海底地基形位测量仪研制与海上试验研究

李志刚，陈祥余，李海森，邓 平

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨150001)

在海洋平台地基基础测试分析技术研究中，获取海洋平台底部桩基周围区域的精确三维地形信息是一个重要的支持手段。当平台所在水域较深、能见度差、水下环境复杂时，水下摄像机和潜水员摸探等传统方式已不再适用，而采用多波束测深声纳或高分辨图像声纳来替代传统方式［1-5］，我国也主要依赖高价进口这些设备来解决国内急需。但因进口设备一般不提供原始声学数据，给测量结果的后续二次开发和利用造成很大困难;另一方面，长期依赖进口设备对我国自主知识产权海洋工程装备的发展十分不利。因此近年来国内在引进国外设备的同时，专门开展了相关技术研究，并取得了较大进展［6-10］。基于多波束测深声纳原理和自主开发的信号处理算法，研制一种具有自主知识产权的海底地基形位测量仪，重点给出其工作原理、系统组成和仪器的设计方案及关键技术，并结合细致的海上外场试验研究，验证了该设备技术先进、工作稳定可靠，通过海底地基形位测量结果与潜水员探摸比对不仅证明其有效可信，而且为海洋平台地基形位信息获取提供了一种新的国产化海洋工程仪器设备。

1 海底地基形位测量仪原理及关键技术

1.1 基本原理

海底地基形位测量仪的工作原理如图1所示，其基于多波束测深技术实现对海底的Mills交叉采样，即利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区正交形成一系列对海底地形的照射脚印，对这些脚印散射声信号进行专门的信号处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内海底地基形位高低和形位变化，再经过成图软件描绘出海底地形的三维特征。

图1 海底地基形位测量仪工作原理Fig.1 Working principle of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

1.2 海底散射信号DOA和TOA估计关键技术

根据多波束测深原理，海底散射信号的高精度估计技术是研制海底地基形位测量仪的关键。由于海底散射信号在垂直镜像区域和边缘非镜像区域具有不同的特征，必须采用不同的DOA(Direction of Arrival)和TOA(Time of Arrival)估计算法［6，9］，本文在镜像区域和非镜像区域分别采用了WMT(Weight Mean Time)和多子阵海底检测算法，并且通过水池实验验证了两种算法的有效性，从而保证仪器研制的可靠实施。

1.2.1 WMT算法

WMT算法的基本原理是对接收到的回波进行多波束形成，然后搜索多个波束方向上的回波能量最强区域来估计不同角度方向上的海底回波到达时间，从而得到多个角度方向上的水深信息。这种算法在垂直镜像区域效果较好，在边缘非镜像区域由于接收波束变宽导致脚印变大，使得深度估计精度下降，难以满足高精度测量需求，还需要开发适合于边缘非镜像区域的深度估计算法。

1.2.2 多子阵海底检测算法

边缘非镜像区域的深度估计算法一般采用相位检测法，多子阵海底检测算法就是较常用的一种。其基本原理［11-12］是对接收到的海底回波的每一个时间片(样本)，利用空间位置不同的多个子阵间的相位差信息，估计每个时间片的海底回波到达角度，从而得到水深信息。在垂直镜像区域由于回波方位变化快，这种算法估计效果一般，而在边缘非镜像区域却能得到很好的估计效果，并且这种算法的最大优势在于其能够得到高密度的水深值。由于海底地基形位测量仪安装在测量船上，通常利用边缘非镜像区域探测海洋平台地基形位，因此该算法对于海底地基形位精细探测发挥着至关重要的作用。

1.3 系统组成与设计方案

图2给出了海底地基形位测量仪设备组成。主要包括声基阵、系统硬件与辅助设备接口、软件算法等。其中声基阵由弧形发射阵和直线阵接收阵呈十字交叉分置方式;系统硬件包括多通道发射机、多通道接收机、高速并行处理平台、主控计算机、显示与存储设备等;为了获取高精度的海底地基位置信息需要多种辅助测量设备，如用以提供大地坐标的DGPS，用以提供测量船横摇、纵摇、艏向等姿态数据的姿态传感器，用以提供所测海区声速剖面信息的声速剖面仪以及所测海区潮位数据的验潮仪、升沉信息、测量船吃水等，因此获取这些信息的辅助设备接口也是必需的，这里配置了RS232串口和百兆网口两种;而获得精确海底地基深度信息关键技术是要高精度估计海底脚印散射信号到达时间TOA和到达方向DOA。相应的软件算法，包括数据采集、WMT、多子阵海底检测算法、显控软件等，分别运行在高速并行处理平台和主控计算机上。研制过程中，图2(a)的整个仪器设计方案可分为组合声学基阵和电子系统，而按照结构设计可分为水下分机和水上分机［13］。系统实物照片如图2(b)所示。

