側掃聲納和淺地層剖面儀在海底管線檢測中的應用

董玉娟，周浩杰，王正虎

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300450；2.寧波上航測繪有限公司，寧波315200）

側掃聲納和淺地層剖面儀在海底管線檢測中的應用

董玉娟1，周浩杰2，王正虎2

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300450；2.寧波上航測繪有限公司，寧波315200）

介紹了側掃聲納和淺地層剖面儀的工作原理，并根據海底管線鋪設特點，側掃聲納系統可以高效的探測出海底面以上管道的走向、平面位置、裸露高度等管線信息和海底地形等圖像，而淺地層剖面儀可以精確的獲取海底管線的裸露高度、埋設深度等管線信息和海底底質情況。通過實例說明了側掃聲納和淺地層剖面儀在海底管線探測的工作流程，總結出兩種探測系統在探測海底目標上的優缺點，說明了多種探測手段的綜合應用是海底管線探測技術的發展方向。

側掃聲納；淺地層剖面儀；海底管線探測；圖像判斷

隨著海洋資源大力開發，海底電纜、輸油管道、供水管道鋪設和維護工程逐步增多。管道鋪設前需要對其管道路由海域進行詳細的水文地質調查，管道鋪設后需及時或定期對管道安全穩定運營情況進行檢測。這些調查和檢測需用到包括單波束、多波束、側掃聲納、淺地層剖面儀等大量地球物理探測設備［1］。單波束和多波束以水深形式反映海底地形地貌特征，單波束操作簡單，成本較低；側掃聲納以影像等形式反映海底地貌特征，其工作效率高，檢測裸露于海底面的管道效果好；淺地層剖面儀以斷面圖像反映管道各種狀態信息，管道埋深探測精度較高。多種海洋探測設備的合理綜合應用，可以充分利用各個設備的優點，突破單個項目投入設備的單一性，可以從多方位、多途徑快速的獲取高分辨率、高質量的海底地質結構、海底地形地貌等數字信息，為海洋開發建設提供了可靠的數據支撐。本文根據工作實例闡述了淺地層剖面儀和側掃聲納系統的工作原理，針對淺地層剖面儀與側掃聲納系統的各自特點，介紹了EdgeTech 3100型淺地層剖面儀和4200-FS［2］型側掃聲納系統在海底輸油管道檢測中的綜合應用。

1 工作原理

1.1 側掃聲納工作原理

側掃聲納又稱“旁視聲納”或“海底地貌儀”，是主動聲納的一種，海洋探測的重要工具之一。側掃聲納系統由拖魚、線纜和處理器三部分組成。其工作原理為：由側掃聲納拖魚的發射單元兩側同時向海底發射一定頻率聲波脈沖，聲波傳播至海底或遇障礙物時發生反射和散射，其接收單元接收反射和散射到側掃聲納拖魚接收單元的聲納信號，聲納數據處理單元根據海底地物的散射和反射信號強度大小轉換成不同灰度像素影像來呈現待探測目標相對海底的狀態［3-4］。側掃聲納工作原理的幾何關系是人們對側掃記錄圖像判讀解釋的關鍵［5］。右圖1為側掃聲納的工作原理圖。其中A為拖魚的入水深度；B為拖魚至海底的深度；C為拖魚至海底目標障礙物的距離；D為影像陰影區的長度；E為目標物的裸露于海底的高度。根據幾何關系，可計算出目標障礙物裸露于海底的高度E。

圖1 側掃聲納工作原理Fig.1Working principle of side scan sonar

1.2 淺層剖面儀的工作原理

淺層剖面儀與測深儀工作原理相似，都是由發射單元向海底發射一定頻率的聲納脈沖，接收單元接收其反射聲納信號。主要區別是測深儀發射聲納頻率高（如高頻為200～400 kHz），其聲波穿透能力差，主要用于測量海水深度；而淺地層剖面儀發射聲納頻率低（如2～15 kHz），產生聲波的脈沖能量大，聲波穿透能力強，分辨率高，可穿透海底一定深度的淤泥層、砂質層和基巖層。主要用于海底地質調查、海洋工程建設和海底管道鋪設及檢測等項目。市場常用的淺地層剖面儀有線性和非線性聲源兩類。線性聲源功率大穿透能力強，但體積大，攜帶不方便。非線性聲源體積小而輕，使用方便，但穿透能力差。如EdgeTech公司生產的一種高分辨率寬帶調頻淺地層剖面儀3 100P系統采用全頻譜CHIRP技術，其分辨率可達4 cm，穿透能力可達80 m。

