起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法❋<br/>——以海底管道检测为例

起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法❋
——以海底管道检测为例

2019-03-18陶常飞徐永臣周兴华王方旗丁继胜林旭波

中国海洋大学学报(自然科学版) 2019年5期

陶常飞，徐永臣，周兴华，王方旗，丁继胜，林旭波

(1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061; 2.中国海洋大学，山东青岛 266100)

侧扫声呐(Side scan sonar)由英国海洋科学研究所于1960年研制成功，通过接收脉冲信号的后向散射信号信息，经信号处理后图形化显示信号覆盖范围内的海床信息。通过对侧扫声呐声学图谱的解释，可实现对海底地貌调查以及水下礁石、沉船、海底管线等水下目标物的探测，显著提高了人类探索海底的视野和维度。

作为一种半定量的探测方法，传统侧扫声呐系统具有先天的局限性，即假设后向散射信号来源于绝对水平的海底面。当前，侧扫声呐数据处理及解释均是基于此种假设，来向华等[1]通过声波信号在水体中传播路径所构建的几何关系，讨论了平坦地形条件下目标物高度及海底管道悬空高度的计算方法。当海底地形整体平坦时，应用上述几何模型进行数据处理、解释是合理可行的，而当海底存在起伏时，应用上述理想模型进行位置解算时，得到的结果与实际位置存在偏差。Thomas等[2]通过对比某海山的侧扫声呐与多波束测量结果发现，侧扫声呐对海山位置的探测与多波束测量结果存在偏差，且该偏差随水深及掠射角的增大呈增大趋势；同时，Thomas等依据多波束测量结果，选取海山顶点作为特征点，对侧扫声呐探测结果进行了配准，改善地形起伏对侧扫声呐解释结果的影响；Johnson等[3]系统分析了侧扫声呐系统及其数据的局限性，指出必要情形下可对起伏地形进行人工干预。赵建虎等[4]、王爱学等[5]在对传统侧扫声呐数据进行三维地形反演研究中，考虑了地形变化对声波入射方向反演的影响，并以区域初始地形作为约束建立反演地形的约束模型，实现反演地形向绝对地形的转变。近年来，随着新技术及理论的应用，出现了具备测深功能的三维侧扫声呐系统[6]，但是此类设备造价高、系统构成复杂、体积庞大等因素制约了其普及度。因此，传统侧扫声呐因其技术成熟、便携易用等特点仍然广泛应用于海洋调查工作中。

1 侧扫声呐在海底管道检测工作中的应用

海底管道输送技术具有低成本、高效率的特点，被广泛应用于海洋油气上岸、淡水资源上岛等输送工程中。海底管道大多分布在近岸岸坡、陆架等海域，地质、水动力环境条件复杂，近岸的潮流冲刷、波浪淘蚀以及沙波活动等地质灾害因素极易导致海底管道的裸露、悬空，引发损坏、断裂事故，对环境、财产甚至生命构成威胁[7]。对海底管道适时进行检测是海底管道维护、风险防范的重要基础性工作。

当前，海底管道的外部检测主要依赖多波束测量、侧扫声呐探测以及浅地层剖面探测等声学方法实现。侧扫声呐通过走航式全覆盖对海底实施扫测，声波信号频率介于100 kHz～1 MHz之间[8]。相较于单波束、多波束测深仪以及浅地层剖面仪等声学探测设备，侧扫声呐信号频率更高，覆盖范围更大，可获得高分辨率的海床属性信息，对海床上小尺寸目标物的探测效果具有明显优势。在裸露海底管道探测工作中，侧扫声呐可“直观”揭示海底管道出露分布，并可根据管道声学影像与其声学阴影的组合关系，判断出露于海底的管道是否悬空，进而计算出露长度、悬空高度等特征，为海底管道状态评估及治理工作提供数据支持。因此，传统侧扫声呐在海底管道检测工作中仍然是不可或缺的方法之一[9-11]。如前文所述，针对传统侧扫声呐工作原理的先天缺陷，国内外学者基于地形因素对传统侧扫声呐探测结果的影响对其探测结果的改进做了有益的尝试与探索。但是，这些成果在实际应用过程中尚存在限制于不便，对于侧扫声呐应用的使用者而言，对侧扫声呐探测效果进行快捷有效的改进是一种迫切需要。本文以侧扫声呐在海底管道检测项目为例，对起伏地形对侧扫声呐探测效果的影响进行了探讨与分析，供侧扫声呐使用者参考。

