測深側掃聲吶在近岸海洋工程中的應用-海底管道調查

一、引言

作為海底地形地貌調查的關鍵技術裝備，多波束測深聲吶和側掃聲吶在海圖/航道測量、海底生境測繪、海底電纜/管道調查、航道疏浚、港口掃測、海洋牧場本底調查等諸多近岸海洋工程領域有著廣泛應用。多波束測深聲吶探測定位精度高，能實現全覆蓋、高精度水深測量，側掃聲吶可以獲取海底寬掃測范圍內的高分辨率海底聲吶圖像，因此，協同利用多波束測深聲吶與側掃聲吶，長期以來是海底地形地貌調查的有效技術手段。傳統多波束測深系統基于束控法基本原理，條帶覆蓋寬度與水深、波束開角有關，在近岸淺水測量環境中，水深淺、波束開角有限導致傳統束控法多波束測深聲吶的條帶覆蓋范圍非常有限，為完成全覆蓋測量，通常需要加密布設調查測線，這不僅導致了勘測效率降低、成本提高，而且加密測線對調查船操控、導航設備性能提出了更高要求。此外，傳統束控法多波束測深聲吶還存在邊緣波束質量較差、反向散射圖像分辨率較低等問題，不利于海底地形地貌局部特征的精細解釋。側掃聲吶雖然可以獲取海底高分辨率聲吶圖像，但常采用拖曳式作業，僅能給出海底地貌、地物的概略位置，存在難以進行量化分析、與水深圖配準融合難等問題。如何實現近岸淺水環境下海底地形地貌的高效測量始終是海洋調查技術領域的熱點和難點問題之一。

相較于傳統多波束測深聲吶、側掃聲吶的分置作業模式，一體化的測深側掃聲吶既可以同時獲取高精度水深數據與高分辨率聲吶圖像，又具有掃測覆蓋寬、結構簡單緊湊、對搭載平臺要求低、作業效率高、作業成本低等優點，測深側掃聲吶技術成為了近年來近岸海洋工程調查領域新的熱點。針對傳統測深側掃聲吶存在的測深精度低、噪音干擾嚴重、固有探測盲區等問題，本文以美國EgdeTech公司的新一代測深側掃聲吶EgdeTech 6205 S2為例，介紹多相位回聲測深側掃（MPES）技術的基本原理及測量精度，并以海底管道的調查實例證明了該技術在水深地形、海底地貌以及海底特征目標識別定位等方面的技術優勢，這對近岸海洋工程調查手段選擇具有參考意義。

二、技術原理

⒈測深側掃聲吶基本技術原理

測深側掃聲吶基于相干聲吶的基本技術原理，通常采用類似于側掃聲吶的板狀換能器基陣結構，基陣安裝于系統左右兩側，每側由1條發射線陣和多條接收線陣組成。利用各通道接收波形的相位差對接收回波的每個時間樣本進行回波方位估計，利用回波到達時間差計算海底距離，同時采集側掃聲吶圖像數據。基本技術原理如圖1所示，換能器陣中2個接收陣元RX_i固定間距為d，利用相位差在給定時間（t）下測量反射回波信號的角度(θ)和回波振幅（a_i），進而對海底進行點位深度測量和聲吶成像。

測深側掃聲吶的側掃幾何結構形成了非常寬的掃測視野，并提供了更寬的水深條帶覆蓋寬度，從而提高了在淺水區域的調查效率。然而，傳統的測深側掃聲吶極易受到水中復雜噪聲、混響、多路徑回波信號等因素的干擾，實現精確測深一直是一個難點。此外，該類型聲吶的側掃幾何結構中央波束方位估計精度差，導致了聲吶正下方天底部位數據誤差較大、存在探測盲區等系列問題出現。近年來，為提高測深側掃聲吶探測精度，結合束控多波束測深聲吶中的多通道接收基陣和相干多波束聲吶中的基于相位信息的估計方法，測深側掃技術得到了快速發展。

圖1 測深側掃聲吶基本技術原理

⒉多相位回聲測深側掃技術原理

多相位回聲測深側掃技術（MPES）在測深側掃聲吶基本技術原理上發展而來，是美國EdgeTech公司生產的新一代測深側掃聲吶EdgeTech 6205 S2系統的核心技術，該技術充分結合了束控多波束測深聲吶、相干多波束測深聲吶的優點，利用側掃聲吶的發射幾何結構，增加了接收陣元的數量，多個接收陣元通過波束形成和波束控制技術提高了聲吶靈敏度性能。側掃板條幾何結構保持了寬帶測繪能力，而波束控制降低了數據噪聲并消除了相干聲吶固有的天底部位探測盲區問題。

