超短基線（USBL）在OBN定位中的應(yīng)用

張安寶 韋立光

中海油服物探事業(yè)部 天津 300451

OBN（Ocean Bottom Node，海底節(jié)點）是一種位于海底，可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀，可以在淺灘、過渡帶、平臺等復(fù)雜地形施工作業(yè)，其獨立采集的特點讓OBN作業(yè)區(qū)域更寬泛，作業(yè)方式更多樣，施工效率更高。特別是深水的OBS地震勘探中，OBN已經(jīng)成為海洋地震采集的主要方法[1]。

在OBN地震勘探中，節(jié)點鋪放精度是直接決定地震資料好壞的因素之一。在鋪放過程中由于受到潮流、水中障礙物、海底泥層的不規(guī)則性等因素影響，節(jié)點在下水點的位置坐標(biāo)和其實際沉放到海底的位置坐標(biāo)存在著較大差異，這種差異會直接影響地震資料的好壞。所以海洋地震勘探對OBN施工作業(yè)的要求是：確定檢波點點位在海底的準(zhǔn)確位置，使其精度盡可能滿足施工設(shè)計和作業(yè)指標(biāo)要求，確保地震資料質(zhì)量[2]。

1 OBN 施工方式和定位方法

OBN與拖纜、OBC的區(qū)別主要是OBN作為一個無需額外供電的獨立采集系統(tǒng)，可以單節(jié)點鋪放，也可以多個節(jié)點串聯(lián)起來鋪放。常規(guī)的施工方式是用繩子將多個節(jié)點按照一定的道間距，把整個施工設(shè)計排列上所有的節(jié)點串聯(lián)起來，按照測線的樁號順序一個個鋪放到海底，等完成地震資料采集后再將節(jié)點從海底回收。

因節(jié)點本身不具備聲學(xué)定位功能，需要在節(jié)點上綁定信標(biāo)（聲學(xué)設(shè)備），通過確定信標(biāo)在水下的位置來確定對應(yīng)節(jié)點的位置。為了提高節(jié)點的鋪放精度，需要采用超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)實時定位節(jié)點鋪放過程中節(jié)點的位置，利用作業(yè)船舶的位置調(diào)整，通過節(jié)點繩將受力傳導(dǎo)給節(jié)點，調(diào)整控制節(jié)點在水中下落過程中的運動狀態(tài)，使節(jié)點落在設(shè)計點位的范圍內(nèi)。節(jié)點完成鋪放后，還要對水下節(jié)點進(jìn)行二次聲學(xué)定位，確定節(jié)點在海底的真實位置，作為最終的成果資料。

2 超短基線（USBL）系統(tǒng)工作原理和應(yīng)用

在國內(nèi)外的OBN項目里，水深低于300米的項目都使用到了超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)。相對于長基線定位系統(tǒng)，超短基線（USBL）使用更方便，更簡單，不用專門在海底鋪設(shè)聲學(xué)矩陣，就可以實時跟蹤單點信標(biāo)，非常適合OBN節(jié)點作業(yè)的特點。

2.1 超短基線（USBL）系統(tǒng)組成和工作原理

超短基線（USBL）定位系統(tǒng)硬件由工作主機，聲學(xué)探頭（換能器基陣）、信標(biāo)、編碼器等，另外還配備相關(guān)應(yīng)用軟件。聲學(xué)探頭是包含1個信號發(fā)射器和多個接收器，依據(jù)廠家設(shè)備不同，接收器的數(shù)量和排列方式不同。發(fā)射器位于聲學(xué)探頭的中間，接收器環(huán)繞在發(fā)射器周圍。工作原理就是工作主機將信標(biāo)的地址號發(fā)給聲學(xué)探頭，聲學(xué)探頭將電信號轉(zhuǎn)換成一定頻段的聲波信號，由發(fā)射器向水下的信標(biāo)發(fā)射聲波信號，信標(biāo)接收到聲波信號后，反饋對應(yīng)地址和編碼器編譯的通道號給接收器，由多個接收器同時接收反饋信號，通過檢測計算信標(biāo)信號到達(dá)多個接收器的時間差，計算出信標(biāo)位于聲學(xué)探頭坐標(biāo)系中的俯仰角、方位角等，然后根據(jù)測得的距離和姿態(tài)航向角度數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)，計算出此時信標(biāo)在水中準(zhǔn)確位置。

2.2 超短基線（USBL）在節(jié)點鋪放過程中的應(yīng)用

超短基線（USBL）的聲學(xué)探頭具有方向方位性，在安裝聲學(xué)探頭前，須確保探頭朝前方向與船首向保持平行。因聲學(xué)探頭與船中心坐標(biāo)系不重合，存在著自身設(shè)備安裝偏差，同時外部的姿態(tài)儀和電羅經(jīng)也存在安裝偏差，為了確保獲取高精度的定位數(shù)據(jù)，在超短基線（USBL）系統(tǒng)投入使用前須進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。在正常作業(yè)中，需要將超短基線（USBL）系統(tǒng)和綜合導(dǎo)航系統(tǒng)連接通信，利用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)對超短基線（USBL）系統(tǒng)進(jìn)行外部控制，二者通過串口實現(xiàn)指令控制和數(shù)據(jù)傳輸。