图2 海底地基形位测量仪组成Fig.2 Diagram of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

1.3.1 水上分机

水上分机主要由便携式一体机、互联电缆和辅助设备(姿态传感器、DGPS等)接口组成。其中便携式一体机由6块CPCI-6U结构的多层电路板组成，也是仪器的核心部分之一。见图3。

图3 海洋平台地基形位测量仪外观照片Fig.3 Appearance of seafloor groundsill's shape and position surveying equipment

按照功能划分为:接收机信号调理板2块、信号数字采集与预处理板1块、并行信号处理与系统辅助设备接口板1块、系统电源板1块和系统主机板1块，如图3(a)所示。

1.3.2 水下分机

水下分机主要由组合声基阵和换能器电子舱组成，其中组合声基阵也是系统核心部分之一，又称作水下声探头，如图3(b)、图3(c)所示;换能器电子舱内部主要由多通道相控信号源、多通道信号发射机以及多通道前置放大电路组成。

2 水池测试与结果

水下分机和水上分机硬件和软件研制并调试完成后，整个仪器在专用水池进行了整机性能详细测试，并以其对水池形状的测量效果作为检测系统性能的一种手段。其中水池长宽高分别为25、15和10 m，行车纵横走行精度皆为1 mm，吊杆旋转精度为0.1°。具体实验测试过程如下:1)水下分机安装于行车旋转装置吊杆上，位于专用水池长度方向一侧4.6 m、宽度方向中心位置，基阵吃水约0.3 m［14-15］，水上分机布放在行车仪器室，水上分机和水下分机通过电缆相连;2)旋转基阵180°后对池壁宽度方向进行测量，可以清楚地看到两边基本对称的池壁和池底形状(现场侧壁和池底显控软件情况如图4所示)，经多次实测统计，其距离长度方向一侧4.58 m、深度9.66 m、距水池宽度方向两侧距离分别为7.48和7.51 m，和已知位置相吻合;3)经过72小时连续工作考机，验证系统硬件和软件工作稳定性、可靠性。

图4 水池池壁现场检测结果Fig.4 Detection results of pool wall

经过上述水池实验，得到如下基本结论:1)实测数据与已知水池尺寸数据吻合情况很好，验证了其深度测量精度;2)该地基形位测量仪可以测量呈直角形状的目标，证明其工作原理与关键技术能胜任海底地基形位测量;3)该地基形位测量仪长时间工作正常、稳定可靠，具备了进行海上外场试验研究的条件。

3 海上试验测试与验证

3.1 试验基本情况

为了进一步验证该地基形位测量仪海上工作稳定性和实际海洋平台测量的适应能力，采用本设备并结合相关辅助设备数据处理方法［16-20］，对渤海JZ20-2平台进行水下三维地形测量，该试验水域水深约18 m左右。在正式测量之前，首先需要对地基形位测量仪的安装误差进行校准。图5是利用三条往返测线进行安装误差校准的结果，验证了设备具有良好的自吻合性。

图5 安装误差校准(三条测线)Fig.5 Installation error calibration(with three surveying lines)

3.2 测量结果数据详细分析

为了分析海洋平台地基形位变化细节情况，对所测量数据进行了精细处理。处理后得到的JZ20-2平台周边三维形位图像如图6所示，观察视角为60°俯视。

从图6中可以直观的看到平台周边的三维形位分布情况，其中图中三处柱状突起是测量过程探测到的平台结构，分别对应MNW、MUQ、BOP三个平台，即海洋平台海底地基形位测量仪发射的声波照射到平台桩腿及其他结构件上形成的平台架形位结果。

从图6中可以看出:①整个区域内相对平坦，水深变化范围不大;②在此区域内，平台附近北侧存在两个桩坑。在两个桩坑之间、靠近右侧桩坑位置，呈现一“带状”隆起，该“带状”沿东北至西南方向延伸，穿过JZ20-2MNW平台底部后，一直延伸至本区域左侧;③平台JZ20-2 MUQ平台底部存在不规则冲刷坑，冲刷坑最深处位于MUQ平台西北角，从测量结果数据上分析，该冲刷坑桩腿处的坑深为0.78 m;④JZ20-2 MUQ平台下方东南部呈隆起地形，高于平台外侧地基面;⑤MUQ平台外侧相近地形中，东北方向呈隆起地形向北方延伸，东部的相对低洼地形向东北方向延伸，与前述隆起地形相邻接;⑥MUQ平台东南角、BOP平台西北角区域发现管线引出地形特征，从图像中可清晰观察到由管线压块堆垒形成的隆起，隆起地形的形状走势与已有海管路由图相吻合。为便于分析描述，图7给出了MUQ平台位置及桩腿编号。

