側掃聲吶聲波掠射角對海底管道檢測的影響

熊春寶，田　磊，熊愛成，陳小華

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072； 2. 天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

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側掃聲吶聲波掠射角對海底管道檢測的影響

熊春寶1，田磊1，熊愛成2，陳小華2

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072； 2. 天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

Research on Influence of Incidence Angle in Inspection of Submarine Pipeline by Side Scan Sonar

XIONG Chunbao，TIAN Lei，XIONG Aicheng，CHEN Xiaohua

摘要：在側掃聲吶系統檢測海底管道的過程中，聲波掠射角是影響檢測效果的重要因素。本文針對影響側掃聲吶聲波掠射角的主要因素進行了系統研究，推導出聲波掠射角與其影響因素的關系表達式，并給出了考慮管徑條件下海底管道懸空高度的計算式；進行了不同聲波掠射角下側掃聲吶系統檢測海底管道的試驗，試驗結果表明，當側掃聲吶聲波掠射角介于14°～20°時，檢測效果最好，聲波掠射角過小或過大，均會使檢測結果出現較大誤差。

關鍵詞：側掃聲吶；聲波掠射角；海底管道檢測；懸空高度

海底管道是海上油氣開發設備的重要組成部分，在提高能源輸送效率和節約運營成本方面有著明顯優勢[1-2]。但海底管道所處環境復雜，受海流的長期沖刷及海洋地質災害等因素的影響，海底管道可能出現懸空狀態，嚴重時甚至導致管線斷裂，從而造成巨大的經濟損失和嚴重的環境污染[3-7]。側掃聲吶系統由于成本低，掃測效率高，橫向分辨率高，目前廣泛應用于海底管道的檢測中[8-9]。然而，傳統的檢測方式很少考慮側掃聲吶聲波掠射角對檢測效果的影響[10]，導致檢測結果偏差較大。雖然有學者就聲波掠射角的影響進行了一定程度的探討[11]，但缺乏相關的理論研究，且僅利用較短的鋼管模擬體進行試驗，并未采用真實的海底管道，加之測線布設過少，導致效果不佳。因此，本文就影響側掃聲吶聲波掠射角的主要因素進行系統深入的理論分析，并進行不同聲波掠射角下側掃聲吶系統檢測海底輸油管道的試驗。

一、側掃聲吶檢測懸空海底管道原理

側掃聲吶系統主要由拖魚及甲板處理單元組成，拖魚上的換能器向沿航跡兩側方向發射高頻聲脈沖，當聲波碰到海底的物體時會發生散射，根據反向回波信號的強弱，形成海底地貌特征圖[12-13]。

在較為平坦的海底面上，側掃聲吶對處于懸空狀態的海底管道進行檢測時，通常會得到如圖1(a)所示的聲圖記錄。凸出的海底管道產生的散射較強，在側掃聲吶聲圖上顯示為一黑色的條狀目標物(如圖1(b)所示)，而管道的背面由于受到管道的遮擋，對聲線產生了屏蔽作用，在聲圖記錄上顯示為一白色的聲影區。白色聲影區并不是緊鄰管道影像出現，而是與管道影像間隔一段距離，如圖1所示。這是由于管道下方的海底面距離聲吶接收端較遠，其回波信號晚于管道處的回波信號到達聲吶接收端，這部分海底面形成的海底散射影像緊鄰管道影像的后方，因此由于管道遮擋形成的聲影區在管道影像后方間隔一段距離以后出現[14-15]。

二、影響側掃聲吶聲波掠射角的主要因素

在側掃聲吶檢測懸空狀態的海底管道時，聲波掠射角是影響檢測效果的重要因素。聲波掠射角θ主要由兩個參數決定：拖魚距海底面的高度H、拖魚至管道中心的水平距離L。為得到θ與H、L之間的關系表達式，首先作如下兩條假設：

硅-焓圖解法首先需作出石英溶解度曲線，通過冷水的硅焓點與熱水的硅焓點做延長線，求得與石英溶解度曲線的交點，以此計算得出熱水的混合比例。當交點出現異常或無交點時，需考慮蒸汽損失的情況。

1) 忽略聲波在海水中傳播時產生的聲線彎曲現象。

2) 海底面為一水平面。

在考慮管徑的條件下，聲波掠射角的計算如圖2所示。

設管道影像末端至管道聲影區末端的總長度為S，管道的直徑為D，管道中心與聲線和海底面的交點的水平距離為S1，管道的懸空高度為h，作輔助線(如圖2中虛線所示)，根據正切的定義，可以得到如下等式

圖2　側掃聲吶聲波掠射角及其影響因素幾何關系

(1)

