合成孔徑聲納系統在海底掩埋電纜探測中的應用研究

趙陽

摘? 要：隨著海洋經濟的迅速發展，海域使用開發活動日益頻繁，海底已建掩埋電纜的探測尤為重要。該文以海底排污管道敷設工程為例，在管道敷設前，對該管道路由沿線周圍進行了已建海底掩埋電纜準確位置調查。工程采用GPS定位系統、合成孔徑聲納和磁力儀系統組合進行海底電纜探測，進一步證實了低頻合成孔徑聲納對海底掩埋電纜探測具有效率高、圖像連續性好的特點。結果表明了該方法對海底掩埋目標物探測有較高的適用性，其船舷固定安裝方式，有效減少了換能器與GPS偏移誤差，能夠有效提高目標位置精度。

關鍵詞：合成孔徑系統? 海底? 掩埋電纜? 探測

中圖分類號：U666.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（a）-0068-03

The Application and Researchs of Synthetic Aperture Sonar System in Submarine Buried Cable Detection

ZHAO Yang

（Tianjin Water Transport Engineering Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin， 300456? China）

Abstract： With the rapid development of marine economy， the use and development of sea areas are becoming more and more frequent， and the detection of buried cables on the seabed is particularly important. In this paper， the submarine sewage pipeline laying project is taken as an example. Before the pipeline laying， the exact location of the buried submarine cables along the pipeline route is investigated. The project adopts the combination of GPS positioning system， synthetic aperture sonar and magnetometer system for submarine cable detection， which further proves that low frequency synthetic aperture sonar has the characteristics of high efficiency and good image continuity for submarine buried cable detection. The results show that the method has high applicability for the detection of buried targets on the seabed. The fixed installation on the ship side can effectively reduce the offset error between the transducer and GPS， and can effectively improve the target position accuracy.

Key Words： Synthetic aperture system; Seabed; Buried cable; Detection

近年來，隨著海洋經濟的發展和海洋開發的深入，海上活動愈加頻繁，各種通信光纜、電力電纜鋪設及后期檢測工作與日俱增。人們在近海進行工程建設時，經常會遇到鋪設在近海海底的電纜，這時就需要準確探測出電纜的位置，以確定后續的工程措施。但是傳統側掃聲納探測方法僅能夠探測裸露于海底面的電纜，無法探測掩埋于泥面下的電纜。采用磁力儀、電纜儀等方法探測電纜，其測線以一定間隔垂直電纜方向布設，效率低，連續性及圖像直觀性差。該文從低頻合成孔徑聲納探測能力和特點入手，結合作業實踐，探討了低頻合成孔徑聲納對海底掩埋電纜探測的優越性。

1? 儀器工作原理和技術要求

1.1 合成孔徑聲納

1.1.1 合成孔徑聲納工作原理

合成孔徑聲納技術其基本原理是利用小孔徑聲納基陣沿空間勻速直線運動來虛擬大孔徑聲納基陣，在運動軌跡的順序位置發射并接收回波信號，根據空間位置和相位關系對不同位置的回波信號進行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運動方向的高分辨率。

對聲納系統而言，發射陣孔徑越大，對目標的方位分辨率越高，但實際上不可能無限制地增大發射陣尺寸，因此真實孔徑聲納的目標分辨率是相當有限的，而且真實孔徑對于遠距離目標的方位分辨率很差。要想提高分辨率就要提高信號的發射頻率，而信號的衰減隨頻率的增大而增大，就需要用更大的發射功率才能獲得更遠距離的傳輸。針對這些問題，如果用真實的小孔徑聲納運動等效地構成一個大孔徑聲納，則可以提高目標方位分辨率。使用小孔徑在許多方位向位置處發射和接收信號，來獲得一個更大孔徑，從而對海底的每個像素成像，最終形成整個海底的圖像。

根據其基本原理，合成孔徑聲納主要具有3個特點：（1）具有很高的橫向空間分辨率，并且分辨率與聲納的工作頻率和作業距離無關，而僅僅取決于基陣的物理孔徑長度;（2）可以在低頻工作，具有一定的穿透性，可以探測海底埋藏目標;（3）在分辨率相等的條件下，工作效率要高于側掃聲納。因此，用低頻合成孔徑聲納探測掩埋海底電纜作業效率高，聲圖像反映連續直觀，容易判斷，是探測掩埋電纜的首選方法。

1.1.2 技術要求

探測時要遵守以下技術要求：（1）測線布設。合成孔徑聲納測線布設平行于所需探測電纜方向，以30 m、60 m間隔布設。（2）航速。測船的航速不超過5 kn，測量時盡量保持勻速直線行駛。（3）海況。風速5級以下。（4）定位精度。使用高精度的DGPS。（5）拖魚高度。換能器采用固定支架方式與船體固定相連。（6）加密測量。對探測目標不少于兩個方向加密測量，可以減少目標位置中誤差，提高位置精度。

