CN115032695B - 一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法,属于海洋测绘技术领域，包括以下步骤：步骤1、测量船舶从海底管缆路由的一侧上线，若海底管缆的斜距反射信号位于所在地层声学剖面信号的下方时，开始采集数据，全球卫星导航***同步打标；步骤2、将测量船舶从海底管缆路由的另一侧上线，再次执行步骤1；步骤3、根据地层拾取方法，描绘该同相轴的平面位置与高程；步骤4、将拾取数据插值加密到逐个脉冲点上；步骤5、构建逐个脉冲点的线性方程组，得出海底管缆探测的最终成果图；该基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，海底管缆所在位置的空间三维斜距信息，得出海底管缆真实的位置与埋深，从而显著提高作业效率。

Description

一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法
技术领域
本发明属于海洋测绘技术领域，具体涉及基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法。
背景技术
海底管缆是海上油气田的生命线，其运行状况直接关系到海上油气田的安全，随着海洋石油资源的开发与利用，海底管缆的建设数量日益增多，为海上油气资源的输送发挥了巨大的作用，此外，海底管缆还被广泛应用于沿海工业区污水排放、通岛供水供电及通讯等涉海工程中，目前，进行海底管缆探测和识别主要依靠声学手段，以浅地层剖面探测法最为常用，相比较侧扫声纳探测、海洋磁力探测等其他辅助探测手段，浅地层剖面探测可以同时测得海底管缆的精确位置和埋深，声学侧反射现象是由浅地层剖面仪换能器的旁瓣效应导致的，当换能器指向性较差是尤为严重，侧反射出现在反射记录上时，很容易被解释为下部地层的反射信号；在浅地层剖面探测时，当波束角照射范围内存在诸如水下陡坎、岸坡等地貌类型或小而凸显的水下目标物时，其位置即使没有处于换能器的正下方，但因在波束角照射范围内，依然以旁侧反射的特征而被记录在声学反射数据中，只是其反射时程比在正上方探测时的时程更长，地貌类侧反射信号很容易被误认为是下部的地层反射信号，但是海底管缆等目标物的侧反射特征可以通过反射波的强弱变化来区分，若反射信号来自于下部地层，则频带中会有相当一部分能量被沉积物吸收，有明显的衰减，而侧反射信号由于来自目标物表面，强度较大，波阻抗界面清晰，易于追踪识别。
声学侧反射现象一直被视为测量噪声，未被加以正面利用，根据声学浅地层剖面探测中的侧反射原理，在换能器波束角的照射范围内，如果存在小而凸出的目标物，则会以斜向反射信号的形式反映在地层剖面资料记录中，而斜向反射时程与海底管缆真实的位置和埋深信息密切相关，因此，传统的海底管缆声学剖面探测都是垂直于海管路由走向、垂直于海底管缆航行来测量作业，不仅作业效率低下，而且测得的位置和埋深成果只是一系列的离散节点，难以反映海底管缆连续延伸的特点，因此需要研发一种探测方法来解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，以解决传统海底管缆声学剖面探测测量作业效率低下的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，包括以下步骤：
步骤1、测量船舶从海底管缆路由的一侧上线，沿着同侧的计划测线，平行于海底管缆路由的走向航行，若海底管缆的斜距反射信号位于所在地层声学剖面信号的下方时，开始采集数据，全球卫星导航***同步打标；
步骤2、将测量船舶从海底管缆路由的另一侧上线，再次执行步骤1；
步骤3、当采集的数据的声学反射图像为一条孤立连续的强能量同相轴时，根据地层拾取方法，描绘该同相轴的平面位置与高程；
步骤4、将拾取数据插值加密到逐个脉冲点上；
步骤5、利用信号往返的时程反射曲线、航迹与海底管缆的几何关系，构建逐个脉冲点的线性方程组，得出海底管缆探测的最终成果图。
优选的，所述所在地层声学剖面信号的探测仪器为浅地层剖面仪。
优选的，所述方法还包括在步骤1前调试浅地层剖面仪以及现场作业步骤。
优选的，所述调试浅地层剖面仪步骤包括：
将浅地层剖面仪安装在测量船舶上，记录浅地层剖面仪入水深度、与船载导航定位GNSS天线的偏移距离；
设置浅地层剖面仪的波束角不小于20°，工作主频不小于12kHz，垂向地层分辨率不小于10cm；
使计划测线与路由中心线间的距离满足关系式0≤l≤h·tgα，并分别布设在海底管缆路由中心线的两侧，其中，l为偏移距，h为水深，α为波束角。
优选的，所述现场作业步骤包括：