淺地層剖面儀記錄圖像是海底不同介質層對聲波傳輸過程中的反射強弱呈現，在不同的介質中，聲波的傳播速度不同［6］，其反射和透射系數也不同，當兩種介質的反射和透射系數越大，接收到的反射信號就越強，反之則較弱。因此，接收到的反射信號，攜帶了海底地層的大量有用地質信息，通過觀測記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射影像，可以了解沉積物的地質屬性，并可以直觀的識別地層的地質構造。

2 圖像判讀

側掃聲納主要檢測海底面以上管道的裸露和懸跨高度以及海底沖刷等狀態。淺地層剖面儀不僅能檢測裸露于海底面以上的管道狀態，還能檢測海底面以下一定埋深的管道狀態。

2.1 側掃聲納圖像判讀分析

（1）側掃聲納進行檢測裸露于海底面上的管道時，可獲取如下圖2所示的聲納影像圖。聲納傳播至裸露于海底的管道時會形成較強的反射和散射，即聲納記錄影像中會形成黑色條狀管道目標物，而裸露于海底面的管道對聲波的屏蔽作用，其在聲納記錄影像上會形成白色聲影區。假設聲波在水體中為直線傳播，可以通過聲納影像圖上矢量數據和聲波傳播的幾何關系計算出管道裸露于海底面的高度（D-h）。

式中：D為管道已知的直徑；L1、L2為斜距；H為拖魚距海底高度；h為管道埋入海底面以下的高度。L1、L2和H均可從聲納影像圖上直接量取。

（2）側掃聲納檢測懸跨于海底面以上的管道時，可獲取如下圖3所示的聲納影像圖。由于管道懸跨在海底上，聲線可以從管道下方傳播至管道背面一定距離，即聲納影像中在黑色條帶管道陰影區后方間隔一定距離后形成管道遮擋白色聲影區，這與裸露于海底管道聲納影像的明顯不同之處，也是主要區分海底管道是否處于裸露或懸跨狀態的關鍵所在。海底管道懸跨高度h可由以下公式計算出。

式中：D為管道已知的直徑；L1、L2為斜距；H為拖魚距海底高度；h為管道懸跨高度；L1、L2和H均可由聲納記錄上量取。

（3）當管道位于管道溝中時，側掃聲納檢測中可獲得如下圖4和圖5的聲納影像圖。若管道裸露于管溝面時會形成如下圖4的聲納影像。由于管溝壁對聲波傳播路徑的遮擋，在管溝拖魚一側的管溝壁與管道間會形成一定距離的白色聲影區，而由于管道的遮擋在其背面也會形成白色聲影區，即在聲納記錄中會形成在管道影像的兩側都有白色聲影出現的情形。

側掃聲納檢測懸跨于管溝地面的管道時，形成如下圖5聲納影像結果。即管道黑色陰影區兩側可能都會出現白色遮擋聲影區，但距管道陰影區會有一定距離，與圖4的情況有所不同，主要用于區分管道是否懸跨于管溝中。聲納對管溝中的管道檢測中，由于溝槽和管道幾何尺寸變化的影響，獲取完整的管道影像比較困難，而且管道背面約垂直于聲線的溝壁對聲波反射較強，管道影像難以分辨，這種情況側掃聲納探測效果欠佳，更適合于淺地層剖面儀探測。

2.2 淺地層剖面儀圖像判讀分析

淺地層剖面探測是海底管道探測的重要手段之一，管道無論是裸露于海底，還是埋藏于海底面以下，淺地層剖面探測都能簡潔、直觀的探測出管道在海底的狀態信息。淺地層剖面儀探測海底管道可得到如下圖6和圖7的聲納圖像。圖6為管道裸露于海底的聲納剖面圖，海底界面明顯，管道圖像清晰圓滑，剖面聲納記錄中海底管道因較強的反射而形成顏色較深聲影，且管道下方信號屏蔽現象明顯，而海底底質對聲波反射均勻且較弱，形成的剖面聲影顏色較淺且均勻。根據如下公式h=h2-h1可得管道裸露于海底的高度h,其中h2、h1可由測深儀精確測出，h也可由聲納剖面圖上直接量取。在已知管道直徑D的情況下，若h＞D，則管道懸跨于海底，若h＜D，則管道裸露于海底。圖7為管道埋藏于海底面以下的聲納剖面圖，海底底質剖面圖像均勻較淺，弧狀管道信號清晰，而管道的埋深H可由聲納剖面圖上準確量出。

