多波束和侧扫声呐系统在海洋管道建设中的应用

王 朝，王 帅

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

近年来，随着海洋工程活动的增加和作业难度的增大，海洋测绘技术特别是多波束和侧扫声呐探测信息融合在勘察设计、施工建设及运行管理等方面得到广泛应用。多波束能够获取海底全覆盖的高精度水深数据，但地物的判读性较弱；侧扫声呐能够获得海底地貌声像图，从而直观地判读海底表层特征，如沉积类型、出露岩石、海底形态（沙波、沙脊）等，但图像中的目标定位及深度的判断能力较差。二者的综合应用在海底底质勘探、海底障碍物探测、海洋工程等方面效果显著，提高了地物特征识别的准确性和可靠性。本文以国外某海域海洋管道工程项目为依托，以具有代表性的 R2sonic 2024测深系统和Edge Tech 4200型侧扫声呐来说明它们在海洋管道建设中的综合应用。

1 多波束和侧扫声呐系统的特点

多波束测深系统与侧扫声呐都是实现海底全覆盖扫测的水声设备，都能够获得几倍于水深的覆盖范围。它们具有相似的发射方向性图案，以一定的角度倾斜向海底发射声波脉冲，接收海底反向散射回波，从海底反向散射回波中提取所需要的海底几何信息。由于接收波束图案的不同以及对所接收回波信号处理方式的不同，多波束测深仪通过接收波束形成技术能够实现空间精确定向，利用回波信号的某些特征参量进行回波时延检测以确定回波往返时间，从而确定斜距以获取精确的水深数据，绘制出海底地形图。侧扫声呐只是实现了波束空间粗略定向，依照回波信号在海底反向散射时间的自然顺序检测并记录回波信号的幅度能量，仅仅显示海底目标的相对回波强度信息，获得海底地貌声图。

1.1 高精度水深和定位数据

在处理海底反射的回波时，多波束测深系统具有精密的空间定向和准确的回波信号时延检测能力，因此多波束测深系统测量的水深数据精度较高；另外，多波束测深系统测量时一般使用信标机或 RTK定位，而信标机可达到亚米级定位精度，RTK可达到厘米级定位精度，经过定位延迟改正，多波束系统测量的海底目标能达到很高的定位精度。

1.2 高分辨率海底声像图

侧扫声呐由拖鱼、线缆和船上的主机三部分组成。工作时，拖鱼发射垂直于船行进方向的扇形波束，拖鱼接收系统接收并转换放大海底的反射信号，然后主机以图像的形式记录、显示反射和散射信号。侧扫声呐在处理接收回波时，主要是对回波强度信息进行处理，而不需进行回波时延检测，因此获得的海底声像图分辨率较高。

扫海时拖鱼与定位天线有一定的方位和距离偏差，并且受船速、航向、水的流速和流向的影响很大。另外，侧扫声呐不能进行声速和潮汐等改正，无法获得精确的水深数据，因此侧扫声呐探测的海底目标在定位和水深数据精度上都存在较大误差。

2 应用实例

2.1 项目概况

为落实国家“一带一路”倡议，建设“孟中印缅”经济走廊，我公司承担了孟加拉海上管道建设的前期探测任务。该项目位于孟加拉湾东部，孟加拉共和国海域，探测区域距离陆地大约10 km，探测海域全长约66 km，最大水深为27 m。孟加拉湾海域气候多变，潮流湍急，外业采集工作尽量选择在天气较好，能见度较高，测区风浪较小的时段开展。由于调查线路较长，结合海上验潮站布设情况以及声速剖面观测点有效控制范围等情况，本次多波束水深测量和侧扫声呐扫测采取分区分段施测。

2.2 多波束全覆盖扫测

多波束水深测量按照分区段进行施测，工程中使用的R2 Sonic 2024型多波束测深系统的波束最大开角为160°，实际采用开角120°，其扫测宽深比为：2×tan60°=3.4（倍水深）。为了保证多波束扫测条带间的测线重叠率，提高多波束扫测数据的质量和可靠性，本工程多波束测线间距按2.5倍水深沿平行于管道中心线方向布设，测线长度为管道中心线长度。路由探测宽度为500 m，共计布设11条测线，船速控制在6 kn以内。

2.3 侧扫声呐全覆盖探测

沿海底管道路中心线方向平行布设 11条侧扫声呐探测测线，测线间距为50 m。测量过程中采用侧扫声纳高精度模式，按计划测线逐条施测，全覆盖扫侧，扫测宽度设定为单侧 75 m，重叠率超过100 %，并且采用高低频同时作业的工作模式。

2.4 内业处理与图像判读

本工程中内业处理使用 CARIS/HIPS 7.1软件和 Sonar Wiz5软件分别对多波束数据和侧扫声纳数据进行后处理。

1）多波束获得的水深数据能够反映出海底地形地貌特征，而侧扫声呐影像图能直观反映出海底地貌的性质，如图1所示。

图1 沙波图像对比

图2 多波束数据侧视

图3 特殊地貌对比

图1的水深地貌可以直观分析出该段海域底部存在沙波、沙脊地貌，在结合对声图的判读（根据灰阶、阴影等），可以清晰地看出沙波走向。图 2为多波束侧视数据，从图中可以精确测量出沙波沙脊的间距、长度以及高度等信息，沙波高度约0.36 m，波长为10 m，沙脊高度最大为3.36 m。图3显示疑似蚀余台地地貌，其长度、宽度及高度可在图中直接量取。本次探测结果显示，路由调查区域海底地貌特征主要表现为平滑海底地貌、沙波地貌、沙脊地貌和疑似蚀余台地地貌（表 1）。沙波沙脊是砂质海床在海流作用下塑造的一种丘状地貌，它的运动和迁移可以掏空掩埋的海底管道，造成管道裸露于海床面，对管道安全运行危害极大，经过对路由沿线的地貌特征进行分析，清晰判别了路由沿线内的沙波沙脊形状及运移趋势，从而精确设计管道敷设预处理范围及埋深深度，以减小管道施工及后期运营风险。

表1 地貌信息统计

2）通过对比相同位置的水深地貌图和侧扫声呐影像，可以综合分析出沿线的障碍物分布情况，提高确认障碍物的准确率。图4显示，该段海域底部存在疑似金属或者海底岩石。对外业采集数据进行处理后，在管道中线附近共发现 10处障碍物，其分布位置及大小见表2。

图4 海底障碍物综合分析对比

表2 障碍物信息统计

3 结 语

利用多波束的全覆盖水深探测，能够获得高分辨率海底地形图，可直观判读海底地形的变化，并能直接量取障碍物范围和大小。利用侧扫声呐进行扫测时，能获得海底地形和障碍物等声图影像，通过声图判读确定目标的特征信息，但图像中的目标定位及深度的判断能力较差。综合分析多波束测量数据和侧扫声呐声像图，可有效增强不同观测数据的互补性，从而确定管道路由沿线海底地貌和障碍物分布情况，用于指导前期路由设计和管道施工，确保管道运营安全，提高了工程质量。