海洋论坛▏测深侧扫声呐在近岸海洋工程中的应用——以海底管道调查为例

作为海底地形地貌调查的关键技术装备，多波束测深声呐和侧扫声呐在海图/航道测量、海底生境测绘、海底电缆/管道调查、航道疏浚、港口扫测、海洋牧场本底调查等诸多近岸海洋工程领域有着广泛应用。多波束测深声呐探测定位精度高，能实现全覆盖、高精度水深测量，侧扫声呐可以获取海底宽扫测范围内的高分辨率海底声呐图像，因此，协同利用多波束测深声呐与侧扫声呐，长期以来是海底地形地貌调查的有效技术手段。传统多波束测深系统基于束控法基本原理，条带覆盖宽度与水深、波束开角有关，在近岸浅水测量环境中，水深浅、波束开角有限导致传统束控法多波束测深声呐的条带覆盖范围非常有限，为完成全覆盖测量，通常需要加密布设调查测线，这不仅导致了勘测效率降低、成本提高，而且加密测线对调查船操控、导航设备性能提出了更高要求。此外，传统束控法多波束测深声呐还存在边缘波束质量较差、反向散射图像分辨率较低等问题，不利于海底地形地貌局部特征的精细解释。侧扫声呐虽然可以获取海底高分辨率声呐图像，但常采用拖曳式作业，仅能给出海底地貌、地物的概略位置，存在难以进行量化分析、与水深图配准融合难等问题。如何实现近岸浅水环境下海底地形地貌的高效测量始终是海洋调查技术领域的热点和难点问题之一。

相较于传统多波束测深声呐、侧扫声呐的分置作业模式，一体化的测深侧扫声呐既可以同时获取高精度水深数据与高分辨率声呐图像，又具有扫测覆盖宽、结构简单紧凑、对搭载平台要求低、作业效率高、作业成本低等优点，测深侧扫声呐技术成为了近年来近岸海洋工程调查领域新的热点。针对传统测深侧扫声呐存在的测深精度低、噪音干扰严重、固有探测盲区等问题，本文以美国EgdeTech公司的新一代测深侧扫声呐EgdeTech 6205 S2为例，介绍多相位回声测深侧扫（MPES）技术的基本原理及测量精度，并以海底管道的调查实例证明了该技术在水深地形、海底地貌以及海底特征目标识别定位等方面的技术优势，这对近岸海洋工程调查手段选择具有参考意义。

⒈测深侧扫声呐基本技术原理

测深侧扫声呐基于相干声呐的基本技术原理，通常采用类似于侧扫声呐的板状换能器基阵结构，基阵安装于系统左右两侧，每侧由1条发射线阵和多条接收线阵组成。利用各通道接收波形的相位差对接收回波的每个时间样本进行回波方位估计，利用回波到达时间差计算海底距离，同时采集侧扫声呐图像数据。基本技术原理如图1所示，换能器阵中2个接收阵元RX_i固定间距为d，利用相位差在给定时间（t）下测量反射回波信号的角度(θ)和回波振幅（a_i），进而对海底进行点位深度测量和声呐成像。

测深侧扫声呐的侧扫几何结构形成了非常宽的扫测视野，并提供了更宽的水深条带覆盖宽度，从而提高了在浅水区域的调查效率。然而，传统的测深侧扫声呐极易受到水中复杂噪声、混响、多路径回波信号等因素的干扰，实现精确测深一直是一个难点。此外，该类型声呐的侧扫几何结构中央波束方位估计精度差，导致了声呐正下方天底部位数据误差较大、存在探测盲区等系列问题出现。近年来，为提高测深侧扫声呐探测精度，结合束控多波束测深声呐中的多通道接收基阵和相干多波束声呐中的基于相位信息的估计方法，测深侧扫技术得到了快速发展。

图1 测深侧扫声呐基本技术原理

⒉多相位回声测深侧扫技术原理

多相位回声测深侧扫技术（MPES）在测深侧扫声呐基本技术原理上发展而来，是美国EdgeTech公司生产的新一代测深侧扫声呐EdgeTech 6205 S2系统的核心技术，该技术充分结合了束控多波束测深声呐、相干多波束测深声呐的优点，利用侧扫声呐的发射几何结构，增加了接收阵元的数量，多个接收阵元通过波束形成和波束控制技术提高了声呐灵敏度性能。侧扫板条几何结构保持了宽带测绘能力，而波束控制降低了数据噪声并消除了相干声呐固有的天底部位探测盲区问题。

