侧扫声呐声波掠射角对海底管道检测的影响

熊春宝，田　磊，熊爱成，陈小华

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072； 2. 天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)



侧扫声呐声波掠射角对海底管道检测的影响

熊春宝1，田磊1，熊爱成2，陈小华2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072； 2. 天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)

Research on Influence of Incidence Angle in Inspection of Submarine Pipeline by Side Scan Sonar

XIONG Chunbao，TIAN Lei，XIONG Aicheng，CHEN Xiaohua

摘要：在侧扫声呐系统检测海底管道的过程中，声波掠射角是影响检测效果的重要因素。本文针对影响侧扫声呐声波掠射角的主要因素进行了系统研究，推导出声波掠射角与其影响因素的关系表达式，并给出了考虑管径条件下海底管道悬空高度的计算式；进行了不同声波掠射角下侧扫声呐系统检测海底管道的试验，试验结果表明，当侧扫声呐声波掠射角介于14°～20°时，检测效果最好，声波掠射角过小或过大，均会使检测结果出现较大误差。

关键词：侧扫声呐；声波掠射角；海底管道检测；悬空高度

海底管道是海上油气开发设备的重要组成部分，在提高能源输送效率和节约运营成本方面有着明显优势[1-2]。但海底管道所处环境复杂，受海流的长期冲刷及海洋地质灾害等因素的影响，海底管道可能出现悬空状态，严重时甚至导致管线断裂，从而造成巨大的经济损失和严重的环境污染[3-7]。侧扫声呐系统由于成本低，扫测效率高，横向分辨率高，目前广泛应用于海底管道的检测中[8-9]。然而，传统的检测方式很少考虑侧扫声呐声波掠射角对检测效果的影响[10]，导致检测结果偏差较大。虽然有学者就声波掠射角的影响进行了一定程度的探讨[11]，但缺乏相关的理论研究，且仅利用较短的钢管模拟体进行试验，并未采用真实的海底管道，加之测线布设过少，导致效果不佳。因此，本文就影响侧扫声呐声波掠射角的主要因素进行系统深入的理论分析，并进行不同声波掠射角下侧扫声呐系统检测海底输油管道的试验。

一、侧扫声呐检测悬空海底管道原理

侧扫声呐系统主要由拖鱼及甲板处理单元组成，拖鱼上的换能器向沿航迹两侧方向发射高频声脉冲，当声波碰到海底的物体时会发生散射，根据反向回波信号的强弱，形成海底地貌特征图[12-13]。

在较为平坦的海底面上，侧扫声呐对处于悬空状态的海底管道进行检测时，通常会得到如图1(a)所示的声图记录。凸出的海底管道产生的散射较强，在侧扫声呐声图上显示为一黑色的条状目标物(如图1(b)所示)，而管道的背面由于受到管道的遮挡，对声线产生了屏蔽作用，在声图记录上显示为一白色的声影区。白色声影区并不是紧邻管道影像出现，而是与管道影像间隔一段距离，如图1所示。这是由于管道下方的海底面距离声呐接收端较远，其回波信号晚于管道处的回波信号到达声呐接收端，这部分海底面形成的海底散射影像紧邻管道影像的后方，因此由于管道遮挡形成的声影区在管道影像后方间隔一段距离以后出现[14-15]。

二、影响侧扫声呐声波掠射角的主要因素

在侧扫声呐检测悬空状态的海底管道时，声波掠射角是影响检测效果的重要因素。声波掠射角θ主要由两个参数决定：拖鱼距海底面的高度H、拖鱼至管道中心的水平距离L。为得到θ与H、L之间的关系表达式，首先作如下两条假设：

硅-焓图解法首先需作出石英溶解度曲线，通过冷水的硅焓点与热水的硅焓点做延长线，求得与石英溶解度曲线的交点，以此计算得出热水的混合比例。当交点出现异常或无交点时，需考虑蒸汽损失的情况。

1) 忽略声波在海水中传播时产生的声线弯曲现象。

2) 海底面为一水平面。

在考虑管径的条件下，声波掠射角的计算如图2所示。

设管道影像末端至管道声影区末端的总长度为S，管道的直径为D，管道中心与声线和海底面的交点的水平距离为S1，管道的悬空高度为h，作辅助线(如图2中虚线所示)，根据正切的定义，可以得到如下等式

