参量阵浅剖探测技术在海底管线探测中的应用

参量阵浅剖探测技术在海底管线探测中的应用

刘勇

中石化胜利油建工程有限公司 山东东营 25700

摘要：海底管线的空间分布特征及其埋藏状态是海底管线探测工作研究的重点。如何快速、高效地对侧扫声呐系统、海洋磁力仪、管线地层剖面仪及浅水高精度多波束系统等海洋测量设备获取的原始数据进行精准处理及图像解译，生成海底管线的平面位置图、埋藏状态统计表、埋深信息表及埋设状况图等探测成果，并分析海底管线安全隐患的位置及提出合理的治理建议一直是业界关注的焦点。

关键词：参量阵浅剖探测技术；海底管线探测；应用

引言

浅地层剖面探测技术是海洋探测中最为重要的技术手段之一，可为海底地质调查、掩埋物探测、海底资源开发、水下工程选址、港口建设及日常维护等提供直观的数据信息。参量阵具有小孔径基阵相控发射低频、宽带、高指向性、无旁瓣窄波束的技术特点，可有效解决线性浅剖声呐受低频工作机制限制而存在的横向分辨率低、混响与噪声抑制能力差等技术缺陷，在浅剖探测领域具有与生俱来的独特优势。

1底管线探测主要流程及内容

1.1现场踏勘、资料收集

现场踏勘的主要内容包括：确定管线大概走向、位置；确定管线的起始点；了解管线周边海域的情况等；该地区往年这个时节的天气情况；水深及水文情况等。资料收集主要包括：以往管线相关资料、控制点成果等。

1.2人员、设备动迁

根据工作量的多少结合工区踏勘情况，制定人员配置和设备配备计划，并根据总体部署把人员、设备按时动迁到位。

1.3出海前的前期准备

海底管线测线的计算(海底管线测线布设、多波束测线布设和侧扫声呐测线布设)；海底管线探测相关设备的安装与调试(校正调试好DGPS定位系统、多波束进行现象安装校准测试、侧扫声纳系统调试、浅地层剖面仪现场调试)；潮位控制；船只安全设备的配备与检查；生活物资的准备；安全、保密相关培训等。

(1)测线布设。1)海底管线测线布设，测线布置时，要根据精度要求进行设计，确定测线长度和测线间隔；2)侧扫声呐测线布设，以规范要求布设侧扫声呐测线；3)多波束测线布设，以现场水深情况布设多波束测线。

(2)设备的安装与连接。测量前首先需要对仪器进行安装，仪器安装完成后，量取各位置偏差改正数，输入计算机实时改正。

(3)潮位控制。一般至少布设2个潮位站，可选择在出海的码头布设1个潮位站，另外在现场布设临时潮位站进行潮位观测。

2量阵SBP探测技术原理

SBP探测技术是一种基于水声学原理进行海洋地球物理调查的方法。通过在测量船侧舷垂直固定安装浅地层剖面仪，向海底发射不同频率的声波，以穿透海水至海底地层及目标物，接收反射信号形成地层与目标物的模拟图像。根据非线性调频技术生产的参量阵浅地层剖面仪换能器在高电压下同时垂直向海底发射两个频率相近的高频信号f1与f2(此处假设f1>f2)作为主频信号，当声波作用于水体时，由于参量阵的非线性特征，两个原始高频波会产生一系列的二次频率如f1，F2，(f1+f2)，(f1-f2)，2f1，2f2等。f1高频声波信号用来进行水深探测，而^与疋的频率相对非常接近，则(f1-f2)会产生低频率的差频信号，形成的低频信号拥有较强的穿透性。可以用来进行海底剖面探测．而且仍然可以保持高频时的波束角不变。参量阵技术的非线性特性决定了参量阵浅地层剖面仪具有以下优点：

