究。剖系统，搭配的拖鱼是216s,频率216kHz,应用全频脉冲处理技术使得到的图像比带宽有限的普通声纳产生的图像信噪比有极大的提高。海底浅地层剖面仪工作方式与测深仪相似,工作频率较低,测深仪只能测量换能器到海底的水深，而浅地层剖面仪不仅能测量换能器到海底的水深，还能探测换能器垂直下方的海底一定深度，反映海底地层分层情况和各层底质的特征。浅地层剖面仪的换能器按一定时间间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲穿过海水触及海

6、底以后,部分声能反射返回换能器;另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传播的声能逐渐损失，直到声波能量损失耗尽为止。测量地层厚度，实际是测量声波穿透地层传播的时间，如表示地层上下两个界面之间的时间差，即声波往返两次穿过该地层上下两个界面的时间，。表示该地层的声速,这样就可按下式算出该地层厚度：w=l/2cAT式中,w为地层厚度（m）；c为地层声速（m/s）；AT为声波往返两次穿过地层的时间（s）°地层声速随着不同的沉积物存在不同的声速，声波的海底反射能量大小由反射系数（R）决定，反射系数R为：R=入射脉冲振幅=P2岭反射脉冲振幅-P2V2匕分别表示一、二层介质的密度和

7、声速，由上式可知要得到声强反射，介质必须有大的密度和大的声速差，如相邻两层有一定的密度和声速差，其两层的相邻界面就会有较强的声强，在剖面仪终端显示器上会反映灰度较强的剖面的界面线。3影响侧扫声纳声图和浅地层剖面仪精度的因素3.1影响侧扫声纳生图的因素在声纳图谱上，一类是我们所希望得到的信号，另一类是我们所不想得到的信号:前者指从日标和海底的反向散射回来的信号，后者则为噪声（包括电气噪声和声学噪声）和混响。为了能在记录上把这两类信号区分开来，“好”信息应比“坏”信号强。一般地说，噪声电平都较恒定，而回波信号和混响则随声纳距离的增大而减弱，但是混响减弱的速度比回波信号慢，因为在扩散的波束中含有更多

8、的散射体。系统电气噪声可以通过元器件的仔细设计和屏蔽而减小到最低限度。在某一距离上，目标回波信号将减小到背景噪声声源级以下，这意味着，回波信号无法在记录图上被检测出来。在这里，我们举例说明在声纳图像中的遇到的几个典型的影响因素.见图2、3c二次回波:在侧扫声纳图像中常有来自单个目标的多路径因1声信息c它们会在一些特定的环境下出现。当操作在平静适中深度的水中，多路径网声则可能由强目标产生。在图2中显示的海底输油管线多路径图像的一种情况。在记录的左侧，大的管记录跟随两个多路径何声信号°第一目I声信号比第二同声信号清楚的多，强的多。在记录的右侧的管线只出现多路径回声信号，它只是在记录中部分

9、区域出现，然而在一些区域消失。综上所述，多路径回声是不常见的，并且当环境条件恰好满足它出现的条件才会产生。图2多路回声干扰的图像尾流:在侧扫声纳记录上船的尾流是一种主要的干扰源，航行的船的推进器在靠近水面产生一条气泡的痕迹，这些气泡在船离去以后在水体中仍存在很长的时间。尾流在声纳记录上呈灰色,其边缘不清楚。其记录图谱类似云状°尾流产生的时间越长其覆盖的区域越广，记录的颜色越淡。这是由于所通过水体冲的气泡逐渐减少的原故。相反地，越靠近尾流源，记录图谱越细,但颜色越深。在图3中，显示船的尾流覆盖了记录的一些区域，使得解释变得困难，甚至遮蔽了小的目标。在侧扫图像处理中，尾流的干扰可能是一个

10、实际问题。当然在图像难以分辨出油管的时候，我们就得结合浅剖图像来确认。图3尾流干扰的图像66第27卷3.2影响海底浅地层剖面仪的环境因素应用声纳系统受到海上各种环境因素的影响。因此，应用声纳系统在海上工作应该注意海上环境因素，只有正确使用声纳系统,才能获得良好的声图图像,才能得到正确的解释结果。影响浅地层剖面仪的海上环境主要因素有以下儿方面：地质条件:海底底质是砂、岩石、珊瑚礁和贝壳等类型，严重制约声波穿透深度。气水界面:气水界面能将发射声能几乎全部反射,儿乎无发射声波触及目标。船尾的尾流区域:如果采用船尾拖曳换能器，应该使换能器避开船的尾流区，一般方法是使换能器入水深度加深，或者拖缆加长。噪

