合成孔径声纳系统在海底掩埋电缆探测中的应用研究

赵阳

摘  要：随着海洋经济的迅速发展，海域使用开发活动日益频繁，海底已建掩埋电缆的探测尤为重要。该文以海底排污管道敷设工程为例，在管道敷设前，对该管道路由沿线周围进行了已建海底掩埋电缆准确位置调查。工程采用GPS定位系统、合成孔径声纳和磁力仪系统组合进行海底电缆探测，进一步证实了低频合成孔径声纳对海底掩埋电缆探测具有效率高、图像连续性好的特点。结果表明了该方法对海底掩埋目标物探测有较高的适用性，其船舷固定安装方式，有效减少了换能器与GPS偏移误差，能够有效提高目标位置精度。

关键词：合成孔径系统  海底  掩埋电缆  探测

中图分类号：U666.7                         文獻标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0068-03

The Application and Researchs of Synthetic Aperture Sonar System in Submarine Buried Cable Detection

ZHAO Yang

（Tianjin Water Transport Engineering Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin， 300456  China）

Abstract： With the rapid development of marine economy， the use and development of sea areas are becoming more and more frequent， and the detection of buried cables on the seabed is particularly important. In this paper， the submarine sewage pipeline laying project is taken as an example. Before the pipeline laying， the exact location of the buried submarine cables along the pipeline route is investigated. The project adopts the combination of GPS positioning system， synthetic aperture sonar and magnetometer system for submarine cable detection， which further proves that low frequency synthetic aperture sonar has the characteristics of high efficiency and good image continuity for submarine buried cable detection. The results show that the method has high applicability for the detection of buried targets on the seabed. The fixed installation on the ship side can effectively reduce the offset error between the transducer and GPS， and can effectively improve the target position accuracy.

Key Words： Synthetic aperture system; Seabed; Buried cable; Detection

近年来，随着海洋经济的发展和海洋开发的深入，海上活动愈加频繁，各种通信光缆、电力电缆铺设及后期检测工作与日俱增。人们在近海进行工程建设时，经常会遇到铺设在近海海底的电缆，这时就需要准确探测出电缆的位置，以确定后续的工程措施。但是传统侧扫声纳探测方法仅能够探测裸露于海底面的电缆，无法探测掩埋于泥面下的电缆。采用磁力仪、电缆仪等方法探测电缆，其测线以一定间隔垂直电缆方向布设，效率低，连续性及图像直观性差。该文从低频合成孔径声纳探测能力和特点入手，结合作业实践，探讨了低频合成孔径声纳对海底掩埋电缆探测的优越性。

1  仪器工作原理和技术要求

1.1 合成孔径声纳

1.1.1 合成孔径声纳工作原理

合成孔径声纳技术其基本原理是利用小孔径声纳基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径声纳基阵，在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号，根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理，从而形成等效的大孔径，获得沿运动方向的高分辨率。

对声纳系统而言，发射阵孔径越大，对目标的方位分辨率越高，但实际上不可能无限制地增大发射阵尺寸，因此真实孔径声纳的目标分辨率是相当有限的，而且真实孔径对于远距离目标的方位分辨率很差。要想提高分辨率就要提高信号的发射频率，而信号的衰减随频率的增大而增大，就需要用更大的发射功率才能获得更远距离的传输。针对这些问题，如果用真实的小孔径声纳运动等效地构成一个大孔径声纳，则可以提高目标方位分辨率。使用小孔径在许多方位向位置处发射和接收信号，来获得一个更大孔径，从而对海底的每个像素成像，最终形成整个海底的图像。

根据其基本原理，合成孔径声纳主要具有3个特点：（1）具有很高的横向空间分辨率，并且分辨率与声纳的工作频率和作业距离无关，而仅仅取决于基阵的物理孔径长度;（2）可以在低频工作，具有一定的穿透性，可以探测海底埋藏目标;（3）在分辨率相等的条件下，工作效率要高于侧扫声纳。因此，用低频合成孔径声纳探测掩埋海底电缆作业效率高，声图像反映连续直观，容易判断，是探测掩埋电缆的首选方法。

1.1.2 技术要求

探测时要遵守以下技术要求：（1）测线布设。合成孔径声纳测线布设平行于所需探测电缆方向，以30 m、60 m间隔布设。（2）航速。测船的航速不超过5 kn，测量时尽量保持匀速直线行驶。（3）海况。风速5级以下。（4）定位精度。使用高精度的DGPS。（5）拖鱼高度。换能器采用固定支架方式与船体固定相连。（6）加密测量。对探测目标不少于两个方向加密测量，可以减少目标位置中误差，提高位置精度。

2  换能器的精确定位

海底电缆探测涉及以下几个坐标系统：拖鱼坐标系、船体坐标系、测量坐标系。简述如下。

（1）拖鱼坐标系是以拖鱼中心为坐标原点，拖鱼前进方向为x轴，以垂直向下為y轴。

（2）船体坐标系主要是以船体中心或GPS定位点为坐标原点，船艏方向为x轴方向，垂直于船体方向为y轴方向（右舷为正），垂直向下为z轴方向，组成右手坐标系。船体坐标系主要是利用船舶导航定位系统确定拖体的坐标。测量时需要有船舶艏向和GPS点与拖体之间的相对位置关系。