(2)

聯立式(1)和式(2)，消去S1，得

(3)

解方程式(3)，得

(4)

為了保證側掃聲吶系統能夠檢測到海底管道，形成聲影區，圖2中A、B點的連線應與海底面具有交點C，故拖魚距海底面的高度H應滿足下式條件

H>h+D

(5)

設發射線至管道聲影區末端的斜距為R，管道影像末端至管道聲影區末端的總長度為S，R和S的數值均可以從未經斜距改正的聲吶記錄上量取。

1若寶寶燙傷較嚴重，除去衣服時，已有明顯的紅色滲水的創面（表皮已燙掉）就不要再用水沖洗，以免感染；也不要把冰塊直接放在傷口上降溫，以免皮膚組織凍傷。應用慶大霉素加生理鹽水擦拭患處，用紗布嚴密包裹后，立即送醫院進行治療。

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(6)

由式(6)可推得

(7)

(2) 拖魚高度的選擇

式(10)即為考慮管徑條件下海底管道懸空高度的計算表達式。

圖3　θ與H關系曲線

圖4為θ與L之間的關系曲線圖。由圖4可知：隨著L的增加，θ值單調遞減，且改變H值時，θ與L之間的關系始終呈現非線性關系，曲線隨著下降而逐漸平緩。

圖5為S與θ之間的關系曲線圖。由圖5可知：隨著θ的增加，S值單調遞減，且當θ<15°時，曲線較陡，S值減小速度較快；當θ>15°時，曲線逐漸平緩，S值減小速度較慢。

由以上分析可知：減小拖魚距海底面的高度或增大拖魚至管道中心的水平距離時，聲波掠射角變小，管道影像末端至管道聲影區末端的總長度變大，從而在側掃聲吶聲圖上對海底管道狀態的判別更加容易清晰，計算得到的海底管道懸空高度數值更加準確。通過調整關系表達式中的相關參數，可以使檢測效果達到最優。

圖4　θ與L關系曲線

圖5　S與θ關系曲線

三、考慮管徑條件下管道懸空高度的計算

當管道直徑較大時，通過傳統的簡單比例關系計算管道的懸空高度會產生較大的誤差[6]。因此，大管徑對于海底管道懸空高度計算的影響不可忽略，在考慮管徑的條件下，海底管道懸空高度的計算如圖6所示。

在△BCE中，有

此外，大隊還組建了一個專業隊。“專業隊就是開田、開荒、種山，說是改田造地，每個生產隊抽出幾個人，在大隊成立一個組織。”(TXL170316)專業隊在生產隊抽調的人是要經過大家評議的，一般都是勞動好手。在十隊，“許某在大隊做專業隊，主要搞大隊副業，生產隊出工分，一般都要10個人，鄉(公社的)他也去過。”(XJA170325)由于管理不善，大隊的專業隊并沒有做出什么成績，倒是給各個生產隊產生了不少工分。

圖6　海底管道懸空高度計算簡圖

式(4)即為θ與H、L之間的關系表達式，下面再推導管道影像末端至管道聲影區末端總長度S與聲波掠射角θ之間的關系式。

為得到管道懸空高度h的表達式，作輔助線(如圖6中虛線所示)，根據正弦的定義，可以得到如下等式

脫敏治療是目前國際公認的行之有效的治療方法，是目前惟一可以針對病因、阻斷過敏進程、防止新過敏產生的有效治療方法。希望患者正確認識過敏，選擇科學有效的治療方法，早日擺脫花粉過敏帶來的困擾。

(8)

(9)

由式(8)和式(9)聯立解得

(10)

在實際檢測海底管道時，管道直徑D和管道懸空高度h為定值，以本文試驗中的參數為例，取D=0.245 m，h=1.01 m，作θ與H之間的關系曲線圖(如圖3所示)。由圖3可知：隨著H的增大，θ值單調遞增，且當L值較小時，θ與H之間呈現非線性關系，曲線隨著上升而逐漸平緩；隨著L的增大，θ與H之間的關系由非線性關系逐漸向線性關系轉變。

四、不同聲波掠射角下側掃聲吶系統檢測海底管道試驗

1. 試驗概況

本次試驗地點在山東省東營市勝利油田某海域，檢測海域屬于淺水區，試驗時適逢漲潮期，水深約16 m，海底輸油管道直徑D為245 mm，整條管道總長度為691.15 m，大部分管道處于掩埋和裸露狀態，在平臺附近的海底管道呈現出懸空狀態，本次試驗以平臺附近處于懸空狀態的海底管道為檢測目標。