11、声:在系统的带宽范围内的外界声源信号都可能串入造成干扰信号图像，如：电噪声、水噪声、船只机械噪声、沿岸工程噪声等。船只摆动:拖鱼设计为稳定的水平状态工作，船速和航向不稳定造成船只摇摆，使拖鱼不能保持平稳状态，造成图像不良。海况:涌浪使船只摇摆，致使拖鱼不稳定。4数据处理4.1侧扫声纳数据处理分析(1)侧扫声纳处理流程在这里我们用HyPack来定位,HyPack的内存共享实现了定位和侧扫的同步打标，在HyPack打标记录定位数据的同时,触发侧扫打标，并将定位点号在侧扫图像的打标线中标出，即图4中的EVT值，根据侧扫图像中管线海底状态变化的节点相对于打标点的位置，通过数值内插的方法可以确定这些节点

12、的位置，作为编制管线海底状态成果表定位数据，数据处理流程如图5所示。编制管线海底状态成果表I图5侧扫数据处理流程图(2)侧扫声纳图像判读根据侧扫图像中可以基本判断管线的海底状态,对于未出现管线的侧扫图像，则该段管线海底状态为埋底;对于出现了管线的侧扫图像，可以根据管线两侧的阴影来判断管线的状态，双侧均未出现阴影的为裸露管线,单侧泛白的为单侧冲刷管线，双侧泛白的可以初步判定为悬空管线，要确定是否悬空,还需根据其他测量手段获取资料来加以分析确认。图6即为侧扫图像。图6侧扫图像OlV：0V01/2M4TiM：m的wmsec.io4.2浅剖数据处理分析(1)处理流程由于HyPack实现了定位和浅剖的同

13、步打标,通过浅剖的打标设置，可以将HyPack传入的打标号显示在浅剖图像上(如图7),通过打标号对应，可以内插出管线的位置.而通过浅剖图像可以量取管顶相对于河床面的高度，这样可以作为绘制管线纵剖面图数据源，同时结合地形测量的数据可以编制海底管线坐标成果表。UtriOfO4XH.ltxcrinonr.”图4HyPack控制侧扫同步打标图图7HyPack控制浅剖同步打标图(2)图像判读在进行浅剖图像判断时，以图像本身的刻度为参照，根据管线管顶与河床之间的相对位置关系判断出管线的海底状态。如图8管顶位于海床面以下的管线状态为埋底，管顶位于海床面之上的,如果管顶与海床面之间的高差小于管径则管线状态为裸

14、露，如果管顶与海床面之间的高差大于管径则管线状态基本可以判断为悬空,要确认该状态，还必须结合其他检测资料加以分析判读。图8浅剖管线埋深示意图4.3侧扫和浅剖的综合分析由于仪器本身功能的局限，同时为了对各项检测成果进行相互检核，在进行数据处理时，需要时要将侧扫、浅剖数据进行综合分析，从而最终确定管线的海底状态。图9为误差信号的管线浅剖图像。图9误信号的管线浅剖图像如图9中，管顶到河床面的距离与前后几个断面测得的值相比异常，这是因为管线的多次反射会在管线的上方形成误信号，这种情况下要结合侧扫图像来进行判别。5结束语本次杭州湾海底管线检测施工过程严格按照有关国家规范、行业规范的具体规定实施，过程检查

15、贯穿整个项目实施过程，各类仪器比测均满足相应的限差，能满足本次检测的精度要求。利用侧扫声纳进行扫测时，获得海底、水体的目标和地形等图像，通过图像判读确定目标的性质、大小、范围和地形的变化。而利用浅地层剖面仪可以确定油管的状态和各种状态的程度。综合利用两种仪器进行测量，可有效的增强不同观测数据的互补性并提高工程质量。侧扫、浅剖测线布设合理,施测过程科学，定位准确,各类图像清晰。当然在特殊的地质条件下，还必须结合海洋磁力仪和测深仪来进行探测。数据处理流程科学，具有较强的可追溯性,各类检测数据相互之间吻合较好。参考文献：1胡建炯，姜小俊，任少华，等.多种物探仪器在海底路由管线检测中的综合应用J.现代

16、测绘,2006,(增刊)：34-36.2；罗深荣.侧扫声纳和多波束测深系统在海洋调查中的综合应用J.海洋测绘,2003,(D：22-24.3 杨鲍，孙艳军，隋海琛，等.声纳和浅剖在渤西管线物探调查中的应用J.水道港口,2003,(1)：43-47.4 张金城，蔡爱智，郭一飞，等.浅地层剖面仪在海岸工程上的应用J.海洋工程，1995,13(2)：7174.5 夏美永，米晓利.浅海剖面仪在海洋工程中的应用J.物探装备,2002,(1):52-54.ApplicationofSideScanSonarandSub-bottomProfileintheCheckingofSubmergedPipeli

17、neinHangzhouBayZHOUXing-hua,JIANGXiao-jun,SHIYong-zhong(InstituteofHydraulicsandEstuaryofZhejiangProvince,Hangzhou,Zhejiang,310008)Abstract:ThisarticlefirstintroducestheprojectofpipelineexaminationinHangzhouBay,drawsoutthenecessityofsubmergedpipelineexamination.Secondlyintroducestheprincipleandtheinfluencefactorsoftwokindofimportantinstrumentssidescansonarandsub-bottomprofileusedinthisproject.Finally,