具體來講，MPES技術使用1對換能器陣列，1個面向左舷，1個面向右舷，以產生測深和側掃數據。每個陣列有10個測深接收陣元，每側最多可獲得9個相位差測量值，這種多相位測量在解決海底探測問題時有幾個優勢：①接收陣元的數量提高，使得每個水深數據的平均值和標準偏差計算精度提高，以便從統計上濾除雙重回波（或多路徑回波）噪聲數據，從而提高每個測深點的準確性；②增加的通道數通過波束形成和波束控制處理方法將能量聚焦在天底區域，從而在該區域創建更密集的數據集，實現了對整個海底條帶的測繪；③波束形成對多路徑回波進行有效抑制，降低了對聲學混響的敏感性，增強了對外來聲學噪聲的抑制；④同步采集、共同配準的多波束、側掃聲吶數據有助于提高外業勘測和內業數據處理效率。

水深測量精度是測深側掃聲吶重點關注的問題，有關學者通過實驗數據與參考數據對比，對MPES技術測深精度進行了評估。圖2為10m水深條件下水深總垂直不確定度（TVU）95%置信區間與水深的函數關系，圖中黑點及其藍色擬合線代表不同水深倍數條件下水深總垂直不確定度（TVU）95%的置信區間，紅色水平直線代表國際水文測量組織（IHO）特級測量標準的總垂直不確定度。由圖2可以看出，MPES技術在9.5倍水深范圍內符合IHO特級標準。與傳統多波束測深聲吶相比，以MPES技術為基礎的測深側掃聲吶能夠在更寬的覆蓋范圍內滿足水深調查標準規范要求，可有效減少調查區域內的掃測次數，減少數據采集時間和成本，提高調查效率。

圖2 MPES技術條帶測深數據精度評估

三、系統介紹與數據獲取

⒈系統介紹

基于MPES技術的EdgeTech 6205 S2測深側掃聲吶系統測深數據符合IHO SP-44特級標準，可生成共同配準的測深和雙頻側掃數據，可同時采集反向散射強度數據，波束開角可達200°,測深模式可選等角或等距模式，集成表層聲速傳感器，可選配集成OEM慣性導航系統。根據具體作業場景，系統有520/850kHz（雙頻側掃和520kHz測深）、520/850kHz（雙頻側掃和850kHz測深）、520/1600kHz（雙頻側掃和520kHz測深）、850/1600kHz（雙頻側掃和850kHz測深）可選，詳細技術參數如表1所示。

不同于側掃聲吶常用的拖曳作業方式，Edge-Tech 6205 S2測深側掃聲吶采用船舷固定安裝作業方式（圖3）。拖曳式作業方式易受載體、拖魚運動姿態影響，導致聲波發射-接收幾何關系動態畸變，嚴重影響對海底特征、目標物位置的準確判斷。而船舷固定安裝作業方式，側掃圖像直接與測深點數據配準，不需要額外進行這兩類數據的配準工作。在進行數據處理、解釋工作時，共同配準的多波束測深和側掃聲吶圖像可互相參考、驗證特征或目標，以確保不會從數據集中刪除真實特征數據，大大提高了后期數據處理和解釋工作效率。

⒉數據采集處理

本次海上調查作業期間，導航定位采用加拿大Hemisphere公司的HV110差分GPS定位系統和美國Coastal Oceanography公司的Hypack導航控制軟件，羅經采用法國Ixsea公司的Octans Ⅲ光纖羅經系統，聲吶系統默認通過Discover軟件進行采集控制、數據顯示/存儲，系統組成如圖4所示。外業采集數據工作完成后，使用Caris Hips & Sips、Son-arWiz軟件進行數據后處理，使用Surfer、Global Mapper等軟件進行成圖，進而開展海底地形地貌、管道埋藏狀態分析等工作。

表1 EdgeTech6205S2聲吶技術參數

圖3 側掃聲吶、測深側掃聲吶作業方式

圖4 EdgeTech6205S2系統組成

調查作業開始前，為滿足多波束和側掃聲吶全覆蓋測量要求，根據設備性能指標和作業海域現狀，在Hypack軟件中進行測線布設，平行海管方向布設測深側掃測線，垂直海管方向布設淺地層剖面測線，在單點系泊管匯重點關注區域，布設加密測線。多波束測深原始數據必須經過聲速改正、潮位改正等關鍵處理步驟，才能最終生成準確可靠的水深測量成果，為此，合理設計選擇站位進行了聲速剖面測量、驗潮工作（圖5a）。

