一种海底管线探测与测量声学系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种海底裸露管线的声学探测系统与方法，特别涉及一种海底铺设管 线被冲刷、裸露情况的测量系统和方法。
【背景技术】
[0002] 墨西哥湾海底油井原油泄漏事件给人们敲响了海洋石油生产安全保障的警钟，其 直接经济损失达数十亿美元，对海洋环境和海洋生态的破坏无法估量。随着海洋资源开发 和利用的不断深入，各种铺设在海底的管线也越来越多，如海底输油管线、海底输水管线、 海底输气管线等，然而管线铺设后容易受到海流的冲刷，使管线裸露在海床之上，其铺设位 置发生改变；被冲刷的管线容易受到海水侵蚀而破损。送些破坏都会给管线的使用带来极 大地安全隐患。因此，海底管线被冲刷情况的定期探测与测量越来越受到重视。
[0003] 目前，针对海底管道铺设情况进行检查常用声学仪有侧扫声纳和多波束测深仪 等。侧扫声纳可对海底管道的铺设状态进行检查。对于铺设于相对平坦海底面上的海底管 线，侧扫声纳能够对海底管线的悬跨或掩埋程度进行判断。对于位于管道沟中的管线，可对 管线与沟底的接触情况或悬跨程度进行判断，由于受到管线几何尺寸和工作原理的限制， 无法测量海底管线的裸露和悬跨高度。多波束测深仪虽然能够用于测量海底管线，但是，由 于测量海底覆盖范围有限，测量效率低。因此，随着海洋石油生产安全的要求的不断提高， 上述测量设备无法满足对海底管线裸露和悬跨情况的快速、高效率准确测量要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，为了解决现有设备对铺设在海底的管线探测效率低，测量范 围有限和测量精度低的技术问题，本发明提供一种海底管线探测和测量系统和方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种海底管线探测与测量方法，所述方法包 含：
[0006] 步骤101)探测并跟踪管线轨迹的步骤；
[0007] 步骤102)基于探测的管线轨迹初步确定管线上存在的裸露点和悬跨点；
[0008] 步骤103)筛选初步确定的裸露点和悬跨点，进而得到精确的裸露点和悬跨点的 位置并同时确定裸露点的裸露距离和悬跨点的悬跨距离。
[0009] 可选的，上述步骤101)进一步包含：
[0010] 步骤101-1，根据海底管线铺设位置，设计工作船或UUV的探测路线；
[0011] 步骤101-2,工作船或UUV沿着探测线路的方向前进，并向海底发射声波，然后接 收海底的散射回波数据，其中将每次接收的回波数据作为一顿；
[0012] 步骤101-3,根据已知管线的半径，对管线进行增强处理，进而减少回波中的海洋 环境噪声和干扰信号；
[0013] 步骤101-4,当接收的散射回波数据的强度大于设定的阔值时，则判断对应的管线 上存在裸露或者悬跨；
[0014] 其中，每一顿散射回波数据对应的检测阔值由海底回波的平均强度计算确定；
[0015] 步骤101-5,利用卡尔曼滤波进行管线跟踪，如果当前顿的检测结果与前顿检测结 果相关联，则更新管线轨迹，并进行轨迹修正，否则，新建管线轨迹；
[0016] 然后结合GI^导航信息获得并输出每一顿散射回波数据对应的精确的管线位置。
[0017] 进一步可选的，上述步骤102)进一步包含：
[0018] 步骤102-1，根据更新后的海底管线的位置，建立海底的管线与换能器位置的相对 几何关系；
[001 引 步骤 102-2，
[0020] 首先，根据管线半径和管线的回波时延，确定管线的回波头A和回波尾B，其中，所 述回波头A对应管线前沿位置，所述回波尾B对应海底平面位置；
[0021] 然后，根据几何关系和Η角原理，计算管线底部到海底的高度Η ;