图2　侧扫声呐声波掠射角及其影响因素几何关系

(1)

(2)

联立式(1)和式(2)，消去S1，得

(3)

解方程式(3)，得

(4)

为了保证侧扫声呐系统能够检测到海底管道，形成声影区，图2中A、B点的连线应与海底面具有交点C，故拖鱼距海底面的高度H应满足下式条件

H>h+D

(5)

设发射线至管道声影区末端的斜距为R，管道影像末端至管道声影区末端的总长度为S，R和S的数值均可以从未经斜距改正的声呐记录上量取。

1若宝宝烫伤较严重，除去衣服时，已有明显的红色渗水的创面（表皮已烫掉）就不要再用水冲洗，以免感染；也不要把冰块直接放在伤口上降温，以免皮肤组织冻伤。应用庆大霉素加生理盐水擦拭患处，用纱布严密包裹后，立即送医院进行治疗。

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(6)

由式(6)可推得

(7)

(2) 拖鱼高度的选择

式(10)即为考虑管径条件下海底管道悬空高度的计算表达式。

图3　θ与H关系曲线

图4为θ与L之间的关系曲线图。由图4可知：随着L的增加，θ值单调递减，且改变H值时，θ与L之间的关系始终呈现非线性关系，曲线随着下降而逐渐平缓。

图5为S与θ之间的关系曲线图。由图5可知：随着θ的增加，S值单调递减，且当θ<15°时，曲线较陡，S值减小速度较快；当θ>15°时，曲线逐渐平缓，S值减小速度较慢。

由以上分析可知：减小拖鱼距海底面的高度或增大拖鱼至管道中心的水平距离时，声波掠射角变小，管道影像末端至管道声影区末端的总长度变大，从而在侧扫声呐声图上对海底管道状态的判别更加容易清晰，计算得到的海底管道悬空高度数值更加准确。通过调整关系表达式中的相关参数，可以使检测效果达到最优。

图4　θ与L关系曲线

图5　S与θ关系曲线

三、考虑管径条件下管道悬空高度的计算

当管道直径较大时，通过传统的简单比例关系计算管道的悬空高度会产生较大的误差[6]。因此，大管径对于海底管道悬空高度计算的影响不可忽略，在考虑管径的条件下，海底管道悬空高度的计算如图6所示。

在△BCE中，有

此外，大队还组建了一个专业队。“专业队就是开田、开荒、种山，说是改田造地，每个生产队抽出几个人，在大队成立一个组织。”(TXL170316)专业队在生产队抽调的人是要经过大家评议的，一般都是劳动好手。在十队，“许某在大队做专业队，主要搞大队副业，生产队出工分，一般都要10个人，乡(公社的)他也去过。”(XJA170325)由于管理不善，大队的专业队并没有做出什么成绩，倒是给各个生产队产生了不少工分。

图6　海底管道悬空高度计算简图

式(4)即为θ与H、L之间的关系表达式，下面再推导管道影像末端至管道声影区末端总长度S与声波掠射角θ之间的关系式。

为得到管道悬空高度h的表达式，作辅助线(如图6中虚线所示)，根据正弦的定义，可以得到如下等式

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(8)

(9)

由式(8)和式(9)联立解得

(10)

在实际检测海底管道时，管道直径D和管道悬空高度h为定值，以本文试验中的参数为例，取D=0.245 m，h=1.01 m，作θ与H之间的关系曲线图(如图3所示)。由图3可知：随着H的增大，θ值单调递增，且当L值较小时，θ与H之间呈现非线性关系，曲线随着上升而逐渐平缓；随着L的增大，θ与H之间的关系由非线性关系逐渐向线性关系转变。

四、不同声波掠射角下侧扫声呐系统检测海底管道试验

1. 试验概况

本次试验地点在山东省东营市胜利油田某海域，检测海域属于浅水区，试验时适逢涨潮期，水深约16 m，海底输油管道直径D为245 mm，整条管道总长度为691.15 m，大部分管道处于掩埋和裸露状态，在平台附近的海底管道呈现出悬空状态，本次试验以平台附近处于悬空状态的海底管道为检测目标。