在图7所标注的四个桩腿中，测量数据覆盖了B1、B2、A2三个桩脚，平台最内侧的A1因为遮挡只测量到部分数据。下面仅就发现明显冲刷坑的B1桩腿处测量结果数据进行分析。

图6 JZ20-2平台周边形位图像(局部)Fig.6 Seafloor groundsill terrain map around JZ20-2 platform(local)

图7 MUQ平台位置及桩腿编号Fig.7 Position of MUQ platform and number of its pegs

1)B1桩腿处冲刷坑图像及尺寸分析

B1桩腿处的冲刷坑形状不规则，南北方向稍长，东西方向稍短。如图8所示，南北方向上桩腿向平台外侧的长度为7.0 m，东西方向长度为6.8 m。桩腿处的坑深为0.78 m(相对于平台参考基准点)。

2)B2-B1桩腿间冲刷情况分析

从B2到B1之间，每间隔0.5 m取一个水深点，根据水深点的深度和参考基准点深度，得到从B2到B1之间各点的相对深度数据列表如下，其中正值代表高出参考基准点，负值代表低于参考点，单位均为m。

表1中数据直观地说明了B2-B1桩腿间的地基形位分布情况。相对于参考基准点，B2桩腿处掩埋0.74 m，B1桩腿处的坑深0.78 m。将上述海洋平台海底地基形位测量仪测量结果与潜水员对导管架泥面四周进行探摸的结果相比较(详细冲刷情况见图9)。B1桩腿位置处悬空大约为80 cm，B2桩腿周围没有发现冲刷痕迹。

图8 B1桩腿处冲刷坑尺寸测量图Fig.8 Terrain map of the pit scoured around peg B1

表1 不同位置点的深度值Tab.1 Depths of different positions

图9 潜水员对导管架泥面探摸结果Fig.9 The result of canal frame mud plane groped by diver

3.3 与潜水员探摸比对结论

将海洋平台海底地基形位测量仪的测量结果与潜水员探摸结果相比较，可以得出以下结论:

1)对B1桩腿处的冲刷坑的测量结果吻合很好，潜水员探摸结果给出的是80.0 cm，而海洋平台海底地基形位测量仪的测量结果是0.78 m，两者基本一致。

2)与图9给出的潜水员探摸的泥面线相比较，海洋平台海底地基形位测量仪测量得到的地基形位曲线在整体上是吻合的，即B2、B1之间靠近B2桩腿有掩埋，而在靠近B1桩腿附近有明显冲刷坑。

由于海底地基形位测量仪能够给出二维坑形分析和更为详细的坑形剖面信息，更为全面地描述了地基冲刷状况，体现出该仪器设备的优越性，具有替代传统探摸方式的前景。

4 结语

基于多波束测深技术，采用分布式模块化硬件设计思想研制成功了海底地基形位测量仪系统，并通过水池试验详细测试、以及海上实际试验研究，得到以下结论:

1)通过对海上钻井平台的实测结果分析，验证了海洋平台海底地基形位测量仪可以用于海洋平台海底地基测量，尤其是对冲刷坑大小、坑形的测量;并且相比于人工探摸方式，其测量结果更为全面和细致。

2)该设备技术先进，填补国内海洋平台地基形位测量仪空白，具有进一步推广应用前景。

［1］ Yoshida Z，Asada A，Ikeda Y.et al.High precision survey by the multibeam sonar in the dam site［C］//OCEANS'04.MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN 04.2004(2):1133-1138.

［2］ Robert J Bruce，R Craig Shipp.Guidelines for drillsite selection and near-surface drilling hazard surveys［R］.Interim Pollution Prevention and Safety Panel Integrated Ocean Drilling Program，2003:1-30.

［3］ Brian Williams.Tetra tech marine mapping and remote sensing-data collection for marine device site characterization［R］.2012.4.

［4］ 刘保华，丁继胜，沛彦良，等.海洋地球物理探测技术及其在近海工程中的应用［J］.海洋科学进展，2005，23(3):374-384.(LIU Bao-hua，DING Ji-sheng，PEI Yan-liang，et al.Marine geophysical survey techniques and their applications to offshore engineering［J］.Advances in Marine Science，2005，23(3):374-384.(in Chinese))

［5］ Parnum I，Siwabessv J，Gavrilov A，et al.A comparison of single beam and multibeam sonar for seafloor habitat mapping［C］//The 3rd International Conference＆ Exhibition on Underwater Acoustic Measurement:Technologies＆ Results.2009:155-162.