[0022] 最后，根据高度Η初步判断管线是否存在裸露或悬跨点，并同时记录悬跨和裸露 的位置，即得到了初步确定的悬跨点和裸露点的管线位置，其中具体的判断规则为：
[0023] 当Η〉0,则管线处于悬跨状态；
[0024] 当Η<0,则管线处于裸露状态。
[00巧]可选的，上述步骤103)进一步包含：
[0026] 步骤103-1，将工作船或UUV置于探测和跟踪处理初步确定的裸露点和悬跨点的 管线上方，然后向海底发射声信号并通过多通道接收管线及其周围海底散射信号，将接收 的散射信号形成预成波束数据；
[0027] 步骤103-2,采用幅度和相位联合检测方法，估计海底及管线回波的到达时间和方 位；
[0028] 依据到达时间和方位计算海底相对于换能器的高度，并测量管线及其周围的地形 进而得到各个时刻的海底管线及其周期的地形函数M(s，t);
[0029] 步骤103-3, W导航数据和姿态数据为修正源，对测量得到的地形相对高度进行修 正；
[0030] 步骤103-4,根据初步确定的裸露点和悬跨点处管线的位置和管线的直径d识别 出管线，测量初步确定的裸露点和悬跨点处管线的顶部距离换能器的高度Hm，并确定初步 确定的裸露点和悬跨点处的管线及其顶部所在波束；
[0031] 步骤103-5,根据地形函数M(s，t)和初步确定的裸露点和悬跨点处的管线所在波 束，测量管线左侧海底高度D1 (η)和右侧海底高度D2 (η)及D1和D2所在波束；
[003引其中，η为波束号；
[0033] 步骤103-6,将左侧海底高度D1 (η)和右侧海底高度D2 (η)采用插值方法获得被管 线遮挡的海底高度D (η);
[0034] 步骤 103-7，
[0035] 根据Hm和D (η)的结果，计算管线顶部距离海底的相对高度Η' ；
[0036] 根据参数Η'的值和管线直径d进一步筛选初步确定的裸露点和悬跨点，最终确 定管线上存在的裸露点和悬跨点，并计算最终确定的悬跨点的悬跨高度和裸露点的裸露高 度，具体筛选规则和高度计算公式为：
[0037] 如果H' -d > 0,则管线处于悬跨状态，且悬跨高度为H' -d ;
[0038] 如果Η' -d < 0,则管线处于裸露状态，且裸露高度为I Η' -d I。
[0039] 此外，本发明还提供了一种海底管线探测与测量系统，所述系统包含；换能器阵列 和控制处理单元；
[0040] 所述换能器阵列，用于；将控制处理单元发送的电信号转化为声信号并向探测海 底发射声信号，接收海底发出的回波信号，再将接收的回波信号传输至控制处理单元；
[0041] 所述控制处理单元，用于根据回波信号初步估计管线的裸露点和悬跨点，再根据 设定的筛选规则筛选初步估计的裸露点和悬跨点，进而得到最终的裸露点和悬跨点的位置 信息及裸露和悬跨的高度信息；
[0042] 其中，所述控制处理单元位于水密舱中；所述换能器阵列和水密舱安装于工作船 或UUV上；所述换能器阵列安装在电子舱的两侧。
[0043] 可选的，上述控制处理单元进一步包含；探测跟踪单元、测量单元和控制传输单 元；
[0044] 所述探测跟踪单元，用于与收发换能器和控制传输单元相连接，对换能器接收的 海底回波信号进行处理，完成管线位置初步裸露点和悬跨点位置估计和管线位置跟踪，并 将结果输入控制传输单元；用于接收控制传输单元的指令，进而完成探测工作参数选择；
[0045] 所述测量单元，用于基与发射、接收换能器和控制传输单元相连接，对接收到的海 底回波数据进行处理得到管线悬跨和裸露高度，并将结果输入到控制传输单元；
[0046] 控制传输单元，用于实现对探测跟踪单元和测量单元的逻辑控制，并将探测跟踪 单元和测量单元的输出信息进行处理和融合进而得到最终的裸露点和悬跨点及裸露点和 悬跨点对应的程度，同时对探测单元和测量单元进行工作参数设置。
[0047] 可选的，上述换能器阵列包含：
[0048] 位于电子舱两侧的收发换能器、发射换能器和接收换能器；