2 起伏地形对探测结果影响

基于某海底输气管道的侧扫声呐、多波束、浅地层剖面调查数据，分析复杂地形条件对侧扫声呐应用结果的影响，为侧扫声呐海底标物探测工作提供参考。

2.1 起伏地形的遮挡效应

海底管道的出露多由海底冲刷侵蚀或者活动沙波等地质灾害现象导致[7]。出露或者悬空的管段多发育小规模的冲刷槽及伴生的堆积体，使管道处于负地形之中。此类起伏地形会对声波信号产生遮挡效应，影响探测区域的有效覆盖以及探测目标的揭露[1]。

在海底输气管道检测过程中，侧扫声呐探测一般平行海底管道布设调查测线，以保证对海底管道的多次探测，由此，不同测线上的声波信号会因距海底管道相对位置的差异而产生不同的掠射角度。如图1所示，当海底管道周边存在明显的地形变化且地形坡度大于该处声波信号掠射角时，背侧产生阴影区，即为声波探测的盲区，阴影区内的海底管道等目标物被遮挡，影响探测效果。

图1 地形起伏的遮挡效应示意图

海底输气管道侧扫声呐探测工作中，常见声波信号被起伏地形遮挡而影响海底管道揭露的现象。如图2所示：当侧扫声呐拖鱼距离管道距离较远时(见图2a)，声波信号被海底管道周边堆积体遮挡，表现为堆积体后方出现典型的声学阴影区，海底管道处于阴影区内，仅能部分揭露；当侧扫声呐拖鱼距离管道更近时(见图2b)，管沟内未出现声学阴影区，同一裸露管段揭露长度更大，揭露特征更完整。由此可见，在应用侧扫声呐对沟槽或者凸起等小规模的起伏海底进行探测时，根据海底地形变化特征进行测线调整，使声波信号在地形起伏处的掠射角不小于地形坡度，以保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方区域的有效覆盖，避免对敏感目标物的漏测。

2.2 对悬空管道位置的影响

在侧扫声呐数据解释工作中，需对侧扫声呐数据进行斜距改正，即根据拖体距海底的高度与声波信号传输距离构建几何关系，对探测点位置进行再处理[2,9]。海底管道裸露区域的沉积动力条件复杂，潮流、波浪主导的淘蚀、堆积以及施工过程中的人工扰动，使管道裸露段周边海底崎岖不平。当海底地形存在起伏时，斜距改正过程所选取的拖体距海底的高度值无法代表探测区域内的整体地形特征，尤其是当拖体下方起伏的小规模地形与海底管道周边区域地形无明显相关性时，选取拖体下方的地形数据进行斜距改正后将导致海底管道形态畸变与位置漂移。如图3a所示，斜距改正前，海底管道的形态顺直，与其真实形态相吻合；图3b采用拖体下方真实地形值进行斜距改正后，受凸起地形的影响，海底管道的形态产生畸变，平面位置明显向左偏移。

图2 海底输气管道检测中的地形遮挡效应对比图

因此，在侧扫声呐数据解释时，为消除或减弱局部地形起伏对解释结果的影响，需对斜距改正时所选取的拖体高度值进行人工干预。如图4所示，侧扫声呐拖体下方发育一小规模堆积体，与周边整体地形高差介于2～3 m。海底跟踪时，根据整体地形特征，手动设置符合地形总体分布趋势的跟踪值，忽略此堆积体对侧扫声呐探测结果的影响。