(1)在使用小体积换能器的情况下，产生高指向性的低频声波；

(2)在更广的频率范围内指向性基本保持不变，且无旁瓣效应；

(3)更短的脉宽发射声波；

(4)更高的脉冲频率；

(5)更高的空间分辨率与动态范围；

(6)更低的混响级别。

参量阵浅地层剖面仪发射的差频声波拥有极强的指向性，且旁瓣效应低，其在较强的穿透能力和分辨率的条件下．可以详细探测出海底较小目标物的结构状况。结合DGPS导航定位系统，可以对海底管线进行平面位置的准确确定．满足对管线的定位要求：利用声波反射信号的双程旅行时间和声速可以准确计算出管线埋深深度，满足定深要求。

3底管线探测实例

3.1某航道小直径海底电缆探测

本次勘测是为航道设计做前期勘测．利用SBP探测技术对航道规划区域进行路由调查．调查路由走向与埋深，最终达到开挖航道时可合理规避海底电缆的目的。从已有资料可知海底电缆位置位于惠州市澳头镇某近海海域，海底电缆为光电复合缆，海底电缆路由全长近10km，电缆直径大小为8．5cm。由于探测目标为8．5cm粗的电缆，考虑到电缆的声阻抗不一定比海底地层层界声阻抗大，且直径较小，因此在采用适宜当地地质环境的最佳采集参数组合的基础上．探测过程中也尽可能地保持船速缓慢且平稳，并加入高精度姿态补偿仪和高精度导航定位系统，以获取清晰的管线回波反射弧。在浅地层剖面图像中可以清晰地分辨出电缆的反射弧，管线埋深约为2m；结合多条垂直于电缆测线上的剖面图像，可定位出多个电缆探测点。各点连接起来可绘出海底电缆路由。图3是多波束扫测海底地形得到的为铺设海底电缆开挖的管沟走向图．根据浅剖资料探测出的多个海缆点位绘制出的路由走向图．经比较与多波束扫测的管沟走向图一致，也与设计线缆路由保持一致。结合sBP探测技术获取的海底电缆探测结果与原始电缆路由资料对比分析，管线走向理论上对航道开挖无影响，因此无需进行航道改道开挖的设计更改。

3.2某海域百米水深管线探测

该管线路由位于外海海域，所处海域平均水深为80～100m，管线材质为钢铁材质，管道直径32cm。水深在百米深度附近，在保证换能器激发声波能达到海底的同时能穿透地层至埋深管线，并能接收到管道的反射信号，对于采集参数的调整是一个极大的考验。因此首先接人姿态仪进行实时涌浪数据校正。之后选取若干条测线进行试探性的探测，此过程不断调整增益、发射频率等参数，最终确定适合附近区域的采集参数．之后开始保持3～4kn船速，沿垂直于管道路由布置的计划测线进行该测区的管线探测，进行数据记录存储。在87m水深附近、埋深约半米的管道的反射信号较强，在浅剖图像中可明显看出管道回波信号形成的弧状反射模拟图像，利用后处理软件可精确地划定管线所在深度。结合DGPS导航定位系统可同时确定管线的平面位置。

结语

本文通过参量阵浅地层剖面探测技术在港口、航道海底小直径埋深电缆探测和百米水深的埋深管道探测两个典型实例．探讨浅地层剖面图像中管线识别中存在的问题，得出以下结论：(1)在加入高精度姿态补偿系统、选取合理参数的情况下，参量阵浅地层剖面仪可获取埋深2m、直径8．5cm海缆的高分辨剖面图像，也可获取百米水深埋深1m左右的32cm海管的高分辨剖面图像。体现出参量阵浅剖的指向性高、分辨率高的特性；(2)本文提出的信号分析识别管道反射弧和三维图像综合识别海底裸露管线两种方法，应用在实际工程案例中解决了诸多海底管线浅剖图像判读的难题：(3)对于一些复杂的海底悬空管线、裸露管线探测，可在参量阵浅地层剖面探测方法的基础上结合侧扫声纳探测、磁力探测、三维实时声纳等方法进行综合探测，以满足不同探测目的。

参考文献

[1]GB/T17502-2009海底电缆管道路由勘察规范[S].

[2]GB/T12763.8-2007海洋调查规范:第8部分:海洋地质地球物理调查[S].

[3]冯百全,亢保军,孟宪阔,等.综合物探在海底管线调查中的应用[J].港工技术,2015,52(02):94-96.