侧扫声纳和浅地层剖面仪在海底管线检测中的应用

董玉娟，周浩杰，王正虎

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300450；2.宁波上航测绘有限公司，宁波315200）

侧扫声纳和浅地层剖面仪在海底管线检测中的应用

董玉娟1，周浩杰2，王正虎2

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300450；2.宁波上航测绘有限公司，宁波315200）

介绍了侧扫声纳和浅地层剖面仪的工作原理，并根据海底管线铺设特点，侧扫声纳系统可以高效的探测出海底面以上管道的走向、平面位置、裸露高度等管线信息和海底地形等图像，而浅地层剖面仪可以精确的获取海底管线的裸露高度、埋设深度等管线信息和海底底质情况。通过实例说明了侧扫声纳和浅地层剖面仪在海底管线探测的工作流程，总结出两种探测系统在探测海底目标上的优缺点，说明了多种探测手段的综合应用是海底管线探测技术的发展方向。

侧扫声纳；浅地层剖面仪；海底管线探测；图像判断

随着海洋资源大力开发，海底电缆、输油管道、供水管道铺设和维护工程逐步增多。管道铺设前需要对其管道路由海域进行详细的水文地质调查，管道铺设后需及时或定期对管道安全稳定运营情况进行检测。这些调查和检测需用到包括单波束、多波束、侧扫声纳、浅地层剖面仪等大量地球物理探测设备［1］。单波束和多波束以水深形式反映海底地形地貌特征，单波束操作简单，成本较低；侧扫声纳以影像等形式反映海底地貌特征，其工作效率高，检测裸露于海底面的管道效果好；浅地层剖面仪以断面图像反映管道各种状态信息，管道埋深探测精度较高。多种海洋探测设备的合理综合应用，可以充分利用各个设备的优点，突破单个项目投入设备的单一性，可以从多方位、多途径快速的获取高分辨率、高质量的海底地质结构、海底地形地貌等数字信息，为海洋开发建设提供了可靠的数据支撑。本文根据工作实例阐述了浅地层剖面仪和侧扫声纳系统的工作原理，针对浅地层剖面仪与侧扫声纳系统的各自特点，介绍了EdgeTech 3100型浅地层剖面仪和4200-FS［2］型侧扫声纳系统在海底输油管道检测中的综合应用。

1 工作原理

1.1 侧扫声纳工作原理

侧扫声纳又称“旁视声纳”或“海底地貌仪”，是主动声纳的一种，海洋探测的重要工具之一。侧扫声纳系统由拖鱼、线缆和处理器三部分组成。其工作原理为：由侧扫声纳拖鱼的发射单元两侧同时向海底发射一定频率声波脉冲，声波传播至海底或遇障碍物时发生反射和散射，其接收单元接收反射和散射到侧扫声纳拖鱼接收单元的声纳信号，声纳数据处理单元根据海底地物的散射和反射信号强度大小转换成不同灰度像素影像来呈现待探测目标相对海底的状态［3-4］。侧扫声纳工作原理的几何关系是人们对侧扫记录图像判读解释的关键［5］。右图1为侧扫声纳的工作原理图。其中A为拖鱼的入水深度；B为拖鱼至海底的深度；C为拖鱼至海底目标障碍物的距离；D为影像阴影区的长度；E为目标物的裸露于海底的高度。根据几何关系，可计算出目标障碍物裸露于海底的高度E。

图1 侧扫声纳工作原理Fig.1Working principle of side scan sonar

1.2 浅层剖面仪的工作原理

浅层剖面仪与测深仪工作原理相似，都是由发射单元向海底发射一定频率的声纳脉冲，接收单元接收其反射声纳信号。主要区别是测深仪发射声纳频率高（如高频为200～400 kHz），其声波穿透能力差，主要用于测量海水深度；而浅地层剖面仪发射声纳频率低（如2～15 kHz），产生声波的脉冲能量大，声波穿透能力强，分辨率高，可穿透海底一定深度的淤泥层、砂质层和基岩层。主要用于海底地质调查、海洋工程建设和海底管道铺设及检测等项目。市场常用的浅地层剖面仪有线性和非线性声源两类。线性声源功率大穿透能力强，但体积大，携带不方便。非线性声源体积小而轻，使用方便，但穿透能力差。如EdgeTech公司生产的一种高分辨率宽带调频浅地层剖面仪3 100P系统采用全频谱CHIRP技术，其分辨率可达4 cm，穿透能力可达80 m。

