海洋论坛▏利用线性调频声呐及波束角调节技术的海底管缆探测 - 海底地质探测装备选择

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随着港口工程建设、海洋资源开发等人类海洋活动的增加，海底管缆在区域能源传输、全球通信和海上风电等领域的广泛应用，海底管线调查的重要性日趋明显。海上通信电缆、输油管道、海上风电电缆和供水排污管道等管缆设施，在工程建设实施运行阶段若遭到破坏，将造成巨大的经济损失或污染水域环境，影响地方建设和居民生活；部分海底管线经过航道、锚地等船只航行、抛锚频繁区域，为保证航行安全、避免锚地抛锚船只走锚进而造成海底管线损坏，准确探测海底管缆特别是掩埋管缆的铺设状态对海洋调查和经济建设尤为重要。

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当前水下探测设备有多波束测深仪、侧扫声呐、水下机器人等，可以对悬空、裸露在海底表面的管线进行探测，但由于多波束测深仪和侧扫声呐等扫海设备采用较高的声呐频率，观察级水下机器人应用摄影技术，对具有一定埋深的海底管道得不到理想的探测效果。海洋磁力仪可以对有区域磁场异常的埋深管线进行探测，但受限于拖曳式作业方式，磁力异常点计算过程因误差累计导致定位精度差强人意而且无法准确探测埋深；水下机器人搭载管线探测仪的适用船舶及操作难度大，探测费用较为高昂。因此，综合考虑各种因素，海底管缆探测优选浅地层剖面仪。目前市场上针对浅层小管径线缆的探测主要有参量阵和线性调频等技术的浅地层剖面仪，其中线性调频声呐结合波束角调节技术在小管径管缆探测成像上优势明显。本文以具有代表性的EdgeTech3400 OTS浅地层剖面仪在实际工程中的应用为例，阐述线性调频声呐及波束角调节技术的优势及其在港口、航道埋深管线探测中的有效性，并对应用过程中出现的问题进行分析。

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一、技术装备介绍

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⒈线性调频声呐

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线性调频声呐属于压缩脉冲调制调频声呐，是一种瞬时频率随时间线性增加或减小的声呐信号，相对于早期连续波CW信号具有良好的自相关特性。线性调频技术对脉冲进行调频处理，在接收信号时经过滤波处理器得到一系列较窄脉宽的压缩脉冲，发射较宽的线性调频脉冲，可较常规的声呐系统获得更大的作用距离和穿透深度，并能提高分辨率。Chirp声呐脉冲理论表达式为

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式中，t为时间变量；A为振幅；T为脉冲宽度；fc为载波频率；k为信号的线性调频率，反映了频率的变化率；rect（）为矩形窗函数，数学表达式为

由式(2)可知频率与时间呈线性关系，斜率为K（Hz/s）。其中带宽指主要线性调频声呐能量占据的频率范围。线性调频声呐脉冲常与包络函数（如sin函数）一起使用，如图1所示。

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线性调频脉冲压缩技术能提高声呐的图像分辨率。该技术通过发射宽脉冲提高发射功率，扩大探测范围和效率；而接收时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高海底管线形状和细节的准确识别。

图1 sin函数包络的Chirp声呐脉冲

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⒉波束角调节技术

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声呐波束宽度是在场强最大的方向上，波束横断面的角度，即在某一频率上，在包含主轴的参考平面内，主轴上最大响应（以0dB表示）与主轴两边比主轴最大响应低某一分贝数的两点间的开角，习惯指相应低3dB的开角。波束宽度计算公式为

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式中，M为声呐阵元数量；d为声呐阵元间距；c为声速；w＝2πf。波束宽度计算公式为

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宽带波束每个子带对应的频率不同导致波束宽度不同，频率越高波束宽度越窄。波束角调节技术通过调整声呐阵列孔径，改变声呐波束宽度。应用在海底管缆探测上，通过波束角调节技术扩大发射波束角，增大线性调频声呐的管缆回波信号，形成明显的衍射曲线，有利于提高探测物识别成像。

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⒊EdgeTech3400 OTS浅地层剖面仪

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线性调频声呐在地层分辨上兼顾穿透作用距离和分辨率，结合波束角调节技术后在海底管缆探测上优势明显，本文以代表性型号EdgeTech3400 OTS（设备技术参数见表1）为例，结合工程应用，分析线性调频声呐及波束角调节技术在海底管缆探测上的应用效果。

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表1 EdgeTech3400OTS浅地层剖面仪技术参数