聲速剖面測量設備為加拿大AML公司生產的Minos·X聲速剖面儀，外業調查期間共有效完成了4個站位的聲速測量，數據處理結果顯示，調查區表層聲速約為1540m/s，與多波束測深設備表層聲速值高度吻合，隨深度增加，聲速衰減速度先快后慢，調查區底層海水聲速約為1535.4m/s（圖5b）。潮位觀測使用了日本ALEC電子株式會社的Compact小型自容式驗潮儀，驗潮數據顯示，調查區潮汐為不規則半日潮，平均潮差約2.0m（圖5c）。實測聲速剖面數據和驗潮數據為多波束測深聲速折射改正、條帶拼接提供了基礎數據支撐。

為查明水動力環境對調查區海底沉積地貌改造的影響，在海底管道單點系泊附近海域采用挪威NORTEK公司的Signature ADCP進行了調查期間的潮流流速、流向觀測。觀測結果顯示，漲潮流方向為W向或NW方向，落潮流方向為E向或SE向（圖5d）。近底流速（距底1.2m）的平均值為0.08m/s，最大值為0.17m/s，最小值為0.01m/s；中層流速（距底10.2m）的平均值為0.10m/s，最大值為0.24m/s，最小值為0.01m/s；上層流速（距底20.2m）的平均值為0.20m/s，最大值為0.46m/s，最小值為0.07m/s，上層流速顯著大于底層流速（圖5e）。

四、結果與討論

⒈聲吶探測性能分析

在聲吶控制軟件Discover中對EdgeTech 6205 S2系統的側掃頻率、覆蓋寬度、增益以及測深門限、噪聲濾波等參數進行合理調節，確保現場高分辨率側掃圖像和完整測深條帶覆蓋。從現場作業結果可以看出，調查期間該系統的多波束和高頻側掃覆蓋大約在8倍水深以上，低頻側掃覆蓋約在14倍水深以上，聲吶成像分辨率較高，調查區內裸露管道、礁石等地貌特征在側掃聲吶圖像（圖6a）、多波束海底覆蓋圖上清晰可見（圖6b、c）。

圖5 調查區測線布設及觀測數據結果

為了檢驗該系統的多波束海底地形圖和側掃聲吶海底地貌圖的圖像配準效果，對同一測線位置處多波束海底地形圖（圖7a）、側掃聲吶海底圖像（圖7b）進行疊合處理，可以發現海底裸露管道在多波束海底地形和側掃聲吶海底圖像位置重合，配準精度高（圖7c）。相較于傳統拖曳式側掃聲吶定位精度低、與多波束地形圖配準難的問題，該系統高精度配準的多波束地形和側掃聲吶圖像有利于海底管道埋藏狀態的特征提取和目標定位解釋等工作。

⒉海底管道調查結果

⑴海底地形地貌特征

根據EdgeTech 6205 S2系統的掃測結果，發現調查管道路由區水深介于5～25m，從登陸點到單點系泊方向水深逐漸加深。海底地形整體平坦，只有近岸段受管道治理及其潮流沖刷影響嚴重，海底起伏變化較大，表現為崎嶇海底地形。在單點系泊管匯海域，固定海面浮筒的6條錨鏈在海底形成了錨溝地貌，6條錨溝在深度、規模上各不相同（圖8a、b）。單點系泊系統附近海域精確水深關乎著大型油輪的進出安全，通過水深地形和海底圖像特征的精細分析，發現有2處淺點的存在，淺點1、淺點2分別高出海底約1.4、1.5m（圖8c）。對于錨溝和淺點等影響單點系泊系統安全的潛在危險因素，應進行定期檢測復查，密切關注水深變化，必要時采取治理措施。

圖6 調查區海底管道現場作業結果

圖7 海底管道多波束、側掃配準圖像

通過聲吶系統的高分辨率側掃聲吶圖像，可以有效識別出調查區的海底地貌類型。調查區地貌分為自然地貌和人工地貌，自然地貌主要識別到平坦海底上的天然礁石等，人工地貌主要包括管溝處的回填碎石、裸露管道（圖9）以及錨鏈溝（圖8b）等，系統側掃聲吶圖像數據分辨率較高，成像效果好，易于開展海底地貌特征的判別分析。