圖2 海底裸露管道聲納影像分析圖Fig.2Bare submarine pipeline sonar image analysis diagram

圖3 海底懸跨管道聲納影像分析圖Fig.3Suspended span submarine pipeline sonar image analysis diagram

圖4 裸露于管溝中的聲納影像分析圖Fig.4Bare in trench of pipeline sonar image analysis diagram

圖5 懸跨于管溝中的聲納影像分析圖Fig.5Suspended span in trench of pipeline sonar image analysis diagram

圖6 裸露管道檢測分析圖Fig.6Bare pipeline detection analysis diagram

圖7 埋藏管道檢測分析圖Fig.7Buried pipeline detection analysis diagram

3 應用實例

3.1 實例一

舟山某海域二期輸水管道因生產需要，需對該管道海域段進行全面檢測，確保輸水管道在海底是否存在裸露、掩埋、懸跨等狀態，管道鋪設海域是否有強烈沖刷、淤積、斷層等變化。該期管道分南、北雙線，其海域段長度達30余km，輸水管道采用螺旋埋弧雙面焊接鋼管，管道直徑1.2 m。管道鋪設采用挖溝鋪設管道自然回淤方式填埋。管道路由海域水深大多在8～12 m，最深達20 m。本次使用美國Edge Tech公司生產的4200-FS型雙頻側掃聲納系統和3100 P型淺地層剖面儀探測，采用Trimble DGPS進行平面定位。設備先進，性能可靠。

根據管道探測特征，首先采用側掃聲納沿管道布設測線進行初步探測管道填埋情況，再根據初探結果采用淺地層剖面儀垂直于管道布設測線進行精確探測管道信息狀態。

（1）采用側掃聲納對管道進行粗掃。

探測海域水深在10 m左右，在平行于管道兩側各20 m布設兩條測線進行檢測，側掃低頻量程選用100 m，高頻選用75 m量程，實現鋪設管道海域全覆蓋掃測，經內業圖像處理，輸出管道鋪設海域成果圖，圖8為某段管道聲納探測圖。

如上圖8所示，管道鋪設海域回淤較少，管道還裸露在管溝中，且管道和管溝圖像清晰可見，回淤較快的海域管道已完全覆蓋，影像中無明顯管道和管溝圖像，個別海域管道鋪設海域出現沖刷現象，管道裸露最大高度達2.2 m，管道裸露詳細信息需用淺地層剖面儀進行精確探測。

（2）采用淺地層剖面儀進行精確探測。

根據側掃聲納探測結果，采用淺地層剖面儀進行管道詳細信息探測，主要探測裸露管道是否存在懸跨和裸露高度、以及埋藏管道回淤深度等信息。按垂直于管道布設淺地層剖面儀探測計劃線，在管道裸露海域計劃線間距為30 m，埋藏海域計劃線間距為50 m，在管道拐點處加密探測。設備采用舷掛式安裝，淺地層剖面數據采用Discover SB軟件進行采集，在Discover SB軟件的控制面板中設置好發射頻率、發射模式、底跟蹤等各項參數，保證外業采集影像清晰可辨，采用高精度的天寶SPS351 DGPS定位，定位信號送至導航系統，指示駕駛員按測線航行探測，船速控制在3-5節，保證拖魚穩定工作，同時定位信號傳送至淺剖工作站，將導航信息記錄在圖像影像上。如下圖9A和圖9B，其中圖9A為裸露海域的管道，根據影像量取計算，裸露管道裸露高度小于管道直徑，即管道無懸跨狀態，管道處于穩定狀態。圖9B為埋藏管道，埋藏深度約1 m，管道均處于安全穩定狀態，但個別區域管道有懸空狀態，懸空最大高度約1.1 m,其與側掃聲納探測管道裸露高度2.2 m相吻合。

經側掃聲納和淺地層剖面儀資料處理分析，兩種探測設備的管道信息相吻合，探測成果數據質量準確可靠，舟山某海域二期輸水管道整體處于穩定狀態，部分海域存在沖刷現象，管道出現懸空狀態，該段海域需定期檢查，或根據需要進行實地探摸，確保管道安全運營。

