1、第27卷第4期2007年7月Vol.27,No.4JuL,2007海洋測繪HYDROGRAPHICSURVEYINGANDCHARTING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周興華，姜小俊，史永忠(浙江省水利河口研究院，浙江杭州310008)摘要：首先介紹了杭州灣油管檢測工程概況，引出了海底油管檢測的必要性。其次，介紹了該工程中運用的兩種重要儀器側掃聲納和淺地層剖面儀的原理及影響因素。最后，通過兩種儀器的數據分析、圖像判讀,提出了綜合利用兩種儀器可增強兩種數據的互補性并提高工程質量、關鍵詞：側掃聲納;淺地層剖面儀;數據處理;圖像判讀中圖分類號：P229.1文獻標識碼：B文章編號：

2、1671-3044(2007)04-0064-041引言杭州灣的三條海底管線,北起平湖白沙灣南至慈溪半掘浦閘，已于2004年底前相繼完成鋪設并投入運行。由于該輸油管線絕大部分鋪設在海床表面，而管線所在的海域水流急，潮流的季節性變化大，管線所在的海床沖淤幅度較為劇烈。一旦管線因為海床沖刷而引起懸空發生斷裂，必然會造成輸油的中斷，影響甬一滬、寧石化企業的生產，造成重大經濟損失。從已有的管線斷裂修復情況來看，困難較大，費用驚人；另一方面造成嚴重的環境污染，影響錢塘江兩岸居民的日常生活。因此對管線進行定期檢測，確保輸油管線的安全運行就顯得非常重要。而檢測內容主要包括管線的平面位置和管線埋深狀態。可能造

3、成路由管線發生斷裂事故的原因主要有兩種情況：(1) 路由管線的懸空跨度過長，管線中輸送的原油由于重力作用對管線的壓力超過了管線所能承受的極限,從而發生路由管線的斷裂；(2) 由于特殊地質條件，某段路由管線發生大幅度下沉，原油和路由管線上覆蓋泥沙的重力對管線的壓力超過了管線所能承受的極限，從而發生路由管線的斷裂。造成海底路由管線斷裂的通常是第一種情況，因此本文的討論也是針對上文的第一種情況而言的。2工作原理2.1側掃聲納的工作原理本次側掃采用美國Benthos公司的SIS1624聲納側掃系統，是在Benthos公司的1500型聲納側掃系統基礎上發展的新一代掃海設備，是一種集高科技與傳統型相結合的

4、掃測手段。側掃聲納的原理：聲納發出信號遇到海底然后返回到聲納中，返回的聲波由聲能轉換成電能，并且通過電纜向上傳送到海面上的記錄顯示單元內，由于返回的時間不同，也就是傳送的距離也不同，并且返回時間的不同，顯示的灰度不同。每一條掃描線一條靠著一條有中地排列起來形成一幅記錄圖像，這樣就可以看到海底的任何特征和位于海底面的目標。側掃聲納的幾何關系是人們對側掃記錄判讀解釋的關鍵。如圖1就是側掃聲納的幾何關系。A為拖魚深度;8為拖魚到海底的高度；C為拖魚到目標物的斜距;。為聲圖陰影區長度;/為目標物的高度。根據相似三角形原理:音=鑫，由此可以計算出目標物的高度。2.2淺地層剖面儀的工作原理本次使用的淺地層

5、剖面儀是Edgetech3200淺收稿日期：2006-12-14；修回日期：2007-03-03作者簡介：周興華(1980-),男，浙江臨安人，碩士，主要從事海上探測和海上地形測髭應用研究。剖系統，搭配的拖魚是216s,頻率216kHz,應用全頻脈沖處理技術使得到的圖像比帶寬有限的普通聲納產生的圖像信噪比有極大的提高。海底淺地層剖面儀工作方式與測深儀相似,工作頻率較低,測深儀只能測量換能器到海底的水深，而淺地層剖面儀不僅能測量換能器到海底的水深，還能探測換能器垂直下方的海底一定深度，反映海底地層分層情況和各層底質的特征。淺地層剖面儀的換能器按一定時間間隔垂直向下發射聲脈沖，聲脈沖穿過海水觸及海