浅地层剖面仪记录图像是海底不同介质层对声波传输过程中的反射强弱呈现，在不同的介质中，声波的传播速度不同［6］，其反射和透射系数也不同，当两种介质的反射和透射系数越大，接收到的反射信号就越强，反之则较弱。因此，接收到的反射信号，携带了海底地层的大量有用地质信息，通过观测记录并分析海底沉积物对于声波的反射影像，可以了解沉积物的地质属性，并可以直观的识别地层的地质构造。

2 图像判读

侧扫声纳主要检测海底面以上管道的裸露和悬跨高度以及海底冲刷等状态。浅地层剖面仪不仅能检测裸露于海底面以上的管道状态，还能检测海底面以下一定埋深的管道状态。

2.1 侧扫声纳图像判读分析

（1）侧扫声纳进行检测裸露于海底面上的管道时，可获取如下图2所示的声纳影像图。声纳传播至裸露于海底的管道时会形成较强的反射和散射，即声纳记录影像中会形成黑色条状管道目标物，而裸露于海底面的管道对声波的屏蔽作用，其在声纳记录影像上会形成白色声影区。假设声波在水体中为直线传播，可以通过声纳影像图上矢量数据和声波传播的几何关系计算出管道裸露于海底面的高度（D-h）。

式中：D为管道已知的直径；L1、L2为斜距；H为拖鱼距海底高度；h为管道埋入海底面以下的高度。L1、L2和H均可从声纳影像图上直接量取。

（2）侧扫声纳检测悬跨于海底面以上的管道时，可获取如下图3所示的声纳影像图。由于管道悬跨在海底上，声线可以从管道下方传播至管道背面一定距离，即声纳影像中在黑色条带管道阴影区后方间隔一定距离后形成管道遮挡白色声影区，这与裸露于海底管道声纳影像的明显不同之处，也是主要区分海底管道是否处于裸露或悬跨状态的关键所在。海底管道悬跨高度h可由以下公式计算出。

式中：D为管道已知的直径；L1、L2为斜距；H为拖鱼距海底高度；h为管道悬跨高度；L1、L2和H均可由声纳记录上量取。

（3）当管道位于管道沟中时，侧扫声纳检测中可获得如下图4和图5的声纳影像图。若管道裸露于管沟面时会形成如下图4的声纳影像。由于管沟壁对声波传播路径的遮挡，在管沟拖鱼一侧的管沟壁与管道间会形成一定距离的白色声影区，而由于管道的遮挡在其背面也会形成白色声影区，即在声纳记录中会形成在管道影像的两侧都有白色声影出现的情形。

侧扫声纳检测悬跨于管沟地面的管道时，形成如下图5声纳影像结果。即管道黑色阴影区两侧可能都会出现白色遮挡声影区，但距管道阴影区会有一定距离，与图4的情况有所不同，主要用于区分管道是否悬跨于管沟中。声纳对管沟中的管道检测中，由于沟槽和管道几何尺寸变化的影响，获取完整的管道影像比较困难，而且管道背面约垂直于声线的沟壁对声波反射较强，管道影像难以分辨，这种情况侧扫声纳探测效果欠佳，更适合于浅地层剖面仪探测。

2.2 浅地层剖面仪图像判读分析

浅地层剖面探测是海底管道探测的重要手段之一，管道无论是裸露于海底，还是埋藏于海底面以下，浅地层剖面探测都能简洁、直观的探测出管道在海底的状态信息。浅地层剖面仪探测海底管道可得到如下图6和图7的声纳图像。图6为管道裸露于海底的声纳剖面图，海底界面明显，管道图像清晰圆滑，剖面声纳记录中海底管道因较强的反射而形成颜色较深声影，且管道下方信号屏蔽现象明显，而海底底质对声波反射均匀且较弱，形成的剖面声影颜色较浅且均匀。根据如下公式h=h2-h1可得管道裸露于海底的高度h,其中h2、h1可由测深仪精确测出，h也可由声纳剖面图上直接量取。在已知管道直径D的情况下，若h＞D，则管道悬跨于海底，若h＜D，则管道裸露于海底。图7为管道埋藏于海底面以下的声纳剖面图，海底底质剖面图像均匀较浅，弧状管道信号清晰，而管道的埋深H可由声纳剖面图上准确量出。