2. 試驗設備

建立嚴密的管理監督機制，有法律的威懾力；加大先進設施設備的投入和使用；提高管理人員的管理水平，培訓服務人員的服務力度，提高服務水平。同時加大洞庭湖旅游宣傳的投入，科學的利用宣傳技巧，深度挖掘特色文化，使其具有鮮明特色。

本次試驗所采用設備為EdgeTech 4200FS側掃聲吶系統、DGPS導航定位系統、聲速剖面儀、EdgeTech Discover 4200FS數據采集及處理系統。在對海底管道進行檢測時，側掃聲吶系統工作模式選用高分辨率模式(HDM)，工作頻率選用高頻410 kHz，量程選用75 m，橫向分辨率為2 cm，沿航向方向的波束水平開角為0.30°。

3. 試驗參數設計

(1) 測線布設

在作為檢測目標的海底管道單側布置測線，測線至管道中心的水平距離分別為10、15、20、25、30、35、40、50 m，共8條測線。在檢測過程中，近似認為測線至管道中心的水平距離即為拖魚與管道中心的水平距離L。

不管汽車如何變化，修車的方法都不會變：診斷、維修/更換、調試。今后車輛的電驅動系統可能比機械部件更容易維修，過去汽車有了故障，只會生成故障碼或者簡單的數據流，現在工信部要求所有生產電動汽車的車企做到，純電動汽車的數據采集以分、秒為單位計算，故障發生的時間、發生的內容，在車輛內部系統中都必須生成細化的記錄。也就是說，現在所有的電動汽車，一旦發生故障，不用外接診斷設備，在主機廠的數據庫中就可以反饋出這輛車的運行出了問題。基于這種數據支持，相比于傳統汽車，電動汽車更容易維修。

式(7)即為S與θ之間的關系表達式。

由于進行檢測的海域為淺水區，水深為16 m左右，且海底狀況復雜，海底障礙物較多，考慮到拖魚的安全性，在檢測的過程中，保持拖魚距海底面的高度為11 m左右。

(3) 航速設計

食品檢驗是一個程序復雜嚴密的過程，需要檢驗人員手工與儀器相互結合進行精密化監測，其中檢驗人員的工作流程、儀器的使用與維護、樣品的采集和保護、檢驗方法等環節都會影響到食品檢驗結果的準確性。筆者結合自身的實踐工作經驗，將影響食品檢驗準確性的因素總結為以下幾點：

在側掃聲吶系統檢測海底管道過程中，應保證對海底的全方位覆蓋掃測，為得到較為清晰的海底聲圖圖像，要求至少有3 pings擊中被探測的海底目標。設側掃聲吶系統的發射信號頻率為f，沿航向方向的波束水平開角為θ0，拖魚距海底面的高度為H，則測船的航速v必須滿足[12]

(11)

由式(11)得

其次，教師的教學技能水平不高，教學方式仍采用唱獨角戲的單向灌輸式，沒有給學生創造交流互動的機會，限制了學生的課堂積極表現，導致課堂沉默情況出現。

(12)

在對海底管道進行檢測時，側掃聲吶系統的發射信號頻率為410kHz，沿航向方向的波束水平開角為0.30°，拖魚距海底面的高度為11m。代入以上參數，計算得測船的最大航速為4.25kn，試驗時考慮到檢測效率，確定航速為4kn左右。

4. 試驗結果及數據分析

試驗采用EdgeTechDiscover4200FS軟件對側掃聲吶檢測數據進行后處理，將聲速剖面儀測得的實時剖面聲速導入軟件，經過橫搖、縱搖、艏搖誤差修正，并對聲圖圖像進行增益調節及TVG調節，得到各條測線的側掃聲吶聲圖記錄。該軟件還可以在檢測過程中實時獲取拖魚距海底面的高度H。在本次試驗中，對聲吶記錄不進行斜距改正處理，側掃聲吶對平臺附近的懸空海底管道檢測效果圖像如圖7—圖14所示。

圖7　L=10 m的檢測效果

圖8　L=15 m的檢測效果

圖9　L=20 m的檢測效果

圖10　L=25 m的檢測效果

圖11　L=30 m的檢測效果

圖12　L=35 m的檢測效果

圖13　L=40 m的檢測效果

圖14　L=50 m的檢測效果

以每張圖中的A-A′截面為例進行分析，A-A′截面與平臺的距離為2.26 m，經過潛水員水下探摸及多波束精密掃測，得出該截面處的海底管道真實懸空高度為1.01 m。從各條測線未經斜距改正的聲吶記錄中量取A-A′截面處的R值和S值，計算相關的檢測數據見表1。