［6］ 周天.超宽覆盖海底地形地貌探测关键技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2005.(ZHOU Tian.A study on high resolution detection techniques for super wide seafloor bathymetry and physiognomy［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2005.(in Chinese))

［7］ 李海森，陈宝伟，么彬，等.多子阵高分辨海底地形探测算法及其FPGA和DSP阵列实现［J］.仪器仪表学报，2010，31(2):281-286.(LI Hai-sen，CHEN Bao-wei，YAO Bin，et al.Implementation of high resolution sea bottom terrain detection method based on FPGA and DSP array［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31(2):281-286.(in Chinese))

［8］ LI Hai-sen，YAO Bin，ZHOU Tian.Shallow water high resolution multi-beam echo sounder［C］//MTS/IEEE OCEAN 08.Kobe:［s.n.］，2008.

［9］ 陈宝伟.超宽覆盖多波束测深技术研究与实现［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012.(CHEN Bao-wei.Research and implementation of the technology for super-wide coverage multibeam bathymetry［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2012.(in Chinese))

［10］孙宇佳，刘晓东，张方生，等.浅水高分辨率测深侧扫声纳系统及其海上应用［J］.海洋工程，2009，27(4):96-102.(SUN Yu-jia，LIU Xiao-dong，ZHANG Fang-sheng，et al.High resolution bathymetric side scan sonar system in shallow water and its application on the sea［J］.The Ocean Engineering，2009，27(4):96-102.(in Chinese))

［11］周天，朱志德，李海森，等.多子阵幅度-相位联合检测法在多波束测深系统中的应用［J］.海洋测绘.2004，24(4):7-10.(ZHOU Tian，ZHU Zhi-de，LI Hai-sen，et al.The application of multi-subarray amplitude-phase united detection method in multi-beam bathymetry system［J］.Hydrographic Surverying and Charting，2004，24(4):7-10.(in Chinese))

［12］周天，李姗，李海森，等.多子阵对相干算法在高分辨率多波束测深系统中的应用研究［J］.通信学报.2010，31(8):39-44.(ZHOU Tian，LI Shan，LI Hai-sen，et al.Research on the multiple subarray-pairs interferometric algorithm used in high resolution multibeam bathymetric system［J］.Journal on Communications，2010，31(8):39-44.(in Chinese))

［13］陈宝伟，周天，鲁东，等.形位测量仪分布式模块化硬件设计与实现［J］.电子测量与仪器学报，2013，32(3):13-18.(CHEN Bao-wei，ZHOU Tian，LU Dong，et al.Distributed and modularized hardware design and implementation in shape and position measurement instrument［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2013，32(3):13-18.(in Chinese))

［14］周天，陈宝伟，李海森，等.基于全孔径波束相位的方位估计新算法［J］.仪器仪表学报，2010，31(10):2268-2271.(ZHOU Tian，CHEN Bao-wei，LI Hai-sen，et al.New DOA estimation algorithm based on whole aperture beam phase information ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31(10):2268-2271.(in Chinese))

［15］刘晓，李海森，周天.波束域相位中心互相关DOA估计方法［J］.电子测量与仪器学报，2012，31(3):547-552.(LIU Xiao，LI Hai-sen，ZHOU Tian.Beam-space phase center cross correlation method for DOA estimation ［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2012，31(3):547-552.(in Chinese))

［16］魏玉阔.多波束测深假象消除与动态空间归位技术［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.(WEI Yu-kuo.Technique of bathymetric artifact elimination and seafloor footPrint positioning for multibam bathymetry［D］.Harbin:Harbin Engineering U-niversity，2011.(in Chinese))

［17］陆丹，李海森，魏玉阔，等.基于截断最小二乘估计的多波束异常测深值剔除方法［J］.大地测量与地球动力学，2012，32(1):89-93.(LU Dan，LI Hai-sen，WEI Yu-kuo，et al.A method of multi-beam bathymetry outliers elimination based on trimmed least squares estimation ［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32(1):89-93.(in Chinese))

［18］阳凡林，卢秀山，李家彪，等.多波束勘测运动传感器偏移的改正方法［J］.武汉大学学报:信息科学版，2010，35(7):816-820.(YANG Fan-lin，LU Xiu-shan，LI Jiab-iao，et al.Correction of imperfect alignment of MRU for multibeam bathymetry data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2010，35(7):816-820.(in Chinese))］

［19］赵建虎，刘经南.多波束测深系统的归位问题研究［J］.海洋测绘，2003，23(1):6-7.(ZHAO Jian-hu，LIU Jing-nan.Problems on the conformity to the real sounding points from the multi-beam sounding system［J］.Hydrographic Surverying and Charting，2003，23(1):6-7.(in Chinese))

［20］吴自银，金翔龙，郑玉龙，等.多波束测深边缘波束误差的综合校正［J］.海洋学报，2005，27(4):88-94.(WU Zi-yin，JIN Xiang-long，ZHENG Yu-long，et al.Integrated error correction of multieam marginal sounding beam ［J］.Acta Oceanologica Sinica，2005，27(4):88-94.(in Chinese))