图2 海底裸露管道声纳影像分析图Fig.2Bare submarine pipeline sonar image analysis diagram

图3 海底悬跨管道声纳影像分析图Fig.3Suspended span submarine pipeline sonar image analysis diagram

图4 裸露于管沟中的声纳影像分析图Fig.4Bare in trench of pipeline sonar image analysis diagram

图5 悬跨于管沟中的声纳影像分析图Fig.5Suspended span in trench of pipeline sonar image analysis diagram

图6 裸露管道检测分析图Fig.6Bare pipeline detection analysis diagram

图7 埋藏管道检测分析图Fig.7Buried pipeline detection analysis diagram

3 应用实例

3.1 实例一

舟山某海域二期输水管道因生产需要，需对该管道海域段进行全面检测，确保输水管道在海底是否存在裸露、掩埋、悬跨等状态，管道铺设海域是否有强烈冲刷、淤积、断层等变化。该期管道分南、北双线，其海域段长度达30余km，输水管道采用螺旋埋弧双面焊接钢管，管道直径1.2 m。管道铺设采用挖沟铺设管道自然回淤方式填埋。管道路由海域水深大多在8～12 m，最深达20 m。本次使用美国Edge Tech公司生产的4200-FS型双频侧扫声纳系统和3100 P型浅地层剖面仪探测，采用Trimble DGPS进行平面定位。设备先进，性能可靠。

根据管道探测特征，首先采用侧扫声纳沿管道布设测线进行初步探测管道填埋情况，再根据初探结果采用浅地层剖面仪垂直于管道布设测线进行精确探测管道信息状态。

（1）采用侧扫声纳对管道进行粗扫。

探测海域水深在10 m左右，在平行于管道两侧各20 m布设两条测线进行检测，侧扫低频量程选用100 m，高频选用75 m量程，实现铺设管道海域全覆盖扫测，经内业图像处理，输出管道铺设海域成果图，图8为某段管道声纳探测图。

如上图8所示，管道铺设海域回淤较少，管道还裸露在管沟中，且管道和管沟图像清晰可见，回淤较快的海域管道已完全覆盖，影像中无明显管道和管沟图像，个别海域管道铺设海域出现冲刷现象，管道裸露最大高度达2.2 m，管道裸露详细信息需用浅地层剖面仪进行精确探测。

（2）采用浅地层剖面仪进行精确探测。

根据侧扫声纳探测结果，采用浅地层剖面仪进行管道详细信息探测，主要探测裸露管道是否存在悬跨和裸露高度、以及埋藏管道回淤深度等信息。按垂直于管道布设浅地层剖面仪探测计划线，在管道裸露海域计划线间距为30 m，埋藏海域计划线间距为50 m，在管道拐点处加密探测。设备采用舷挂式安装，浅地层剖面数据采用Discover SB软件进行采集，在Discover SB软件的控制面板中设置好发射频率、发射模式、底跟踪等各项参数，保证外业采集影像清晰可辨，采用高精度的天宝SPS351 DGPS定位，定位信号送至导航系统，指示驾驶员按测线航行探测，船速控制在3-5节，保证拖鱼稳定工作，同时定位信号传送至浅剖工作站，将导航信息记录在图像影像上。如下图9A和图9B，其中图9A为裸露海域的管道，根据影像量取计算，裸露管道裸露高度小于管道直径，即管道无悬跨状态，管道处于稳定状态。图9B为埋藏管道，埋藏深度约1 m，管道均处于安全稳定状态，但个别区域管道有悬空状态，悬空最大高度约1.1 m,其与侧扫声纳探测管道裸露高度2.2 m相吻合。

经侧扫声纳和浅地层剖面仪资料处理分析，两种探测设备的管道信息相吻合，探测成果数据质量准确可靠，舟山某海域二期输水管道整体处于稳定状态，部分海域存在冲刷现象，管道出现悬空状态，该段海域需定期检查，或根据需要进行实地探摸，确保管道安全运营。

3.2 实例二

为了解舟山某海域海底管线的位置、埋设深度和管线附近海底地形的变化情况，采用双频测深仪、浅地层剖面仪和侧扫声纳对悬空区域海底管线进行检测，为业主掌握悬空区域海底管线的变化情况提供了详实的资料。其中，采用ODOM MKIII水深测量：对检测区域海底管线左右各200 m的区域进行1：500比例尺的水深测量，调查路由区的海底地形起伏变化情况；侧扫声纳探测：对检测区域海底管线左右两侧60 m范围进行全覆盖检测，确定海底管线的平面位置及管线裸露值，为管线位置及裸露值的确认提供辅助分析；浅地层剖面测量：确定检测区域海底管线的平面位置以及管线相对于泥面的裸露或埋深值，本次探测成果与上次（4个月前）检查成果进行比对分析，掌握该段管线运营状况。