应用上述方法对侧扫声呐数据进行解释，并以多波束测量、浅地层剖面探测结果为参照基准，进行对比分析。结果如图5所示，对起伏地形海底跟踪值进行人工干预后，海底管道平面位置解释结果较干预前得到明显的改善，主要表现为：(1)依据实际地形的跟踪值解释得到的管道位置整体较海底管道“实际位置”存在3～6 m的偏离，对海底跟踪值进行人工干预后，管道解释位置向管道“实际位置”的偏离收敛至1～2 m区间；(2)海底管道形态更趋顺直，与管道实际形态吻合度更高，以局部地形起伏区域的改善效果最为明显。

图3 侧扫声呐图谱进行斜距改正前后对比

图4 人工干预后的侧扫声呐海底跟踪值

由此可见，地形对海底管道等目标物的探测位置精度影响是不可忽视的。在侧扫声呐数据解释过程中，综合水深地形特征，对局部复杂地形进行人工干预，尤其是在没有其他方法对目标物进行更精确的位置标定的情况下，选取适宜的海底跟踪值进行斜距改正，可改善侧扫声呐对特定目标物位置及形态的探测效果。

2.3 对目标物尺寸计算的影响

海底管道出露、悬空高度探测是海底管道安全状态评价及治理的重要数据，因此，管道出露、悬空高度探测是海底管道检测工作中的重要任务之一。平坦海底条件下，来向华等[1]根据出露、悬空管道的声学阴影特征，建立海底管道出露及悬空高度计算方法，可以得到海底管道出露或悬空高度值，这也是当前应用侧扫声呐计算目标物的出露悬空高度的理想模型与同行方法。

图5 同一管段侧扫声呐解释结果对比示意图

如前文所述，海底管道的出露悬空多伴随冲刷槽、小型堆积体等复杂地貌形态，此情形下，声波信号的量取长度值(R)以及声学阴影的长度值(S)受地形的影响产生失真，从而导致声波信号掠射角与基于平坦地形条件下构建的理想模型存在偏离，进而导致海底管道出露或悬空高度计算值(h′)与其真实值(h)存在偏差。根据声波信号掠射角、地形倾角以及海底管道阴影特征参数的几何关系，构建起伏地形影响模型(见图6)。

图6 起伏地形条件下海底管道出露高度计算原理

根据图6确定的几何模型，可以推导出海底地形因素对侧扫声呐探测结果影响因子(k)的数学模型：

h′=Ssinα，

(1)

h=S(sinβ+cosβtgθ)，

(2)

(3)

式中：h为经地形改正后的高度；h′为地形改正前的高度；S为经斜距改正前阴影与管道对应点的距离；S′为地形改正前后的阴影距离差值；α为根据声波信号及拖体距海底距离(Hf)确定的掠射角；β为声波信号实际掠射角；θ为地形倾角。

式(3)中，影响因子k为α，β，θ的函数。由于当前主流侧扫声呐无法给出声波信号的实际掠射角，且考虑侧扫声呐在探测应用过程中实际情况，将α与β进行近似，即α≈β，并代入式(3)得到

(4)

由式(4)可见，影响因子k值与地形坡度成正相关，并受探测点掠射角度的影响。如图7所示，k值皆呈现随地形坡度增大而逐渐增大的趋势。此外，不同掠射角度下，k值呈现出明显差异，即掠射角度愈小而k值分布区间愈大，当掠射角度逐渐增大，k值分布区间快速收敛，当掠射角大于40° 时，k值分布曲线整体已趋于平缓，且分布区间收敛趋势明显减缓。同理，如图8所示，在不同地形条件下，影响因子k值随掠射角度的增大而逐渐减小。