具体来讲，MPES技术使用1对换能器阵列，1个面向左舷，1个面向右舷，以产生测深和侧扫数据。每个阵列有10个测深接收阵元，每侧最多可获得9个相位差测量值，这种多相位测量在解决海底探测问题时有几个优势：①接收阵元的数量提高，使得每个水深数据的平均值和标准偏差计算精度提高，以便从统计上滤除双重回波（或多路径回波）噪声数据，从而提高每个测深点的准确性；②增加的通道数通过波束形成和波束控制处理方法将能量聚焦在天底区域，从而在该区域创建更密集的数据集，实现了对整个海底条带的测绘；③波束形成对多路径回波进行有效抑制，降低了对声学混响的敏感性，增强了对外来声学噪声的抑制；④同步采集、共同配准的多波束、侧扫声呐数据有助于提高外业勘测和内业数据处理效率。

水深测量精度是测深侧扫声呐重点关注的问题，有关学者通过实验数据与参考数据对比，对MPES技术测深精度进行了评估。图2为10m水深条件下水深总垂直不确定度（TVU）95%置信区间与水深的函数关系，图中黑点及其蓝色拟合线代表不同水深倍数条件下水深总垂直不确定度（TVU）95%的置信区间，红色水平直线代表国际水文测量组织（IHO）特级测量标准的总垂直不确定度。由图2可以看出，MPES技术在9.5倍水深范围内符合IHO特级标准。与传统多波束测深声呐相比，以MPES技术为基础的测深侧扫声呐能够在更宽的覆盖范围内满足水深调查标准规范要求，可有效减少调查区域内的扫测次数，减少数据采集时间和成本，提高调查效率。

图2 MPES技术条带测深数据精度评估

⒈系统介绍

基于MPES技术的EdgeTech 6205 S2测深侧扫声呐系统测深数据符合IHO SP-44特级标准，可生成共同配准的测深和双频侧扫数据，可同时采集反向散射强度数据，波束开角可达200°,测深模式可选等角或等距模式，集成表层声速传感器，可选配集成OEM惯性导航系统。根据具体作业场景，系统有520/850kHz（双频侧扫和520kHz测深）、520/850kHz（双频侧扫和850kHz测深）、520/1600kHz（双频侧扫和520kHz测深）、850/1600kHz（双频侧扫和850kHz测深）可选，详细技术参数如表1所示。

不同于侧扫声呐常用的拖曳作业方式，Edge-Tech 6205 S2测深侧扫声呐采用船舷固定安装作业方式（图3）。拖曳式作业方式易受载体、拖鱼运动姿态影响，导致声波发射-接收几何关系动态畸变，严重影响对海底特征、目标物位置的准确判断。而船舷固定安装作业方式，侧扫图像直接与测深点数据配准，不需要额外进行这两类数据的配准工作。在进行数据处理、解释工作时，共同配准的多波束测深和侧扫声呐图像可互相参考、验证特征或目标，以确保不会从数据集中删除真实特征数据，大大提高了后期数据处理和解释工作效率。

⒉数据采集处理

本次海上调查作业期间，导航定位采用加拿大Hemisphere公司的HV110差分GPS定位系统和美国Coastal Oceanography公司的Hypack导航控制软件，罗经采用法国Ixsea公司的Octans Ⅲ光纤罗经系统，声呐系统默认通过Discover软件进行采集控制、数据显示/存储，系统组成如图4所示。外业采集数据工作完成后，使用Caris Hips & Sips、Son-arWiz软件进行数据后处理，使用Surfer、Global Mapper等软件进行成图，进而开展海底地形地貌、管道埋藏状态分析等工作。

表1 EdgeTech6205S2声呐技术参数

图3 侧扫声呐、测深侧扫声呐作业方式

图4 EdgeTech6205S2系统组成

调查作业开始前，为满足多波束和侧扫声呐全覆盖测量要求，根据设备性能指标和作业海域现状，在Hypack软件中进行测线布设，平行海管方向布设测深侧扫测线，垂直海管方向布设浅地层剖面测线，在单点系泊管汇重点关注区域，布设加密测线。多波束测深原始数据必须经过声速改正、潮位改正等关键处理步骤，才能最终生成准确可靠的水深测量成果，为此，合理设计选择站位进行了声速剖面测量、验潮工作（图5a）。