3.2 實例二

為了解舟山某海域海底管線的位置、埋設深度和管線附近海底地形的變化情況，采用雙頻測深儀、淺地層剖面儀和側掃聲納對懸空區域海底管線進行檢測，為業主掌握懸空區域海底管線的變化情況提供了詳實的資料。其中，采用ODOM MKIII水深測量：對檢測區域海底管線左右各200 m的區域進行1：500比例尺的水深測量，調查路由區的海底地形起伏變化情況；側掃聲納探測：對檢測區域海底管線左右兩側60 m范圍進行全覆蓋檢測，確定海底管線的平面位置及管線裸露值，為管線位置及裸露值的確認提供輔助分析；淺地層剖面測量：確定檢測區域海底管線的平面位置以及管線相對于泥面的裸露或埋深值，本次探測成果與上次（4個月前）檢查成果進行比對分析，掌握該段管線運營狀況。

（1）單波束水深測量。

圖8 側掃聲納探測影像圖（實例一）Fig.8Side scan sonar image（Case 1）

圖9 管道探測影像Fig.9Pipeline detection image

水深測量采用星站差分GPS接收機結合MKIII測深儀按1：500比例尺技術要求進行測量，水深主測線按垂直于管線路由布設，測線間距為10 m，水深數據采集采用HYPACK MAX 2011軟件，按3 m一個水深點進行水深數據采集。

本次測量的懸空段海底管線兩側各200 m范圍內水深與上次該項目檢查數據相比整體變化不大，只有在K3+510至K3+531段由于沖刷造成該處沖刷溝加深0.7 m左右，其他地方平均水深差值約0.2 m。

（2）側掃聲納探測。

本次測量采用的側掃聲納型號為BENTHOS-1624，其測量系統由拖魚、電纜、收發機及控制電腦四部分組成，控制軟件為ISIS。測線按平行于管線路由布設，布設間距20 m，兩側各3條均勻覆蓋整個管線檢測區域，側掃聲納設備安裝采用船側固定拖曳方式進行施放。實測過程中，船速控制在3-4節，單側掃測寬度為75 m。現場作業時調整儀器參數使整個側掃聲納掃測圖像達到最佳效果，并能充分反映出管線懸空或裸露的真實情況。側掃聲納采用Isis軟件獲得管線區域的位置及圖像，測量結束后通過HYPACK對側掃圖像及數據進行處理，形成整個測量區域側掃覆蓋影像圖（部分影像如下圖10）。從側掃圖上可以很清楚地看到海底管線的整體走勢和裸露情況，圖中深黑色間斷線為裸露管線影像，間斷處顯示管線被掩埋在泥面下,黑色程度越深代表其裸露程度越大，管線懸空最大處，主要是由于管線附近海域有沖刷現象，導致管線下方淘空所致，從側掃聲納圖像上可以很好地分辨出來。根據側掃聲納圖像上分析，在K3+510至K3+531淘空區域裸露高最大約為2.3 m外，其他地方管頂高出泥面最大1.3 m。

（3）淺地層剖面儀探測。

本次測量所用淺地層剖面儀為美國BENTHOS公司生產的CHIRPIII淺地層剖面儀，其系統組成為拖魚、電纜、甲板控制單元三部分組成，測量軟件采為Sonar Wiz.MAP。淺地層剖面儀測線布設同水深測線布設一致。將淺地層剖面儀拖魚部署在船的左舷，測量前對拖魚相對GPS位置進行了測定，通過軟件將拖魚位置歸算至GPS位置處，保證其平面誤差小于1 m，管線裸露值大小誤差在0.1 m以內。

在整個檢測期間，淺地層剖面儀圖像經過參數調整，其管線清晰可見，為后續進行數據分析提供了很好的保證。后續處理期間通過Sonar Wiz.MAP軟件計算出管線的位置、裸露值大小。數據經綜合處理分析，在K3+510至K3+531段管線懸空最嚴重處裸露值達到2.34 m，如下圖圖11懸空最大淺剖剖面圖，其余地方管線懸空最嚴重處裸露值達到1.17 m。

該海底管線裸露段經本次綜合探測分析，裸露段海底管線兩側各200 m范圍內水深與上次水深相比整體變化不大，只有在K3+510至K3+531段由于沖刷造成該處沖刷溝加深0.7 m左右，其他地方平均水深差值約0.2 m。同時從淺剖斷面圖像判讀出管頂位置的坐標及管頂與泥面的相對值，結合側掃聲納掃測的管線相對于泥面的高度對淺剖測量的管線裸露值進行驗證，與上次檢測懸空情況相比，上次檢測出懸空段管線段共有11處，其中長度超過20 m的2處，分別分布在入海處和登陸處附近。本次檢測管線懸空區域共10處，其中長度超過20 m的有6處，在入海處老堤一側有5處，最大為31.7 m；靠近登陸方拐彎有1處，最大為24.6 m。上次至本次管線探測期間，兩個懸空區域管線的狀態總體穩定，但出現了一些動態變化，部分區段懸空長度有所減少，也新增了一些懸空段。出現上述變化可能是由于附近海域圍海造地工程等因素導致海流流向流量發生變化，使原來的海床受到新的水動力改變而使海床沖淤而發生變化。建議對懸空區域管線進行實地探摸，以進一步驗證確定管線懸空區域，并加強最懸空區域進行檢測，確保管道安全運營。