2. 试验设备

建立严密的管理监督机制，有法律的威慑力；加大先进设施设备的投入和使用；提高管理人员的管理水平，培训服务人员的服务力度，提高服务水平。同时加大洞庭湖旅游宣传的投入，科学的利用宣传技巧，深度挖掘特色文化，使其具有鲜明特色。

本次试验所采用设备为EdgeTech 4200FS侧扫声呐系统、DGPS导航定位系统、声速剖面仪、EdgeTech Discover 4200FS数据采集及处理系统。在对海底管道进行检测时，侧扫声呐系统工作模式选用高分辨率模式(HDM)，工作频率选用高频410 kHz，量程选用75 m，横向分辨率为2 cm，沿航向方向的波束水平开角为0.30°。

3. 试验参数设计

(1) 测线布设

在作为检测目标的海底管道单侧布置测线，测线至管道中心的水平距离分别为10、15、20、25、30、35、40、50 m，共8条测线。在检测过程中，近似认为测线至管道中心的水平距离即为拖鱼与管道中心的水平距离L。

不管汽车如何变化，修车的方法都不会变：诊断、维修/更换、调试。今后车辆的电驱动系统可能比机械部件更容易维修，过去汽车有了故障，只会生成故障码或者简单的数据流，现在工信部要求所有生产电动汽车的车企做到，纯电动汽车的数据采集以分、秒为单位计算，故障发生的时间、发生的内容，在车辆内部系统中都必须生成细化的记录。也就是说，现在所有的电动汽车，一旦发生故障，不用外接诊断设备，在主机厂的数据库中就可以反馈出这辆车的运行出了问题。基于这种数据支持，相比于传统汽车，电动汽车更容易维修。

式(7)即为S与θ之间的关系表达式。

由于进行检测的海域为浅水区，水深为16 m左右，且海底状况复杂，海底障碍物较多，考虑到拖鱼的安全性，在检测的过程中，保持拖鱼距海底面的高度为11 m左右。

(3) 航速设计

食品检验是一个程序复杂严密的过程，需要检验人员手工与仪器相互结合进行精密化监测，其中检验人员的工作流程、仪器的使用与维护、样品的采集和保护、检验方法等环节都会影响到食品检验结果的准确性。笔者结合自身的实践工作经验，将影响食品检验准确性的因素总结为以下几点：

在侧扫声呐系统检测海底管道过程中，应保证对海底的全方位覆盖扫测，为得到较为清晰的海底声图图像，要求至少有3 pings击中被探测的海底目标。设侧扫声呐系统的发射信号频率为f，沿航向方向的波束水平开角为θ0，拖鱼距海底面的高度为H，则测船的航速v必须满足[12]

(11)

由式(11)得

其次，教师的教学技能水平不高，教学方式仍采用唱独角戏的单向灌输式，没有给学生创造交流互动的机会，限制了学生的课堂积极表现，导致课堂沉默情况出现。

(12)

在对海底管道进行检测时，侧扫声呐系统的发射信号频率为410kHz，沿航向方向的波束水平开角为0.30°，拖鱼距海底面的高度为11m。代入以上参数，计算得测船的最大航速为4.25kn，试验时考虑到检测效率，确定航速为4kn左右。

4. 试验结果及数据分析

试验采用EdgeTechDiscover4200FS软件对侧扫声呐检测数据进行后处理，将声速剖面仪测得的实时剖面声速导入软件，经过横摇、纵摇、艏摇误差修正，并对声图图像进行增益调节及TVG调节，得到各条测线的侧扫声呐声图记录。该软件还可以在检测过程中实时获取拖鱼距海底面的高度H。在本次试验中，对声呐记录不进行斜距改正处理，侧扫声呐对平台附近的悬空海底管道检测效果图像如图7—图14所示。

图7　L=10 m的检测效果

图8　L=15 m的检测效果

图9　L=20 m的检测效果

图10　L=25 m的检测效果

图11　L=30 m的检测效果

图12　L=35 m的检测效果

图13　L=40 m的检测效果

图14　L=50 m的检测效果

以每张图中的A-A′截面为例进行分析，A-A′截面与平台的距离为2.26 m，经过潜水员水下探摸及多波束精密扫测，得出该截面处的海底管道真实悬空高度为1.01 m。从各条测线未经斜距改正的声呐记录中量取A-A′截面处的R值和S值，计算相关的检测数据见表1。