（3）测量坐标系是海洋施工定位测量，一般情况下使用CGCS2000坐标系。如需不同坐标系转换，测量范围不大，可采用三参数法进行坐标转换，如果范围较大，则需要七参数。

在海底掩埋电缆探测中，目前一般常用方法为磁力探测法，随着技术的发展，近几年合成孔径声纳探测的方法逐步引入到海底掩埋物体探测中。采用磁力仪探测方法，为避免船体对磁力的干扰，拖体位于测船正后方约3倍船长处，其拖体与GPS定位点相对便移量较远。采用合成孔径声纳探测的方法，则仪器设备采用船舷固定安装的方法，换能器与GPS定位点相对偏移量可有效减少。测量示意图如图1所示。

3  测线的技术设计

根据调查目的，为准确探测掩埋的海底电缆，合成孔径声纳测量，测线根据水深情况，以适当间隔平行于电缆布设。调查中，尽量保持TVG不变，以保证图像的灰度一致，每条测线图像清晰。磁力仪测量掩埋电缆，拖体需进行适当配重，尽量减少与海底的距离。航行时实际测线偏移没有超过设计间隔的20%，航速保持稳定，船速5 kn左右。

资料采集过程中解释人员进行现场解释，发现如海底电缆等线状反射异常时，现场分析判断，做出是否进一步探测的决定，并做好记录。数据后处理采用SonarWeb声纳软件及Maglog磁力软件进行必要的处理，计算掩埋海底电缆准确位置。

4  应用实例分析

以福建海域排海工程海底管道路由与电缆穿越段已有电缆探测工程为例，其管道路由与电缆相交处，以待建管道路由为中心，交点两侧各250 m范围内进行已建电缆位置探测。主要仪器有DSM232 GPS/信标接收机（Trimble）、FlexSAS合成孔径声纳。作业过程中还采用了G882海洋铯光泵磁力仪对电缆位置进行了测量，其结果与合成孔径声纳探测结果进行了比对。

作业时GPS天线安装在合成孔径声纳探头杆的正上方，选择调查船甲板附近的船舷位置（约1/3船长处）固定安装合成孔径声纳换能器，此位置安装仪器能远离船主机、泵和螺旋桨，有效避免调查船摇摆及噪音干扰，合成孔径声纳换能器通过前、后、过船底钢缆拉紧。磁力仪采用60 m长绳后拖于船尾，与合成孔径声纳探测分开作业，作业中合成孔径声纳采用了高低频测量相结合的作业方式，高频测量泥面以上地貌特征，低频声波具有穿透泥面的特点。如图2所示，分别为同一地点合成孔径高频与低频电缆探测结果，从图像上可以明确看出，高频声纳图像没有电缆状线性声波反射，而低频图像可以明确看出电缆对声波的反射，从而判断电缆埋藏于泥面以下。结果证明，合称孔径声呐低频声波对泥面海底具有一定的穿透性，能有效分辨海底掩埋物体。

作业中还采用磁力仪对掩埋电缆进行了测量，磁力测量垂直于电缆方向进行，测量结束对其得到的磁力异常曲线进行连线，最终确定了电缆的位置，具体如图3所示。

此次工程中，通过使用合成孔径声纳与磁力仪对掩埋电缆进行了探测，结果证明低频合成孔径声纳图像连续，能够直观反映海底掩埋电缆的状态，较磁法探测效率更高，是海底掩埋电缆的最有效探测手段。

此次测量电缆位置，后期经过潜水探摸，确定为已建海底电缆，掩埋于泥面下1.2 m。

5  结语

合成孔径声纳系统在海底掩埋电缆测量时，能够给出高分辨率的反射信息，低频声波对泥面具有一定的穿透性。该文采用GPS定位系统、合成孔径声纳和磁力仪系统组合进行海底电缆探测，进一步证实了低频合成孔径声纳对海底掩埋电缆探测具有效率高、图像连续性好的特点。结果表明了该方法对海底掩埋目标物探测有较高的适用性，其船舷固定安装方式，有效减少了换能器与GPS偏移误差，能够有效提高目标位置精度。

参考文献

[1] 班多兴.合成孔径声呐图像预处理技术研究与应用[D].杭州电子科技大学，2020.

[2] 钟何平，唐劲松，黄攀.异构环境下的多子阵合成孔径声呐距离多普勒成像算法[J].计算机应用研究，2019，36（2）：376-379.

[3] 刘阳.合成孔径声呐信号处理技术与实现[D].杭州电子科技大学，2019.

[4] 钟何平，唐劲松，马梦博，等.共享内存环境下的干涉合成孔径声呐复图像配准及优化方法[J].武汉大学学，2019，44（8）：1169-1173.

[5] 金凤来，钟何平.一种改进的合成孔径声呐图像Lee滤波算法[J].舰船电子工程，2017，37（3）：35-37.

[6] 李海森，魏波，杜伟东.多波束合成孔径声呐技术研究进展[J].测绘学报，2017，46（10）：1760-1769.