6、底以后,部分聲能反射返回換能器;另一部分聲能繼續向地層深層傳播，同時回波陸續返回，聲波傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。測量地層厚度，實際是測量聲波穿透地層傳播的時間，如表示地層上下兩個界面之間的時間差，即聲波往返兩次穿過該地層上下兩個界面的時間，。表示該地層的聲速,這樣就可按下式算出該地層厚度：w=l/2cAT式中,w為地層厚度（m）；c為地層聲速（m/s）；AT為聲波往返兩次穿過地層的時間（s）°地層聲速隨著不同的沉積物存在不同的聲速，聲波的海底反射能量大小由反射系數（R）決定，反射系數R為：R=入射脈沖振幅=P2嶺反射脈沖振幅-P2V2匕分別表示一、二層介質的密度和

7、聲速，由上式可知要得到聲強反射，介質必須有大的密度和大的聲速差，如相鄰兩層有一定的密度和聲速差，其兩層的相鄰界面就會有較強的聲強，在剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強的剖面的界面線。3影響側掃聲納聲圖和淺地層剖面儀精度的因素3.1影響側掃聲納生圖的因素在聲納圖譜上，一類是我們所希望得到的信號，另一類是我們所不想得到的信號:前者指從日標和海底的反向散射回來的信號，后者則為噪聲（包括電氣噪聲和聲學噪聲）和混響。為了能在記錄上把這兩類信號區分開來，“好”信息應比“壞”信號強。一般地說，噪聲電平都較恒定，而回波信號和混響則隨聲納距離的增大而減弱，但是混響減弱的速度比回波信號慢，因為在擴散的波束中含有更多

8、的散射體。系統電氣噪聲可以通過元器件的仔細設計和屏蔽而減小到最低限度。在某一距離上，目標回波信號將減小到背景噪聲聲源級以下，這意味著，回波信號無法在記錄圖上被檢測出來。在這里，我們舉例說明在聲納圖像中的遇到的幾個典型的影響因素.見圖2、3c二次回波:在側掃聲納圖像中常有來自單個目標的多路徑因1聲信息c它們會在一些特定的環境下出現。當操作在平靜適中深度的水中，多路徑網聲則可能由強目標產生。在圖2中顯示的海底輸油管線多路徑圖像的一種情況。在記錄的左側，大的管記錄跟隨兩個多路徑何聲信號°第一目I聲信號比第二同聲信號清楚的多，強的多。在記錄的右側的管線只出現多路徑回聲信號，它只是在記錄中部分

9、區域出現，然而在一些區域消失。綜上所述，多路徑回聲是不常見的，并且當環境條件恰好滿足它出現的條件才會產生。圖2多路回聲干擾的圖像尾流:在側掃聲納記錄上船的尾流是一種主要的干擾源，航行的船的推進器在靠近水面產生一條氣泡的痕跡，這些氣泡在船離去以后在水體中仍存在很長的時間。尾流在聲納記錄上呈灰色,其邊緣不清楚。其記錄圖譜類似云狀°尾流產生的時間越長其覆蓋的區域越廣，記錄的顏色越淡。這是由于所通過水體沖的氣泡逐漸減少的原故。相反地，越靠近尾流源，記錄圖譜越細,但顏色越深。在圖3中，顯示船的尾流覆蓋了記錄的一些區域，使得解釋變得困難，甚至遮蔽了小的目標。在側掃圖像處理中，尾流的干擾可能是一個

10、實際問題。當然在圖像難以分辨出油管的時候，我們就得結合淺剖圖像來確認。圖3尾流干擾的圖像66第27卷3.2影響海底淺地層剖面儀的環境因素應用聲納系統受到海上各種環境因素的影響。因此，應用聲納系統在海上工作應該注意海上環境因素，只有正確使用聲納系統,才能獲得良好的聲圖圖像,才能得到正確的解釋結果。影響淺地層剖面儀的海上環境主要因素有以下兒方面：地質條件:海底底質是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等類型，嚴重制約聲波穿透深度。氣水界面:氣水界面能將發射聲能幾乎全部反射,兒乎無發射聲波觸及目標。船尾的尾流區域:如果采用船尾拖曳換能器，應該使換能器避開船的尾流區，一般方法是使換能器入水深度加深，或者拖纜加長。噪

11、聲:在系統的帶寬范圍內的外界聲源信號都可能串入造成干擾信號圖像，如：電噪聲、水噪聲、船只機械噪聲、沿岸工程噪聲等。船只擺動:拖魚設計為穩定的水平狀態工作，船速和航向不穩定造成船只搖擺，使拖魚不能保持平穩狀態，造成圖像不良。海況:涌浪使船只搖擺，致使拖魚不穩定。4數據處理4.1側掃聲納數據處理分析(1)側掃聲納處理流程在這里我們用HyPack來定位,HyPack的內存共享實現了定位和側掃的同步打標，在HyPack打標記錄定位數據的同時,觸發側掃打標，并將定位點號在側掃圖像的打標線中標出，即圖4中的EVT值，根據側掃圖像中管線海底狀態變化的節點相對于打標點的位置，通過數值內插的方法可以確定這些節點