图7 不同掠射角度下地形坡度与影响因子k的关系

图8 不同地形坡度下掠射角度与影响因子k的关系

由于海底管道悬空高度无法精确测得，为验证上述方法的可靠性，选择已知直径的海底管道作为“标的物”，根据地形数据及侧扫声呐数据，通过反演海底管道直径，对比地形改正前后管道直径反演值与实际直径的差异。以图3所示的悬空管道为样本，截取10个断面数据进行验证，检验结果见表1。

表1 某悬空管段管径反演结果

注：1)部分拖体高度值(Hf)经过人工干预；2)管径d=0.7 m,d1为改正前管径反演值，d2为改正后管径反演值，Δd1改正前管径反演值与实际管径的差值绝对值，Δd2改正后管径反演值与实际管径的差值绝对值。1)PartHfis corrected manully, 2)Pipe diameterd=0.7 m,d1,d2is the inversion results before and after correction, Δd1is the difference betweeninversion results and the actual value of Pipe diameter before correction, Δd2is is the difference between inversion results and the actual value of Pipe diameter after correction.

表1中的对比结果显示，在未考虑地形起伏的情形下，根据侧扫声呐图谱中的声学阴影宽度计算得到的管径结果与实际管径的差值绝对值介于0.08～0.20 m，绝均差为0.152 m，均方差为0.156 m；而经过地形倾斜导致的阴影畸变改正后，差值绝对值收敛至0～0.03 m，绝均差为0.015 m，均方差为0.017 m。经过地形倾斜导致的阴影畸变改正后，管径反演值与管径真实值符合度更高，样本各项统计误差均可减小至原来的10%左右。在海底管道检测项目中，经过地形改正后的悬空管道侧扫声呐探测结果与多波束、浅地层剖面探测以及潜水员探摸结果符合良好，对海底管道评估及治理工作提供了可靠的数据支持。

2.4 讨论

在起伏地形条件下，应用侧扫声呐进行海床或者特定目标物的探测，建议对探测区域的地形条件进行了解，并对探测方案进行合理优化，使侧扫声呐掠射角大于单次覆盖范围内地形的最大坡度，保证侧扫声呐的有效覆盖。探测过程中，应实时关注侧扫声呐探测效果，若出现明显地形阴影，则需要对探测方案进行实时调整，避免敏感目标物漏测。探测范围内的地形坡度(θ)特征，可根据水深实测值确定。当探测范围内缺乏精确的水深地形数据时，则需根据区域内的地形分布特征取值；当探测区域内存在小尺度的起伏地形，如冲刷槽、小型堆积，建议根据调查区域的底质、水动力等对控制地形发育等因素，选择具有代表性的坡度经验值，对侧扫声呐的探测结果进行修正，亦可得到较好的改善效果。

上文所述的起伏地形改正方法皆是在数据解释阶段进行，由于侧扫声呐数据的位置信息二维性，因此，改正过程中对拖体距海底距离、掠射角等参数进行了假设与近似，所得结果与真实情况会存在偏差。但是，在实际应用中，侧扫声呐拖体距海底距离与其单侧覆盖宽度比值一般设置为1∶5～1∶7之间，一般情况下，可将将声波信号实际掠射角(β)与计算模型中构建的掠射角(α)进行近似，这一过程导致的计算误差与侧扫声呐信号探测精度相比是可以忽略的。相比而言，当信号掠射角度过大时，随侧扫声呐数据的横向分辨率急剧降低，在侧扫声呐图谱上读取数据所造成的人为误差对计算及修正结果影响反而更加显著，从而出现表1中部分断面阴影宽度小于真实管径的矛盾现象，此情形下需增加数据读取的精度及样本数量，以减小由于人为因素造成的误差。因此，在侧扫声呐数据获取阶段，控制拖体与目标的相对距离，使掠射角不宜过大，以形成足够宽的阴影区，并充分利用侧扫声呐的高分辨率区间，使上述方法中的假设与近似成立，可获得良好的改正效果。