（1）单波束水深测量。

图8 侧扫声纳探测影像图（实例一）Fig.8Side scan sonar image（Case 1）

图9 管道探测影像Fig.9Pipeline detection image

水深测量采用星站差分GPS接收机结合MKIII测深仪按1：500比例尺技术要求进行测量，水深主测线按垂直于管线路由布设，测线间距为10 m，水深数据采集采用HYPACK MAX 2011软件，按3 m一个水深点进行水深数据采集。

本次测量的悬空段海底管线两侧各200 m范围内水深与上次该项目检查数据相比整体变化不大，只有在K3+510至K3+531段由于冲刷造成该处冲刷沟加深0.7 m左右，其他地方平均水深差值约0.2 m。

（2）侧扫声纳探测。

本次测量采用的侧扫声纳型号为BENTHOS-1624，其测量系统由拖鱼、电缆、收发机及控制电脑四部分组成，控制软件为ISIS。测线按平行于管线路由布设，布设间距20 m，两侧各3条均匀覆盖整个管线检测区域，侧扫声纳设备安装采用船侧固定拖曳方式进行施放。实测过程中，船速控制在3-4节，单侧扫测宽度为75 m。现场作业时调整仪器参数使整个侧扫声纳扫测图像达到最佳效果，并能充分反映出管线悬空或裸露的真实情况。侧扫声纳采用Isis软件获得管线区域的位置及图像，测量结束后通过HYPACK对侧扫图像及数据进行处理，形成整个测量区域侧扫覆盖影像图（部分影像如下图10）。从侧扫图上可以很清楚地看到海底管线的整体走势和裸露情况，图中深黑色间断线为裸露管线影像，间断处显示管线被掩埋在泥面下,黑色程度越深代表其裸露程度越大，管线悬空最大处，主要是由于管线附近海域有冲刷现象，导致管线下方淘空所致，从侧扫声纳图像上可以很好地分辨出来。根据侧扫声纳图像上分析，在K3+510至K3+531淘空区域裸露高最大约为2.3 m外，其他地方管顶高出泥面最大1.3 m。

（3）浅地层剖面仪探测。

本次测量所用浅地层剖面仪为美国BENTHOS公司生产的CHIRPIII浅地层剖面仪，其系统组成为拖鱼、电缆、甲板控制单元三部分组成，测量软件采为Sonar Wiz.MAP。浅地层剖面仪测线布设同水深测线布设一致。将浅地层剖面仪拖鱼部署在船的左舷，测量前对拖鱼相对GPS位置进行了测定，通过软件将拖鱼位置归算至GPS位置处，保证其平面误差小于1 m，管线裸露值大小误差在0.1 m以内。

在整个检测期间，浅地层剖面仪图像经过参数调整，其管线清晰可见，为后续进行数据分析提供了很好的保证。后续处理期间通过Sonar Wiz.MAP软件计算出管线的位置、裸露值大小。数据经综合处理分析，在K3+510至K3+531段管线悬空最严重处裸露值达到2.34 m，如下图图11悬空最大浅剖剖面图，其余地方管线悬空最严重处裸露值达到1.17 m。

该海底管线裸露段经本次综合探测分析，裸露段海底管线两侧各200 m范围内水深与上次水深相比整体变化不大，只有在K3+510至K3+531段由于冲刷造成该处冲刷沟加深0.7 m左右，其他地方平均水深差值约0.2 m。同时从浅剖断面图像判读出管顶位置的坐标及管顶与泥面的相对值，结合侧扫声纳扫测的管线相对于泥面的高度对浅剖测量的管线裸露值进行验证，与上次检测悬空情况相比，上次检测出悬空段管线段共有11处，其中长度超过20 m的2处，分别分布在入海处和登陆处附近。本次检测管线悬空区域共10处，其中长度超过20 m的有6处，在入海处老堤一侧有5处，最大为31.7 m；靠近登陆方拐弯有1处，最大为24.6 m。上次至本次管线探测期间，两个悬空区域管线的状态总体稳定，但出现了一些动态变化，部分区段悬空长度有所减少，也新增了一些悬空段。出现上述变化可能是由于附近海域围海造地工程等因素导致海流流向流量发生变化，使原来的海床受到新的水动力改变而使海床冲淤而发生变化。建议对悬空区域管线进行实地探摸，以进一步验证确定管线悬空区域，并加强最悬空区域进行检测，确保管道安全运营。