在复杂海底地形地貌或掩埋层介质复杂情况下不利于窄波束声呐系统对目标管缆的识别。相较于传统浅地层剖面仪测量，EdgeTech3400 OTS浅地层剖面仪可在地层测量模式和管线测量模式间切换，管线模式通过改变换能器多通道接收水听器阵列孔径，同时切换发射脉冲频率（可高达30Hz），以便更好地探测和测量浅埋管道/电缆。

EdgeTech3400OTS浅地层剖面仪通过多通道水听器和控制软件，在探测中切换波束宽度。在管道、电缆等海底掩埋管缆探测上目标物的回波图像上以双曲线为特点，双曲线表明在电缆路线和测量轨迹的交叉点上存在一个圆柱形物体。其次该管线测量模式还可用于检测漂砾、未爆炸武器、埋在地下的危险物或其他碎片，以便清理场地和勘测路线。管线测量模式绕射双曲线原理如图2所示。

图2 绕射双曲线原理

回波数据中的绕射双曲线是通过将测量线靠近垂直于管道/电缆交叉点而产生的。为了满足跟踪数据密度的测量要求，需要多次交叉以获得更高的管道位置精度。该管线模式利用抛物线声形状较小的窄接收PVDF面板。当探测器接近掩埋管缆时，管线模式提供了在更大范围内探测物体的能力；当浅地层剖面仪继续接近物体时，不仅信号强度会增加，而且声学传播时间也会减少；当生成反射图像时，强度的增加和减少的往返时间创造了一个抛物线形状；当浅地层剖面仪和物体之间的距离最小化时，它达到一个顶点，即为管缆顶端；当浅地层剖面仪移动出去时，产生的形状创造了第2条明显的抛物线。

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二、海底管缆探测实例

不同地质环境的航道、港口海底管线探测需要调整不同的采集参数，必要时还需要配合其他辅助设备提升浅地层剖面数据质量。选取两个较为典型的海底管线探测案例，对施测过程中需要特别注意的技术问题进行分析。

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⒈珠海某风电场小管径电缆探测

本次勘测是为探明海上风电场电缆布设情况。利用浅地层剖面探测技术对风电场区进行路由调查，调查电缆走向与埋深，并标示在海图上。海底电缆位于珠海桂山近海海域，海底电缆全长近20km，主缆为220V电缆（直径约25cm），副缆为35kV电缆（直径约16cm）。本次勘测管缆直径较小，结合底质状况采用适宜当地地质环境的测量参数配置。探测过程中船舶也尽可能地保持在5kn航速以下平稳航行，换能器采用侧舷固定安装模式，考虑涌浪及船速的影响，为确保较好的姿态改正和定位连入POS高精度导航定位系统，以提高管缆回波反射弧成像效果。探测得到的电缆剖面成果如图3所示。

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图3 浅地层剖面仪探测效果

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由图3在采集控制界面电缆反射弧可知，管线埋深约为1.5m，通过多次等距垂直于多电缆设计线测量后确定电缆实测点位，各点位连线绘制电缆实际走向。为进一步验证数据成果可靠性，本次勘探结合多波束测深仪和侧扫声呐综合判断，图4、图5分别是多波束测深仪和侧扫声呐扫海得到的管沟走向图。经比较，浅地层剖面仪管缆探测走向图与多波束测深仪、侧扫声呐扫测的管沟走向图一致，也与设计线缆路由保持一致（如图6所示）。

图4 多波束测深仪探测效果

图5 侧扫声呐探测效果

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 图6 实测管缆与设计管缆路由一致

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⒉深圳西部港区某海底输气管道探测

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本次勘测为深圳西部港区某航道拓宽工程，由于海底输气管道位于拓宽航道底部，需精确探测管道位置及埋深评估设计施工可行性，达到拓宽疏浚航道时可合理规避海底电缆的目的。勘测所处航道附近水深为5～20m，本次勘测目标为直径80cm的钢质管缆，管缆上铺碎石层，探测难点在于需考虑碎石层引起的较强反射影响，如何确保浅地层剖面仪能在此情况下穿透海底浅地层至埋深管线并接收到管缆的反射弧信号，对设备探测能力及采集参数选取要求较高。由于海洋磁力仪采用磁法探测，不受海底表层地质情况影响，为达到较理想的探测效率，首先在管缆设计区域采用Geometrics G882磁力仪进行扫测形成磁场曲线分布，确定管缆分布位置；之后沿垂直于磁力仪探测位置连线保持3～4kn船速，进行剖面数据记录存储。

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图7为磁力仪探测磁场异常分布情况，图8为浅地层剖面仪探测情况。由图8可看出，在航道管缆设计位置的反射信号较强，在浅地层剖面仪剖面图中可清晰地看出管缆回波信号为夸张弧状反射曲线，通过数据处理软件可精准确定管缆位置和埋深。