12、的位置，作為編制管線海底狀態成果表定位數據，數據處理流程如圖5所示。編制管線海底狀態成果表I圖5側掃數據處理流程圖(2)側掃聲納圖像判讀根據側掃圖像中可以基本判斷管線的海底狀態,對于未出現管線的側掃圖像，則該段管線海底狀態為埋底;對于出現了管線的側掃圖像，可以根據管線兩側的陰影來判斷管線的狀態，雙側均未出現陰影的為裸露管線,單側泛白的為單側沖刷管線，雙側泛白的可以初步判定為懸空管線，要確定是否懸空,還需根據其他測量手段獲取資料來加以分析確認。圖6即為側掃圖像。圖6側掃圖像OlV：0V01/2M4TiM：m的wmsec.io4.2淺剖數據處理分析(1)處理流程由于HyPack實現了定位和淺剖的同

13、步打標,通過淺剖的打標設置，可以將HyPack傳入的打標號顯示在淺剖圖像上(如圖7),通過打標號對應，可以內插出管線的位置.而通過淺剖圖像可以量取管頂相對于河床面的高度，這樣可以作為繪制管線縱剖面圖數據源，同時結合地形測量的數據可以編制海底管線坐標成果表。UtriOfO4XH.ltxcrinonr.”圖4HyPack控制側掃同步打標圖圖7HyPack控制淺剖同步打標圖(2)圖像判讀在進行淺剖圖像判斷時，以圖像本身的刻度為參照，根據管線管頂與河床之間的相對位置關系判斷出管線的海底狀態。如圖8管頂位于海床面以下的管線狀態為埋底，管頂位于海床面之上的,如果管頂與海床面之間的高差小于管徑則管線狀態為裸

14、露，如果管頂與海床面之間的高差大于管徑則管線狀態基本可以判斷為懸空,要確認該狀態，還必須結合其他檢測資料加以分析判讀。圖8淺剖管線埋深示意圖4.3側掃和淺剖的綜合分析由于儀器本身功能的局限，同時為了對各項檢測成果進行相互檢核，在進行數據處理時，需要時要將側掃、淺剖數據進行綜合分析，從而最終確定管線的海底狀態。圖9為誤差信號的管線淺剖圖像。圖9誤信號的管線淺剖圖像如圖9中，管頂到河床面的距離與前后幾個斷面測得的值相比異常，這是因為管線的多次反射會在管線的上方形成誤信號，這種情況下要結合側掃圖像來進行判別。5結束語本次杭州灣海底管線檢測施工過程嚴格按照有關國家規范、行業規范的具體規定實施，過程檢查

15、貫穿整個項目實施過程，各類儀器比測均滿足相應的限差，能滿足本次檢測的精度要求。利用側掃聲納進行掃測時，獲得海底、水體的目標和地形等圖像，通過圖像判讀確定目標的性質、大小、范圍和地形的變化。而利用淺地層剖面儀可以確定油管的狀態和各種狀態的程度。綜合利用兩種儀器進行測量，可有效的增強不同觀測數據的互補性并提高工程質量。側掃、淺剖測線布設合理,施測過程科學，定位準確,各類圖像清晰。當然在特殊的地質條件下，還必須結合海洋磁力儀和測深儀來進行探測。數據處理流程科學，具有較強的可追溯性,各類檢測數據相互之間吻合較好。參考文獻：1胡建炯，姜小俊，任少華，等.多種物探儀器在海底路由管線檢測中的綜合應用J.現代

16、測繪,2006,(增刊)：34-36.2；羅深榮.側掃聲納和多波束測深系統在海洋調查中的綜合應用J.海洋測繪,2003,(D：22-24.3 楊鮑，孫艷軍，隋海琛，等.聲納和淺剖在渤西管線物探調查中的應用J.水道港口,2003,(1)：43-47.4 張金城，蔡愛智，郭一飛，等.淺地層剖面儀在海岸工程上的應用J.海洋工程，1995,13(2)：7174.5 夏美永，米曉利.淺海剖面儀在海洋工程中的應用J.物探裝備,2002,(1):52-54.ApplicationofSideScanSonarandSub-bottomProfileintheCheckingofSubmergedPipeli

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