现场作业海况不大于4级，测量船舶航速不大于5节，浅地层剖面仪的声脉冲发射频率为1Hz，航迹偏线误差不大于5m；
全球卫星导航***通过信标差分或卫星差分改正后的动态平面定位精度小于1.5m。
优选的，步骤5中、构建逐个脉冲点的线性方程组的步骤包括：
步骤51、在任意测量位置，设置测量船舶的浅地层剖面仪所在位置为O1(x1i,y1i)，其正下方探测到的平面点为O1'(x1i,y1i)，海底管缆位于P(xi,yi)点，设浅地层剖面仪正下方水深为D0，海底管缆上方水深为Dp，管缆所在P点与O'的距离为Δxy，管缆埋深为Δz，海水中声速为c1，地层中声速为c2，声线传播双程总时间为t，其中海水中为t1，地层中为t2，θi为航迹线与纬线之间的夹角；
步骤52、将采集到的x1、y1、D0、t、t2代入公式，
Figure BDA0003602148350000031
Figure BDA0003602148350000032
Figure BDA0003602148350000033
Figure BDA0003602148350000034
t＝t1+t2 (5)
设
D0＝Dp (6)
c1＝c2 (7)；
步骤53、将(1),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解xi,yi,Δzi三个变量，并绘图显示构成一个三维空间曲面；
步骤54、将(2),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解xi,yi,Δzi三个变量，并绘图显示构成另一个三维空间曲面；
步骤55、将步骤53和步骤54是两个曲面相交，应用MATLAB软件的contourslice函数，求出其下方交线的逐点坐标，得到海底管缆真实的平面坐标组xi,yi，其中Δzi为海底管缆真实的埋深；
步骤56、将上述步骤53和步骤54求解得出的xi,yi,Δzi逐点展布到计算机辅助绘图***中，得出海底管缆探测的最终成果图。
优选的，所述计算机辅助绘图***为AutoCAD软件。
优选的，所述数学函数为MATLAB软件的solve函数。
优选的，步骤4中，所述拾取数据插值的获取方法包括：拉格朗日插值法或牛顿插值法。
本发明的技术效果和优点：该基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，通过控制浅地层剖面仪波束角的照射范围，顺沿着海底管缆的走向进行探测，得出海底管缆所在位置的空间三维斜距信息，再通过数学方法反演，得出海底管缆真实的位置与埋深，从而显著提高作业效率；
本发明在现有的仪器设备基础上，无需购置新设备，实现顺沿管缆、高效探测的目的，无疑具有极大的经济效益与推广价值，应用本发明探测海底管缆位置与埋深时，其工作量将降低4～10倍，而且在表层复杂的地质条件下，对海底管缆信号的识别能力大大增强，可以识别出传统方法难以分辨的海底管缆。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明浅地层剖面仪换能器波束角的形态示意图；
图3a为本发明传统方法计划线布设示意图；
图3b为本发明侧反射法计划线布设示意图；
图4为本发明探测到海底管线在声学剖面图像中的成像示例图；
图5为本发明探测时程曲线几何关系图；
图6为本发明探测时的空间地理信息几何关系图；
图7为本发明通过一条测线反演出的xi、yi、Δzi三维空间曲面方程图形；
图8为本发明通过两条测线反演出的xi、yi、Δzi三维空间曲面方程图形；
图9为本发明形成的海底管缆探测最终成果图。
图中：1、海底面；2、海底管缆；3、高程；4、海底管缆的里程桩号；5、测量船舶；6、实际航迹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1中所示的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法,包括以下步骤：
首先调试浅地层剖面仪以及现场作业步骤；
所述调试浅地层剖面仪步骤包括：
将浅地层剖面仪安装在测量船舶上，记录浅地层剖面仪入水深度、与船载导航定位GNSS天线的偏移距离；
设置浅地层剖面仪的波束角不小于20°，工作主频不小于12kHz，垂向地层分辨率不小于10cm；
使计划测线与路由中心线间的距离满足关系式0≤l≤h·tgα，并分别布设在海底管缆路由中心线的两侧，其中，l为偏移距，h为水深，α为波束角。
所述现场作业步骤包括：
现场作业海况不大于4级，测量船舶航速不大于5节，浅地层剖面仪的声脉冲发射频率为1Hz，航迹偏线误差不大于5m；