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图7 磁场异常分布

图8 浅地层剖面仪探测情况

如图9所示，浅地层剖面仪管缆探测结果与设计管缆资料对比分析结果相符。该方法适用于复杂海底掩埋情况，通过前期磁力探测明确位置信息，在浅地层剖面仪探测阶段突出分辨图像，可为航道施工建设提供可靠的参考依据。

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图9 实测管缆与设计管缆路由相符

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三、管缆探测影响因素分析与解决措施

浅地层剖面探测成果存在多种影响要素，如海底底质环境特性、设备硬件的技术性能参数、探测过程中干扰源及作业人员的经验水平等。其中大多数影响要素是能够避免或优化的，在作业过程中，应结合测区实际施测优化探测效果。

⑴海底底质情况分析。在测量前期做好测区调研，海底底质情况决定设备所能达到的穿透能力，海底表层底质属于岩石、砂砾和珊瑚礁等情况将严重阻碍声波的穿透，如浅地层剖面在较为软质疏松的海底可达80m穿透，底质情况决定声呐的作用深度。

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⑵外部干扰源影响。外部干扰源包括船舶震动噪声、海洋生物、外部环境噪声等。尤其噪音震动在浅地层剖面图像成像上降低勘测数据质量，易形成干扰曲面，严重影响操作人员的图像判读。因此，严谨判读分析剖面图像数据，同时抑制消除干扰源非常必要。

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⑶船只稳定航行有助于获取良好效果的探测效果图。由于海底掩埋管缆一般都是管径较小的线缆，探测目标小，测量船探测过程中应尽量保持慢速均速航行，船速和航向信息的突变不稳定直接影响探测器状态，进而造成界面图像效果不佳。同时，涌浪也使船只摇摆不定导致姿态误差叠加，可加入高精度姿态传感器进行有效改正。

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⑷作业模式参数的选取应紧密结合现场作业情况。根据浅地层剖面仪原理，目标物的成像明显与否主要取决于目标物与周围地层的声阻率，声阻率越大图像成像效果就越清晰。同时测量过程中需要根据水深情况、底质情况及时调整采集模式参数，一般深水时用升压斩波（boost）脉冲优于调频（FM）脉冲，boost模式内部有3～12kHz和3～16kHz两种模式，差别在于后者带宽更宽，分辨率更高，穿透相比前者更弱，需结合测量实际及时调整参数以达最有成像效果。

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其他影响因素还包括仪器适用环境、安装系统误差。另外，设备成像分辨率、定位仪器误差、潮汐作用、海水深度及海底地貌起伏状态均会对浅地层剖面探测有着直接的影响。

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四、结论

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受限于部分复杂海底地形地貌或是硬质海底地质情况，准确探测海底电缆管道，特别是掩埋的电缆管道的位置、状态和埋深是一个技术性难题。本文通过两个工程案例实践，介绍了线性调频声呐及波束角调节技术在海上风电场小管径埋深电缆探测和航道拓宽工程海底埋深管道探测中的具体应用，分析了浅地层剖面图像中管缆识别中存在的问题。总结如下。

⑴在选取合理参数及采集模式的情况下，线性调频浅地层剖面仪衍射双曲线效果有助于管缆探测识别，特别是小管径线缆探测优势明显，突出线性调频技术的浅地层剖面仪的成像效果佳、分辨率高的特性。

⑵海底表层地质特别是铺石层对声波的反射效应很大，极大地削弱了一般声波对地层的穿透，使得浅地层剖面仪对铺石层地质的探测效果一般不理想，结合磁力仪的探测应用有助于进一步精确探测管缆位置及埋深。

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⑶海底管缆的各种探测方法各有优点，也有其局限性，工程应用时应根据管缆的材质、管径、埋深及地质条件等因素综合考虑选择。浅地层剖面仪在掩埋管缆探侧上优势明显，若部分管缆处于半裸露或是悬空状态，可在浅地层剖面探测基础上结合侧扫声呐、三维合成孔径声呐、多波束测深仪或三维实时声呐等技术进行综合探测，以满足不同探测目的。

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【作者简介】文/马海伟 栾坤祥 陈良，分别来自交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心、青岛圣蓝科技有限公司。第一作者马海伟，1989年出生，男，工程师，主要研究方向为海洋测绘。本文受基金项目赞助，国示范性劳模和工匠人才创新工作室-陈贵花创新工作室项目（2022012）。文章来自《测绘通报》（2024年第6期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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