表1　各条测线检测数据计算结果及误差

由图7—图14及表1可以得出以下分析结果：

1) 当L=10 m、L=15 m时，由图7—图8可知，管道影像和海底散射影像灰度接近，很难区分。这是由于海底反向散射强度和声波掠射角之间存在着密切的关系。对于较为粗糙的海底，可由经典的兰伯特定律描述这一关系[16]

Sb=S0+10lg sin2θ

(13)

式中，Sb为海底反向散射强度；S0为常数；θ为声波掠射角。由式(13)可知：在海底面较为平坦时，声波掠射角越大，海底反向散射强度也越大。图7—图8中的声波掠射角较大，从而海底散射影像灰度较大，很难与管道影像区分，并且管道声影区很窄，从声呐记录中很难量取R和S的准确值，只能通过估读得到。根据前文推得的海底管道悬空高度计算表达式(10)计算管道的悬空高度h，所得计算值与真实值误差很大。

2) 当L=20 m时，管道声影区较窄，海底散射影像灰度仍然较大，与管道影像灰度比较接近，但已经可以区分。R值和S值可以较为准确地被量取，计算得到的管道悬空高度h与真实值误差较大。

3) 当L=25 m、L=30 m、L=35 m、L=40 m时，管道声影区较宽且较为清晰，管道影像与海底散射影像区分明显。从声呐记录中可以较为准确地量取R值和S值，计算得到的管道悬空高度h与真实值较为接近，误差很小，其中当L=35 m时，误差仅有5.9%。

4) 当L=50 m时，虽然根据声呐记录计算得到的管道悬空高度h与真实值较为接近，但由于声波掠射角很小，使得海底反向散射强度较小，海底散射影像灰度与管道声影区灰度接近，不易区分。R值与S值的量取需要通过估读，从而使检测结果具有偶然性。

综合以上分析：当声波掠射角介于14°～20°之间时，侧扫声呐检测海底管道效果最好。声波掠射角过大时，管道影像与海底散射影像难以区分，检测结果的误差较大；声波掠射角过小时，海底散射影像与管道声影区不易区分，从而影响到检测效果。

OSCE模式的使用可以提高学生临床能力，但是不可避免地出现了一些不稳定因素。教师的临床经验能否和理论紧密联系、考站设置是否采取科学合理的研究方法、标准化病人培训是否过关、学生配合度不高等因素都影响着OSCE模式的实施，要在考站设置的初始环节严格把关，避免不稳定因素的出现。

五、结论

1) 声波掠射角是影响侧扫声呐检测海底管道效果的重要因素，在检测过程中，拖鱼距海底面高度、拖鱼至管道中心的水平距离是决定声波掠射角的两个主要因素。通过理论计算分析，可推导出声波掠射角与这两个影响因素的关系表达式。在实际检测工作中，可以根据这个关系表达式灵活调整相关的参数，从而使检测效果达到最优。

2) 当管道的直径较大时，在进行海底管道悬空高度的计算时应考虑管径的影响。经过理论分析，推导出考虑管径条件下海底管道悬空高度的计算表达式，这使得通过侧扫声呐声图记录计算管道悬空高度的准确性有所提高。

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3) 通过不同声波掠射角下侧扫声呐系统检测海底管道的试验，发现当声波掠射角介于14°～20°之间时，检测效果最好。应用于工程实践时，如果在检测过程中控制拖鱼距海底面的高度为10 m左右，则在布设测线时，应使测线至管道中心的水平距离为35 m左右，这样可使检测结果误差较小，并且提高检测效率。

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中图分类号：P229.5

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)04-0058-06

作者简介：熊春宝(1964—)，男，博士，教授，主要从事工程健康监测及海洋测绘的技术方法研究。E-mail:luhai_tj@126.com

收稿日期：2015-05-13； 修回日期： 2015-11-23

引文格式： 熊春宝，田磊，熊爱成,等. 侧扫声呐声波掠射角对海底管道检测的影响[J].测绘通报，2016(4)：58-63.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0121.