圖10 側掃聲納探測影像圖（實例二）Fig.10Side scan sonar image(Case 2)

圖11 裸露管道淺剖探測斷面影像Fig.11Pipeline detection image by sub?bottom profiler

4 結語

通過側掃聲納對海底管道進行探測，可獲得裸露于海底面以上管道的走向、直徑大小、裸露或懸跨狀態等影像信息，其影像信息包括管道附件海底地形地貌信息，表現直觀、信息量大，作業效率高。而淺地層剖面儀不僅可以獲得裸露于海底面以上的管道狀態信息，更重要的是可以獲得海底面以下一定埋藏深度的管道狀態信息，可準確的量取管道埋藏深度，但淺地層剖面儀以斷面信息表現探測信息，作業效率較低。綜合利用兩種儀器進行探測，可以充分利用兩種設備各自特點，提高了不同設備之間的互補性，揚長避短，可以從多方位、多途徑快速獲取海底管道的圖像和數字信息，提高海底管道檢測的精度和效率。為海洋開發建設提供可靠的數據支撐。

［1］王繼立，黃潘陽，胡濤駿，等.淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用［J］.船海工程，2013，42（3）：161-163. WANG J L，HUANG P Y，HU T J，et al.Application of Sub?bottom Profiler in Submarine Pipeline Inspection［J］.Ship&Ocean Engineering，2013，42（3）∶161-163.

［2］A958611 4200，topside manual［S］.

［3］陳正榮，王正虎.多波束和側掃聲納系統在海底目標探測中的應用［J］.海洋測繪，2013,33（4）：51-54. CHEN Z R，WANG Z H.Research on Underwater Target Detection Using Side?scan Sonar and Multibeam Sounding System［J］.Hy?drographic Surveying and Charting，2013，33（4）：51-54.

［4］來向華，潘國富，茍諍慷，等.側掃聲納系統在海底管道檢測中應用研究［J］.海洋工程，2011，29（3）：117-211. LAI X H,PAN G F,GOU Z K,et al.Study on application of side scan sonar in sub marine pipeline inspection［J］.The Ocean Engi?neering，2011，29（3）：117-211.

［5］周興華，姜小俊，史永忠.側掃聲納和淺地層剖面儀在杭州灣海底管線檢測中的應用［J］.海洋測繪，2012，27（4）：64-67. ZHOU X H,JIANG X J,SHI Y Z.Application of Side Scan Sonar and Sub?bottom Profile in the Checking of Submerged Pipeline in Hangzhou Bay［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2012，27（4）：64-67.

［6］李一保，張玉芬，劉玉蘭，等.淺地層剖面儀在海洋工程中的應用［J］.工程地球物理學報，2007，4（1）：4-8. LI Y B,ZHANG Y F,LIU Y L,et al.Application of Sub?bottom Profiler to Ocean Engineering［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2007，4（1）：4-8.

Application of side scan sonar and sub?bottom profiler in checking of submarine pipeline

DONG Yu?juan1,ZHOU Hao?jie2,WANG Zheng?hu2
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300450,China；2. Ningbo Shang Hang Surveying and Mapping Co.Ltd.,Ningbo 315200,China）

In this paper,the working principle of the side scan sonar and sub?bottom profiler was introduced. According to the characteristics of submarine pipeline laying,side scan sonar system can efficiently detect seabed pipeline direction,flat position,exposed height of pipeline and seabed topography image,while the sub?bottom pro?filer can accurately obtain the exposed height of submarine pipeline,the buried depth of pipeline and seabed condi?tions.Through an example of side scan sonar and sub?bottom profiler in submarine pipeline detection process,the advantages and disadvantages of two kinds of detection system in the detection of submarine pipeline were summa?rized.It explains that the comprehensive application of various detection methods is the development direction of submarine pipeline detection technology.

side scan sonar;sub?bottom profiler;checking of submarine pipeline;image interpretation

P 237

A

1005-8443（2015）05-0450-06

2015-04-01；

2015-09-10

董玉娟(1979-)，女，天津市人，工程師，主要從事測量方面工作。

Biography：DONG Yu?juan（1979-），female，engineer.