图10 侧扫声纳探测影像图（实例二）Fig.10Side scan sonar image(Case 2)

图11 裸露管道浅剖探测断面影像Fig.11Pipeline detection image by sub⁃bottom profiler

4 结语

通过侧扫声纳对海底管道进行探测，可获得裸露于海底面以上管道的走向、直径大小、裸露或悬跨状态等影像信息，其影像信息包括管道附件海底地形地貌信息，表现直观、信息量大，作业效率高。而浅地层剖面仪不仅可以获得裸露于海底面以上的管道状态信息，更重要的是可以获得海底面以下一定埋藏深度的管道状态信息，可准确的量取管道埋藏深度，但浅地层剖面仪以断面信息表现探测信息，作业效率较低。综合利用两种仪器进行探测，可以充分利用两种设备各自特点，提高了不同设备之间的互补性，扬长避短，可以从多方位、多途径快速获取海底管道的图像和数字信息，提高海底管道检测的精度和效率。为海洋开发建设提供可靠的数据支撑。

［1］王继立，黄潘阳，胡涛骏，等.浅地层剖面仪在海底管道检测中的应用［J］.船海工程，2013，42（3）：161-163. WANG J L，HUANG P Y，HU T J，et al.Application of Sub⁃bottom Profiler in Submarine Pipeline Inspection［J］.Ship&Ocean Engineering，2013，42（3）∶161-163.

［2］A958611 4200，topside manual［S］.

［3］陈正荣，王正虎.多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用［J］.海洋测绘，2013,33（4）：51-54. CHEN Z R，WANG Z H.Research on Underwater Target Detection Using Side⁃scan Sonar and Multibeam Sounding System［J］.Hy⁃drographic Surveying and Charting，2013，33（4）：51-54.

［4］来向华，潘国富，苟诤慷，等.侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究［J］.海洋工程，2011，29（3）：117-211. LAI X H,PAN G F,GOU Z K,et al.Study on application of side scan sonar in sub marine pipeline inspection［J］.The Ocean Engi⁃neering，2011，29（3）：117-211.

［5］周兴华，姜小俊，史永忠.侧扫声纳和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检测中的应用［J］.海洋测绘，2012，27（4）：64-67. ZHOU X H,JIANG X J,SHI Y Z.Application of Side Scan Sonar and Sub⁃bottom Profile in the Checking of Submerged Pipeline in Hangzhou Bay［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2012，27（4）：64-67.

［6］李一保，张玉芬，刘玉兰，等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用［J］.工程地球物理学报，2007，4（1）：4-8. LI Y B,ZHANG Y F,LIU Y L,et al.Application of Sub⁃bottom Profiler to Ocean Engineering［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2007，4（1）：4-8.

Application of side scan sonar and sub⁃bottom profiler in checking of submarine pipeline

DONG Yu⁃juan1,ZHOU Hao⁃jie2,WANG Zheng⁃hu2
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300450,China；2. Ningbo Shang Hang Surveying and Mapping Co.Ltd.,Ningbo 315200,China）

In this paper,the working principle of the side scan sonar and sub⁃bottom profiler was introduced. According to the characteristics of submarine pipeline laying,side scan sonar system can efficiently detect seabed pipeline direction,flat position,exposed height of pipeline and seabed topography image,while the sub⁃bottom pro⁃filer can accurately obtain the exposed height of submarine pipeline,the buried depth of pipeline and seabed condi⁃tions.Through an example of side scan sonar and sub⁃bottom profiler in submarine pipeline detection process,the advantages and disadvantages of two kinds of detection system in the detection of submarine pipeline were summa⁃rized.It explains that the comprehensive application of various detection methods is the development direction of submarine pipeline detection technology.

side scan sonar;sub⁃bottom profiler;checking of submarine pipeline;image interpretation

P 237

A

1005-8443（2015）05-0450-06

2015-04-01；

2015-09-10

董玉娟(1979-)，女，天津市人，工程师，主要从事测量方面工作。

Biography：DONG Yu⁃juan（1979-），female，engineer.