全球卫星导航***通过信标差分或卫星差分改正后的动态平面定位精度小于1.5m，安装调试完成后，以RS232或RS485等通讯方式，接入浅地层剖面仪的采集软件或导航定位软件；
步骤1、测量船舶从海底管缆路由的一侧上线，沿着同侧的计划测线，平行于海底管缆路由的走向航行，若海底管缆2的斜距反射信号位于所在地层声学剖面信号的下方时，开始采集数据，全球卫星导航***同步打标；
步骤2、将测量船舶从海底管缆路由的另一侧上线，再次执行步骤1；现场作业结束，整个工作量约为传统1:2000调查比例尺工作量的1/10，约为传统1:5000调查比例尺工作量的1/4；
步骤3、当采集的数据的声学反射图像为一条孤立连续的强能量同相轴时，本实施例中，表现为灰度图上的一条黑线，根据地层拾取方法，描绘该同相轴的平面位置与高程；
步骤4、将拾取数据插值加密到逐个脉冲点上；本实施例中，根据浅地层剖面仪的信号发射设置，将拾取数据插值加密到逐个脉冲点上；
步骤5、利用信号往返的时程反射曲线、航迹与海底管缆2的几何关系，构建逐个脉冲点的线性方程组，得出海底管缆2探测的最终成果图；本实施例中，在声学剖面探测解译软件中，提取出海底管缆2斜距反射信号的位置和高程信息后，根据声学时程反射曲线的几何关系，反算海底管缆2真实的位置与埋深，构建逐个脉冲点的线性方程组的步骤包括：
步骤51、在任意测量位置，设置测量船舶的浅地层剖面仪所在位置为O1(x1i,y1i)，其正下方探测到的平面点为O1'(x1i,y1i)，海底管缆2位于P(xi,yi)点，设浅地层剖面仪正下方水深为D0，海底管缆2上方水深为Dp，管缆所在P点与O'的距离为Δxy，管缆埋深为Δz，海水中声速为c1，地层中声速为c2，声线传播双程总时间为t，其中海水中为t1，地层中为t2，θi为航迹线与纬线之间的夹角；
步骤52、将采集到的x1、y1、D0、t、t2代入公式，
Figure BDA0003602148350000071
/>
Figure BDA0003602148350000072
Figure BDA0003602148350000073
Figure BDA0003602148350000074
t＝t1+t2 (5)
设
D0＝Dp (6)
c1＝c2 (7)；
步骤53、将(1),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解xi,yi,Δzi三个变量，并绘图显示构成一个三维空间曲面；
步骤54、将(2),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解xi,yi,Δzi三个变量，并绘图显示构成另一个三维空间曲面；
步骤55、将步骤53和步骤54是两个曲面相交，应用MATLAB软件的contourslice函数，求出其下方交线的逐点坐标，得到海底管缆2真实的平面坐标组xi,yi，其中Δzi为海底管缆2真实的埋深；
步骤56、将上述步骤53和步骤54求解得出的xi,yi,Δzi逐点展布到计算机辅助绘图***中，得出海底管缆2探测的最终成果图；
本实施例中，所述计算机辅助绘图***为AutoCAD软件；所述数学函数为MATLAB软件的solve函数。
本实施例中，所述所在地层声学剖面信号的探测仪器为浅地层剖面仪；浅地层剖面仪即换能器的选型，震源应为声脉冲(acoustic pinger)，且集成了发射器与接收器功能，参数中，波束角是最主要的考量因素，越大越好，如图2所示，大于20°为佳，工作主频14kHz最佳，垂向地层分辨率越小越好，本实施例中，浅地层剖面仪的型号为EdgeTech3200XS 216、GeoAcoustic T14K，其波束角分别为24°、40°，均能满足作业要求，在安装时，应使其波束角照射范围椭圆的短轴方向平行于海底管缆2走向；
在测量船舶上固定安装浅地层剖面仪，波束角为椭圆形，长轴向垂直于海管路由走向，测量作业时，以海底管缆2路由中心线为基准，计划测线平行于海底管缆2走向布设，计划测线与路由中心线间的距离满足关系式0≤l≤h·tgα；由图3b所示，计划测线布设2条即可，分别位于海底管缆2两侧，平行于海底管缆2走向，测线长度等同于海底管缆2长度，在其上方或其他位置安装全球卫星导航***即GNSS终端，量测换能器的吃水深度、GNSS天线与换能器的平面偏移距离；
在采集软件或导航定位软件中设置浅地层剖面仪、GNSS终端的相关参数，确保其连接正常，数据通讯通畅；
开启浅地层剖面仪，触发换能器开关，确认海底管缆2的斜距反射信号如图4所示出现在下部地层后，测量船舶从海底管缆路由的一侧开始上线，沿着同侧的计划测线，平行于海底管缆路由的走向航行；
上线前启动采集软件的数据记录设置，令GNSS同步打标，下线后终止采集软件的数据记录；