節(jié)點鋪放前，導(dǎo)航工作人員用編碼器按照一定的排列方式對信標(biāo)進(jìn)行地址通道配置，將這些信標(biāo)一一掛在相應(yīng)的節(jié)點上，同時導(dǎo)航人員在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)上配置信標(biāo)地址號、通道號、以及節(jié)點對應(yīng)的測線號和樁號。在鋪放作業(yè)時，啟動綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，導(dǎo)航系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前船位信息，計算確認(rèn)當(dāng)前測線的樁號及對應(yīng)的信標(biāo)地址號，將該信標(biāo)地址號通過串口發(fā)送給超短基線（USBL）系統(tǒng)，然后經(jīng)由換能器基陣將相應(yīng)地址號的頻段信號發(fā)射給水下的信標(biāo)，等信標(biāo)接收反饋回信號后，重新由超短基線（USBL）將該信標(biāo)的距離、方位、坐標(biāo)等信息傳輸給綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航工作人員在監(jiān)控界面能實時查看到水下信標(biāo)與當(dāng)前測線的位置關(guān)系，通過分析信標(biāo)與測線的橫向偏差和縱向偏差，結(jié)合當(dāng)前的水流情況，由導(dǎo)航工作人員與駕駛?cè)藛T溝通，調(diào)整作業(yè)船舶的速度及航向，以便讓節(jié)點落到標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

2.3 超短基線（USBL）在二次定位中的應(yīng)用

OBN沉放到海底后，需要對節(jié)點位置進(jìn)行重新精準(zhǔn)定位，以確定節(jié)點的真實位置，該過程稱為二次定位。二次定位分為聲學(xué)二次定位和初至波二次定位，因初至波在拾取觀測值時容易受到地層反射、折射等多方面因素影響，野值較多，需要花費較多的精力去篩查，影響現(xiàn)場施工效率，所以主流的二次定位方法是聲學(xué)二次定位[3]。

超短基線（USBL）進(jìn)行聲學(xué)二次定位與節(jié)點鋪放流程的工作流程基本一樣，選擇需要定位的測線，配置該測線的聲學(xué)定位參數(shù)，包含：測線號樁號、信標(biāo)地址通道號、選擇聲學(xué)定位模式等，然后啟動定位功能，系統(tǒng)內(nèi)部之間的工作過程與節(jié)點鋪放一樣，二者區(qū)別在于聲學(xué)二次定位航行軌跡固定在測線的正上方，而鋪放節(jié)點需要根據(jù)節(jié)點位置調(diào)整船位。

當(dāng)完成整條測線的聲學(xué)數(shù)據(jù)采收后，利用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的PPN聲學(xué)后處理節(jié)點，則需要對該條測線相應(yīng)的原始聲學(xué)定位P294文件進(jìn)行后處理，根據(jù)工區(qū)參數(shù)和環(huán)境因素，設(shè)置合理的門限值，去除掉觀測值的尖跳野值，處理后生成的SPS聲學(xué)定位文件，就是節(jié)點在海底的真實位置坐標(biāo)信息，作為最終的成果文件上交存檔。

3 超短基線（USBL）應(yīng)用效果

超短基線（USBL）聲學(xué)定位技術(shù)在國內(nèi)外OBN項目中已經(jīng)得到應(yīng)用驗證，下面以南海某項目為例，該工區(qū)水深在62-80米之間，道間距50米，炮間距50米，要求放纜精度不應(yīng)大于15米。下圖1和圖2是該工區(qū)的2525測線鋪放后用超短基線（USBL）進(jìn)行的第一次聲學(xué)定位結(jié)果，從下圖中可以看到2525測線橫向偏差和縱向偏差都在15米范圍內(nèi)，在節(jié)點鋪放過程中利用超短基線（USBL）對水下信標(biāo)的實時動態(tài)監(jiān)控調(diào)整，確實有效的提高了節(jié)點鋪放精度。

圖1 2525測線第一次定位結(jié)果縱向偏差

圖2 2525測線第一次定位結(jié)果橫向偏差

在勘探過程中，發(fā)現(xiàn)有拖網(wǎng)漁船在2525測線東頭（大樁號一邊）的進(jìn)行漁業(yè)打撈，有可能影響到該測線水下節(jié)點的位置，為了能確定水下節(jié)點的準(zhǔn)確位置，安排聲學(xué)定位船對2525測線重新進(jìn)行聲學(xué)二次定位，兩次定位結(jié)果對比如下圖3、圖4所示：

圖3 2525測線拖動前后的縱向?qū)Ρ冉Y(jié)果

圖4 2525測線拖動前后的橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果

從上圖中兩次定位結(jié)果的對比可以看出，2525測線在樁號6534-6662區(qū)間兩次定位結(jié)果不吻合，在縱向偏差和橫向偏差上都出現(xiàn)明顯的差異，可以確定水下節(jié)點發(fā)生位置變化，2525測線確實收到漁船拖動的影響，也驗證了超短基線（USBL）聲學(xué)定位能夠準(zhǔn)確的采集計算到節(jié)點在海底的位置，有效保證OBN點位的定位精度。

超短基線（USBL）不僅僅可以應(yīng)用于節(jié)點鋪放和聲學(xué)二次定位，還可以應(yīng)用到可視化動態(tài)撈纜頭，將信標(biāo)綁定到板錨上，實時監(jiān)控板錨在水中的動態(tài)位置，通過調(diào)整船舶位置和板錨的配重，讓其將水下節(jié)點繩勾起，然后將水下節(jié)點回收，這種方式不僅簡單方便，作業(yè)效率也相比LRT的回收方式更高，也更節(jié)約成本【4-7】。

4 結(jié)束語

在OBN作業(yè)中利用超短基線（USBL）聲學(xué)定位系統(tǒng)實時監(jiān)控水下節(jié)點的動態(tài)位置，科學(xué)的指導(dǎo)實現(xiàn)節(jié)點鋪放作業(yè)，讓節(jié)點點位落在合格范圍，避免點位超標(biāo)而重新鋪放的問題；該技術(shù)應(yīng)用于聲學(xué)二次定位，也能準(zhǔn)確計算得到節(jié)點在海底的真實位置，保證節(jié)點的定位精度，從而保障地震資料的品質(zhì)。