表1　各條測線檢測數據計算結果及誤差

由圖7—圖14及表1可以得出以下分析結果：

1) 當L=10 m、L=15 m時，由圖7—圖8可知，管道影像和海底散射影像灰度接近，很難區分。這是由于海底反向散射強度和聲波掠射角之間存在著密切的關系。對于較為粗糙的海底，可由經典的蘭伯特定律描述這一關系[16]

Sb=S0+10lg sin2θ

(13)

式中，Sb為海底反向散射強度；S0為常數；θ為聲波掠射角。由式(13)可知：在海底面較為平坦時，聲波掠射角越大，海底反向散射強度也越大。圖7—圖8中的聲波掠射角較大，從而海底散射影像灰度較大，很難與管道影像區分，并且管道聲影區很窄，從聲吶記錄中很難量取R和S的準確值，只能通過估讀得到。根據前文推得的海底管道懸空高度計算表達式(10)計算管道的懸空高度h，所得計算值與真實值誤差很大。

2) 當L=20 m時，管道聲影區較窄，海底散射影像灰度仍然較大，與管道影像灰度比較接近，但已經可以區分。R值和S值可以較為準確地被量取，計算得到的管道懸空高度h與真實值誤差較大。

3) 當L=25 m、L=30 m、L=35 m、L=40 m時，管道聲影區較寬且較為清晰，管道影像與海底散射影像區分明顯。從聲吶記錄中可以較為準確地量取R值和S值，計算得到的管道懸空高度h與真實值較為接近，誤差很小，其中當L=35 m時，誤差僅有5.9%。

4) 當L=50 m時，雖然根據聲吶記錄計算得到的管道懸空高度h與真實值較為接近，但由于聲波掠射角很小，使得海底反向散射強度較小，海底散射影像灰度與管道聲影區灰度接近，不易區分。R值與S值的量取需要通過估讀，從而使檢測結果具有偶然性。

綜合以上分析：當聲波掠射角介于14°～20°之間時，側掃聲吶檢測海底管道效果最好。聲波掠射角過大時，管道影像與海底散射影像難以區分，檢測結果的誤差較大；聲波掠射角過小時，海底散射影像與管道聲影區不易區分，從而影響到檢測效果。

OSCE模式的使用可以提高學生臨床能力，但是不可避免地出現了一些不穩定因素。教師的臨床經驗能否和理論緊密聯系、考站設置是否采取科學合理的研究方法、標準化病人培訓是否過關、學生配合度不高等因素都影響著OSCE模式的實施，要在考站設置的初始環節嚴格把關，避免不穩定因素的出現。

五、結論

1) 聲波掠射角是影響側掃聲吶檢測海底管道效果的重要因素，在檢測過程中，拖魚距海底面高度、拖魚至管道中心的水平距離是決定聲波掠射角的兩個主要因素。通過理論計算分析，可推導出聲波掠射角與這兩個影響因素的關系表達式。在實際檢測工作中，可以根據這個關系表達式靈活調整相關的參數，從而使檢測效果達到最優。

2) 當管道的直徑較大時，在進行海底管道懸空高度的計算時應考慮管徑的影響。經過理論分析，推導出考慮管徑條件下海底管道懸空高度的計算表達式，這使得通過側掃聲吶聲圖記錄計算管道懸空高度的準確性有所提高。

建設綠色生態名市是榆林的戰略抉擇，也是榆陽的奮斗目標。只有生態產業化開發才能夠達到既要生態效益又有經濟效益的目的。從生態產業發展的內涵來看，生態產業開發是解決“三農”問題、保障“三農”利益、促進農民增收的有效途徑，也是林業生態環境可持續發展的根本途徑。政府在產業開發上必須給予政策保護、市場需求、科技支撐、投入保障等方面的大力支持，才能從根本上促進經濟的可持續發展。

3) 通過不同聲波掠射角下側掃聲吶系統檢測海底管道的試驗，發現當聲波掠射角介于14°～20°之間時，檢測效果最好。應用于工程實踐時，如果在檢測過程中控制拖魚距海底面的高度為10 m左右，則在布設測線時，應使測線至管道中心的水平距離為35 m左右，這樣可使檢測結果誤差較小，并且提高檢測效率。

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中圖分類號：P229.5

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0058-06

作者簡介：熊春寶(1964—)，男，博士，教授，主要從事工程健康監測及海洋測繪的技術方法研究。E-mail:luhai_tj@126.com

收稿日期：2015-05-13； 修回日期： 2015-11-23

引文格式： 熊春寶，田磊，熊愛成,等. 側掃聲吶聲波掠射角對海底管道檢測的影響[J].測繪通報，2016(4)：58-63.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0121.