在应用声学测反射法进行海底管缆2探测时，在海管路由的另一侧布设镜像测线，提供另一组相应的探测信息，共同完成位置与埋深的最终反演；
声学侧反射法探测到的目标反射信号是斜向反射时程的记录，不是正下方的垂向反射时程的记录，因此，直接提取目标的平面位置与埋深信息，存在偏差，需进行数学校正得出真实的海底管缆2位置与埋深信息：
在任意测量位置，设浅地层剖面仪所在位置为O1(x1i,y1i)，其正下方探测到的平面点为O1'(x1i,y1i)，海底管缆2位于P(xi,yi)点，设浅地层剖面仪正下方水深为D0，海底管缆2上方水深为Dp，管缆所在P点与O'的距离为Δxy，管缆埋深为Δz，海水中声速为c1，地层中声速为c2，声线传播双程总时间为t，其中海水中为t1，地层中为t2，θi为航迹线与纬线之间的夹角；
参数中，x1、y1、D0、t、t2采集获取的，xi、yi、Δzi是需要反演的结果参数，当完成一条测线的探测后，由几何关系可构建如下方程组或等式：
测线上任一点处，浅地层剖面仪上方坐标与海底管缆2的真实坐标满足的空间地理几何关系为：
Figure BDA0003602148350000091
浅地层剖面仪发射的声脉冲到达海底管缆2的反射时程在水体中和在地层中总和满足的几何关系为：
Figure BDA0003602148350000092
所述的海底管缆2在海底面投影点与浅地层剖面仪在海底面投影点的距离满足关系：
Figure BDA0003602148350000093
浅地层剖面仪发射的声脉冲到达海底管缆2的总反射时间满足关系：t＝t1+t2；
浅地层剖面仪所在位置的水深与海底管缆2所在位置的水深假定相等：D0＝Dp；
相比水深，海底管缆2埋设深度一般很浅，设声脉冲在水体中的声速与在海底管缆2所埋设地层中的声速假定相等：c1＝c2；
根据以上关系，应用MATLAB软件的solve函数，求解出xi、yi、Δzi的相互关系表达式，得出一组三维空间曲面方程；
当完成另一条测线的探测后，利用测线上O2(x2j,y2j)的平面数据，代入上述方程式，求解出xj、yj、Δzj的相互关系表达式，可得出另一组三维空间曲面方程；
应用MATLAB软件的contourslice函数，求解两个三维空间曲面方程的交线，两个曲面的下方交线即为所求的海底管缆2位置与埋深；
将求出的海底管缆2位置与埋深信息绘制在AutoCAD图纸上，形成海底管缆2探测成果图；
采用侧反射法探测，由于反射时程增加，海底管线的反射信号多出现于更深的反射层位，通常深处的层位由于地层信号衰减等原因，其声学反射能量弱而均匀，在这样的声学图像背景下，海底管线的目标反射即使较弱，也会易于识别；
本发明拓展声学剖面探测海底目标物的适用范围，能探测到的管径会进一步减小，能探测到的材质会进一步丰富，还可以确定的是，当管线埋设于密实的粗粒土或粗细混合土中时，侧反射法可提供比传统方法更好的探测效果；
在海底管缆2的另一侧，重复上一步骤，完成另一条测线的数据采集，现场作业结束；
在声学剖面探测解译软件中，提取出每条测线中海底管缆2斜距反射信号的位置和高程信息；
应用拉格朗日插值法或牛顿插值法，将拾取的所有数据进行插值，加密到逐个脉冲点上都有平面位置和竖向高程信息；
将一条测线上所有脉冲点的平面位置和竖向高程信息存储为文本文件，包含三列参数x1i,y1i,Δz1i，将另一条测线上所有脉冲点的平面位置和竖向高程信息存储为文本文件，包含三列参数x2j,y2j,Δz2j，作为数学反演的已知量；
根据图5所示的时程曲线与图6所示的地理位置几何关系，打开MATLAB软件，调用包含参数x2j,y2j,Δz2j的文本，应用solve函数求解根据一条测线构建的所述线性方程组及等式，反演得到目标参数xi、yi、Δzi的表达式，绘制如图7所示的三维空间曲面图；
求解根据另一条测线构建的所述线性方程组及等式，反演得到目标参数xj、yj、Δzj的表达式，与上一步骤的三维空间曲面相交，绘制如图8所示的三维空间曲面相交图；
应用MATLAB软件的contourslice函数，求解两个三维空间曲面的交线，将下方交线的平面坐标和埋深信息存储为结果文件，即为所求的海底管缆2真实的位置与埋深；
将结果文件中的所求点进行中值滤波处理，然后按照1:500的建议比例尺，逐点展布到AutoCAD图纸上，整饰图面，形成海底管缆2平面位置图、以及如图9所示的海底管缆2埋设状态图，构成最终的探测成果；