圖8 單點系泊區域海底地形地貌特征

圖9 調查區主要海底地貌類型

⑵管道埋藏狀態分析

受海底地形、動力條件等復雜海洋環境因素影響，海底管道常因局部海床沖淤而出現裸露、懸空等問題，為保障海底管道運維安全，海底管道懸空治理常采用人工水草、沉排、碎石回填等措施。根據調查區的多波束水深地形（圖10a）和側掃聲吶圖像（圖10b），結合Innomar SES 2000淺地層剖面系統探測結果（圖10c），可對調查區內裸露海底管道埋藏狀態進行準確識別分析。通過對裸露段管道的特征統計，發現調查區內近岸區海底管道出露程度較為嚴重，隨著向離岸方向水深逐漸加深，管道裸露現象減少，呈現出自登陸點向單點系泊方向管道裸露程度逐漸降低的總體趨勢。

統計發現，調查區內多數路段管道兩側裸露程度不同，管道東北側裸露程度明顯低于管道西南側（圖10c）。初步分析認為，這種情況可能是由該區海流流向決定的，調查區潮流觀測結果表明該區主要流向為E—W向、NE—SW向（圖5d），常年主流向為NE—SW向。在該方向海流作用下，管道向流側（即東北側）形成堆積，管道背流側（即西南側）發生沖刷侵蝕，逐漸形成了管道兩側東北高、西南低的地形形態。這種情況如進一步發展，有可能會造成海底管道裸露情況加重甚至懸空，從而危及海底管道安全。

圖10 調查區裸露管道特征

⒊技術對比分析

在近岸海洋工程調查領域，多波束測深聲吶、側掃聲吶、測深側掃聲吶、合成孔徑聲吶以及淺地層剖面聲吶作為海底探測的主要技術手段，雖均基于水下聲學探測原理，卻在核心功能、技術特點及工程適用性等方面存在顯著差異。多波束測深聲吶基于波束形成技術，可實現全水深覆蓋、厘米級測深精度測量，是海道測量、島礁地形測量等精準地形測繪任務的首要選擇，但海底后向散射成像能力較差；側掃聲吶利用后向散射強度差異進行高分辨率海底二維成像，適用于海底目標的精細識別，但卻無直接測深功能；測深側掃聲吶則實現了多波束測深與側掃成像的雙重功能，同步獲取海底地形與高分辨率影像，可大大減少外業調查工作量，但在深水區作業時探測性能有顯著下降；合成孔徑聲吶突破了傳統聲吶的物理分辨率限制，分辨率高，抗干擾性強，常用于軍事/高威脅目標探測（如水雷、未爆物等）、高價值設施檢測，低頻合成孔徑聲吶被認為是掩埋物探測最可行、最有潛力的探測手段，但在與作業平臺（船載、拖曳、UUV等）系統集成、高精度運動補償、高效快速成像等方面仍存在諸多問題；淺地層剖面探測聲吶可穿透海底數十米，揭示沉積層、斷層等地質結構，常用于近岸海洋工程的地質條件評價。

在近岸海洋工程地質調查中，探測技術方案的確定需系統整合以下關鍵要素：①水動力環境特征（包括水深梯度、濁度、底質類型等）；②聲學探測設備的固有技術參數（如分辨率、覆蓋寬度、穿透深度）及其環境適應性；③作業平臺特性（船載、拖曳、UUV載等）；④成本效益（設備購置運維、外業數據采集、內業數據處理解釋等的全周期投入）。根據具體需求進行綜合分析，從而為特定工程場景提供科學合理的技術方案。

五、結論

⑴相較于傳統的多波束測深聲吶、側掃聲吶，測深側掃聲吶實現了海底測深和側掃功能的技術集成，已被證明可大幅提高近岸淺水海底地形地貌調查的作業效率和數據質量。以MPES為核心技術的EdgeTech 6205 S2測深側掃聲吶，其高精度條帶測深和同步配準的高分辨率雙頻側掃圖像有助于提升海底測繪效率和海底特征目標的定位識別精度。

⑵利用EdgeTech 6205 S2測深側掃聲吶實現了海底管道路由區海底地形地貌特征及管道埋藏狀態的準確、高效探測，證實了測深側掃聲吶在近岸海洋工程調查中在功能集成性、作業效率、數據協同性及多場景適應性等方面的優勢。通過分析對比近岸海洋工程調查中的常用探測技術手段，指出探測技術方案的優化選擇需綜合考慮水文環境參數、設備性能指標、作業平臺特性、成本效益等因素，才能為特定工程場景提供科學合理的技術方案。

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