2? 換能器的精確定位

海底電纜探測涉及以下幾個坐標系統：拖魚坐標系、船體坐標系、測量坐標系。簡述如下。

（1）拖魚坐標系是以拖魚中心為坐標原點，拖魚前進方向為x軸，以垂直向下為y軸。

（2）船體坐標系主要是以船體中心或GPS定位點為坐標原點，船艏方向為x軸方向，垂直于船體方向為y軸方向（右舷為正），垂直向下為z軸方向，組成右手坐標系。船體坐標系主要是利用船舶導航定位系統確定拖體的坐標。測量時需要有船舶艏向和GPS點與拖體之間的相對位置關系。

（3）測量坐標系是海洋施工定位測量，一般情況下使用CGCS2000坐標系。如需不同坐標系轉換，測量范圍不大，可采用三參數法進行坐標轉換，如果范圍較大，則需要七參數。

在海底掩埋電纜探測中，目前一般常用方法為磁力探測法，隨著技術的發展，近幾年合成孔徑聲納探測的方法逐步引入到海底掩埋物體探測中。采用磁力儀探測方法，為避免船體對磁力的干擾，拖體位于測船正后方約3倍船長處，其拖體與GPS定位點相對便移量較遠。采用合成孔徑聲納探測的方法，則儀器設備采用船舷固定安裝的方法，換能器與GPS定位點相對偏移量可有效減少。測量示意圖如圖1所示。

3? 測線的技術設計

根據調查目的，為準確探測掩埋的海底電纜，合成孔徑聲納測量，測線根據水深情況，以適當間隔平行于電纜布設。調查中，盡量保持TVG不變，以保證圖像的灰度一致，每條測線圖像清晰。磁力儀測量掩埋電纜，拖體需進行適當配重，盡量減少與海底的距離。航行時實際測線偏移沒有超過設計間隔的20%，航速保持穩定，船速5 kn左右。

資料采集過程中解釋人員進行現場解釋，發現如海底電纜等線狀反射異常時，現場分析判斷，做出是否進一步探測的決定，并做好記錄。數據后處理采用SonarWeb聲納軟件及Maglog磁力軟件進行必要的處理，計算掩埋海底電纜準確位置。

4? 應用實例分析

以福建海域排海工程海底管道路由與電纜穿越段已有電纜探測工程為例，其管道路由與電纜相交處，以待建管道路由為中心，交點兩側各250 m范圍內進行已建電纜位置探測。主要儀器有DSM232 GPS/信標接收機（Trimble）、FlexSAS合成孔徑聲納。作業過程中還采用了G882海洋銫光泵磁力儀對電纜位置進行了測量，其結果與合成孔徑聲納探測結果進行了比對。

作業時GPS天線安裝在合成孔徑聲納探頭桿的正上方，選擇調查船甲板附近的船舷位置（約1/3船長處）固定安裝合成孔徑聲納換能器，此位置安裝儀器能遠離船主機、泵和螺旋槳，有效避免調查船搖擺及噪音干擾，合成孔徑聲納換能器通過前、后、過船底鋼纜拉緊。磁力儀采用60 m長繩后拖于船尾，與合成孔徑聲納探測分開作業，作業中合成孔徑聲納采用了高低頻測量相結合的作業方式，高頻測量泥面以上地貌特征，低頻聲波具有穿透泥面的特點。如圖2所示，分別為同一地點合成孔徑高頻與低頻電纜探測結果，從圖像上可以明確看出，高頻聲納圖像沒有電纜狀線性聲波反射，而低頻圖像可以明確看出電纜對聲波的反射，從而判斷電纜埋藏于泥面以下。結果證明，合稱孔徑聲吶低頻聲波對泥面海底具有一定的穿透性，能有效分辨海底掩埋物體。

作業中還采用磁力儀對掩埋電纜進行了測量，磁力測量垂直于電纜方向進行，測量結束對其得到的磁力異常曲線進行連線，最終確定了電纜的位置，具體如圖3所示。

此次工程中，通過使用合成孔徑聲納與磁力儀對掩埋電纜進行了探測，結果證明低頻合成孔徑聲納圖像連續，能夠直觀反映海底掩埋電纜的狀態，較磁法探測效率更高，是海底掩埋電纜的最有效探測手段。

此次測量電纜位置，后期經過潛水探摸，確定為已建海底電纜，掩埋于泥面下1.2 m。

5? 結語

合成孔徑聲納系統在海底掩埋電纜測量時，能夠給出高分辨率的反射信息，低頻聲波對泥面具有一定的穿透性。該文采用GPS定位系統、合成孔徑聲納和磁力儀系統組合進行海底電纜探測，進一步證實了低頻合成孔徑聲納對海底掩埋電纜探測具有效率高、圖像連續性好的特點。結果表明了該方法對海底掩埋目標物探測有較高的適用性，其船舷固定安裝方式，有效減少了換能器與GPS偏移誤差，能夠有效提高目標位置精度。

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