本发明应用于常规海底管线检测业务，不需要额外购置设备，采用现有的声学浅地层剖面仪，以侧反射原理顺延管线跟踪探测其位置和埋深，可以取得优于传统的横切管线探测的效果，不仅测得的成果数据更为连续，而且可以成倍节省总测线长度和行船时间，还显著提高目标识别效果，增强在小管径、轻材质、硬质地层等条件下的探测效果。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、测量船舶从海底管缆路由的一侧上线，沿着同侧的计划测线，平行于海底管缆路由的走向航行，若海底管缆的斜距反射信号位于所在地层声学剖面信号的下方时，开始采集数据，船载导航定位GNSS***同步打标；
步骤2、将测量船舶从海底管缆路由的另一侧上线，再次执行步骤1；
步骤3、当采集的数据的声学反射图像为一条孤立连续、能量较强的同相轴时，根据地层拾取方法，描绘该同相轴的平面位置与高程；
步骤4、将拾取数据插值加密到逐个脉冲点上；
步骤5、利用信号往返的时程反射曲线、航迹与海底管缆的几何关系，构建逐个脉冲点的线性方程组，得出海底管缆探测的最终成果图；
步骤5中、构建逐个脉冲点的线性方程组的步骤包括：
步骤51、在任意测量位置，设置测量船舶的浅地层剖面仪所在位置为
Figure QLYQS_1
，其正下方探测到的平面点为/>
Figure QLYQS_2
，海底管缆位于P(xi,yi)点，设浅地层剖面仪正下方水深为D 0 ，海底管缆上方水深为D p ，管缆所在P点与O'的距离为Δxy，管缆埋深为Δz，海水中声速为c 1 ，地层中声速为c 2 ，声线传播双程总时间为t，其中海水中为t 1 ，地层中为t 2 ，θ i 为航迹线与纬线之间的夹角；
步骤52、将采集到的x 1 、y 1 、D 0 、t、t 2 代入公式，
Figure QLYQS_3
(1)
Figure QLYQS_4
(2)
Figure QLYQS_5
(3)
Figure QLYQS_6
(4)
Figure QLYQS_7
(5)
设
Figure QLYQS_8
(6)
Figure QLYQS_9
(7)；
步骤53、将(1),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解x i ,y i ,Δz i 三个变量，并绘图显示构成一个三维空间曲面；
步骤54、将(2),(3),(4),(5),(6),(7)式，应用数学函数求解x i ,y i ,Δz i 三个变量，并绘图显示构成另一个三维空间曲面；
步骤55、将步骤53和步骤54是两个曲面相交，应用MATLAB软件的contourslice函数，求出其下方交线的逐点坐标，得到海底管缆真实的平面坐标组x i ,y i ，其中Δz i 为海底管缆真实的埋深；
步骤56、将上述步骤53和步骤54求解得出的x i ,y i ,Δz i 逐点展布到计算机辅助绘图***中，得出海底管缆探测的最终成果图。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述所在地层声学剖面信号的探测仪器为浅地层剖面仪。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述方法还包括在步骤1前调试浅地层剖面仪以及现场作业步骤。
4.根据权利要求3所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述调试浅地层剖面仪步骤包括：
将浅地层剖面仪安装在测量船舶上，记录浅地层剖面仪入水深度、与船载导航定位GNSS天线的偏移距离；
设置浅地层剖面仪的波束角不小于20°，工作主频不小于12kHz，垂向地层分辨率不小于10cm；
使计划测线与路由中心线间的距离满足关系式0≤l≤h·tgα，并分别布设在海底管缆路由中心线的两侧，其中， l为偏移距，h为水深，α为波束角。
5.根据权利要求4所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述现场作业步骤包括：
现场作业海况不大于4级，测量船舶航速不大于5节，浅地层剖面仪的声脉冲发射频率为1Hz，航迹偏线误差不大于5m；
全球卫星导航***通过信标差分或卫星差分改正后的动态平面定位精度小于1.5m。
6.根据权利要求1所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述计算机辅助绘图***为AutoCAD软件。
7.根据权利要求1所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：所述数学函数为MATLAB软件的solve函数。
8.根据权利要求1所述的一种基于声学侧反射的海底管缆追踪式探测方法，其特征在于：步骤4中，所述拾取数据插值的获取方法包括：拉格朗日插值法或牛顿插值法。
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