声速剖面测量设备为加拿大AML公司生产的Minos·X声速剖面仪，外业调查期间共有效完成了4个站位的声速测量，数据处理结果显示，调查区表层声速约为1540m/s，与多波束测深设备表层声速值高度吻合，随深度增加，声速衰减速度先快后慢，调查区底层海水声速约为1535.4m/s（图5b）。潮位观测使用了日本ALEC电子株式会社的Compact小型自容式验潮仪，验潮数据显示，调查区潮汐为不规则半日潮，平均潮差约2.0m（图5c）。实测声速剖面数据和验潮数据为多波束测深声速折射改正、条带拼接提供了基础数据支撑。

为查明水动力环境对调查区海底沉积地貌改造的影响，在海底管道单点系泊附近海域采用挪威NORTEK公司的Signature ADCP进行了调查期间的潮流流速、流向观测。观测结果显示，涨潮流方向为W向或NW方向，落潮流方向为E向或SE向（图5d）。近底流速（距底1.2m）的平均值为0.08m/s，最大值为0.17m/s，最小值为0.01m/s；中层流速（距底10.2m）的平均值为0.10m/s，最大值为0.24m/s，最小值为0.01m/s；上层流速（距底20.2m）的平均值为0.20m/s，最大值为0.46m/s，最小值为0.07m/s，上层流速显著大于底层流速（图5e）。

⒈声呐探测性能分析

在声呐控制软件Discover中对EdgeTech 6205 S2系统的侧扫频率、覆盖宽度、增益以及测深门限、噪声滤波等参数进行合理调节，确保现场高分辨率侧扫图像和完整测深条带覆盖。从现场作业结果可以看出，调查期间该系统的多波束和高频侧扫覆盖大约在8倍水深以上，低频侧扫覆盖约在14倍水深以上，声呐成像分辨率较高，调查区内裸露管道、礁石等地貌特征在侧扫声呐图像（图6a）、多波束海底覆盖图上清晰可见（图6b、c）。

图5 调查区测线布设及观测数据结果

为了检验该系统的多波束海底地形图和侧扫声呐海底地貌图的图像配准效果，对同一测线位置处多波束海底地形图（图7a）、侧扫声呐海底图像（图7b）进行叠合处理，可以发现海底裸露管道在多波束海底地形和侧扫声呐海底图像位置完全重合，配准精度高（图7c）。相较于传统拖曳式侧扫声呐定位精度低、与多波束地形图配准难的问题，该系统高精度配准的多波束地形和侧扫声呐图像有利于海底管道埋藏状态的特征提取和目标定位解释等工作。

⒉海底管道调查结果

⑴海底地形地貌特征

根据EdgeTech 6205 S2系统的扫测结果，发现调查管道路由区水深介于5～25m，从登陆点到单点系泊方向水深逐渐加深。海底地形整体平坦，只有近岸段受管道治理及其潮流冲刷影响严重，海底起伏变化较大，表现为崎岖海底地形。在单点系泊管汇海域，固定海面浮筒的6条锚链在海底形成了锚沟地貌，6条锚沟在深度、规模上各不相同（图8a、b）。单点系泊系统附近海域精确水深关乎着大型油轮的进出安全，通过水深地形和海底图像特征的精细分析，发现有2处浅点的存在，浅点1、浅点2分别高出海底约1.4、1.5m（图8c）。对于锚沟和浅点等影响单点系泊系统安全的潜在危险因素，应进行定期检测复查，密切关注水深变化，必要时采取治理措施。

图6 调查区海底管道现场作业结果

图7 海底管道多波束、侧扫配准图像

通过声呐系统的高分辨率侧扫声呐图像，可以有效识别出调查区的海底地貌类型。调查区地貌分为自然地貌和人工地貌，自然地貌主要识别到平坦海底上的天然礁石等，人工地貌主要包括管沟处的回填碎石、裸露管道（图9）以及锚链沟（图8b）等，系统侧扫声呐图像数据分辨率较高，成像效果好，易于开展海底地貌特征的判别分析。

图8 单点系泊区域海底地形地貌特征

图9 调查区主要海底地貌类型

⑵管道埋藏状态分析

受海底地形、动力条件等复杂海洋环境因素影响，海底管道常因局部海床冲淤而出现裸露、悬空等问题，为保障海底管道运维安全，海底管道悬空治理常采用人工水草、沉排、碎石回填等措施。根据调查区的多波束水深地形（图10a）和侧扫声呐图像（图10b），结合Innomar SES 2000浅地层剖面系统探测结果（图10c），可对调查区内裸露海底管道埋藏状态进行准确识别分析。通过对裸露段管道的特征统计，发现调查区内近岸区海底管道出露程度较为严重，随着向离岸方向水深逐渐加深，管道裸露现象减少，呈现出自登陆点向单点系泊方向管道裸露程度逐渐降低的总体趋势。

统计发现，调查区内多数路段管道两侧裸露程度不同，管道东北侧裸露程度明显低于管道西南侧（图10c）。初步分析认为，这种情况可能是由该区海流流向决定的，调查区潮流观测结果表明该区主要流向为E—W向、NE—SW向（图5d），常年主流向为NE—SW向。在该方向海流作用下，管道向流侧（即东北侧）形成堆积，管道背流侧（即西南侧）发生冲刷侵蚀，逐渐形成了管道两侧东北高、西南低的地形形态。这种情况如进一步发展，有可能会造成海底管道裸露情况加重甚至悬空，从而危及海底管道安全。

图10 调查区裸露管道特征

⒊技术对比分析

在近岸海洋工程调查领域，多波束测深声呐、侧扫声呐、测深侧扫声呐、合成孔径声呐以及浅地层剖面声呐作为海底探测的主要技术手段，虽均基于水下声学探测原理，却在核心功能、技术特点及工程适用性等方面存在显著差异。多波束测深声呐基于波束形成技术，可实现全水深覆盖、厘米级测深精度测量，是海道测量、岛礁地形测量等精准地形测绘任务的首要选择，但海底后向散射成像能力较差；侧扫声呐利用后向散射强度差异进行高分辨率海底二维成像，适用于海底目标的精细识别，但却无直接测深功能；测深侧扫声呐则实现了多波束测深与侧扫成像的双重功能，同步获取海底地形与高分辨率影像，可大大减少外业调查工作量，但在深水区作业时探测性能有显著下降；合成孔径声呐突破了传统声呐的物理分辨率限制，分辨率高，抗干扰性强，常用于军事/高威胁目标探测（如水雷、未爆物等）、高价值设施检测，低频合成孔径声呐被认为是掩埋物探测最可行、最有潜力的探测手段，但在与作业平台（船载、拖曳、UUV等）系统集成、高精度运动补偿、高效快速成像等方面仍存在诸多问题；浅地层剖面探测声呐可穿透海底数十米，揭示沉积层、断层等地质结构，常用于近岸海洋工程的地质条件评价。

在近岸海洋工程地质调查中，探测技术方案的确定需系统整合以下关键要素：①水动力环境特征（包括水深梯度、浊度、底质类型等）；②声学探测设备的固有技术参数（如分辨率、覆盖宽度、穿透深度）及其环境适应性；③作业平台特性（船载、拖曳、UUV载等）；④成本效益（设备购置运维、外业数据采集、内业数据处理解释等的全周期投入）。根据具体需求进行综合分析，从而为特定工程场景提供科学合理的技术方案。

⑴相较于传统的多波束测深声呐、侧扫声呐，测深侧扫声呐实现了海底测深和侧扫功能的技术集成，已被证明可大幅提高近岸浅水海底地形地貌调查的作业效率和数据质量。以MPES为核心技术的EdgeTech 6205 S2测深侧扫声呐，其高精度条带测深和同步配准的高分辨率双频侧扫图像有助于提升海底测绘效率和海底特征目标的定位识别精度。

⑵利用EdgeTech 6205 S2测深侧扫声呐实现了海底管道路由区海底地形地貌特征及管道埋藏状态的准确、高效探测，证实了测深侧扫声呐在近岸海洋工程调查中在功能集成性、作业效率、数据协同性及多场景适应性等方面的优势。通过分析对比近岸海洋工程调查中的常用探测技术手段，指出探测技术方案的优化选择需综合考虑水文环境参数、设备性能指标、作业平台特性、成本效益等因素，才能为特定工程场景提供科学合理的技术方案。

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