CN105629307B - 一种海底管线探测与测量声学系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底管线探测与测量方法及系统，所述方法包含：步骤101)探测并跟踪管线轨迹的步骤；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；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。本发明涉及一种海底管线探测与测量系统与方法，是一种用于对海底铺设管线(如输油管线、输气管线等)被海流等冲刷、裸露情况的测量装置和方法。该系统是由换能器阵、水密电子舱(控制和处理单元)和算法软件构成的声学测量系统，安装在工作船龙骨、可以拖曳方式或者安装在水下无人平台(UUV)上。

Description

一种海底管线探测与测量声学系统与方法

技术领域

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

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。这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。

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

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。

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：

步骤101)探测并跟踪管线轨迹的步骤；

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；

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。

可选的，上述步骤101)进一步包含：

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；

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帧；

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；

步骤101-4，当接收的散射回波数据的强度大于设定的阈值时，则判断对应的管线上存在裸露或者悬跨；

其中，每一帧散射回波数据对应的检测阈值由海底回波的平均强度计算确定；

步骤101-5，利用卡尔曼滤波进行管线跟踪，如果当前帧的检测结果与前帧检测结果相关联，则更新管线轨迹，并进行轨迹修正，否则，新建管线轨迹；

然后结合GPS导航信息获得并输出每一帧散射回波数据对应的精确的管线位置。

进一步可选的，上述步骤102)进一步包含：

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；

步骤102-2，

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；

然后，根据几何关系和三角原理，计算管线底部到海底的高度H；

最后，根据高度H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：

当H>0，则管线处于悬跨状态；

当H<0，则管线处于裸露状态。

可选的，上述步骤103)进一步包含：

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；

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；

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)；

步骤103-3，以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；

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H_m，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；

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(n)和右侧海底高度D2(n)及D1和D2所在波束；

其中，n为波束号；

步骤103-6，将左侧海底高度D1(n)和右侧海底高度D2(n)采用插值方法获得被管线遮挡的海底高度D(n)；

步骤103-7，

根据H_m和D(n)的结果，计算管线顶部距离海底的相对高度H'；

根据参数H'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：

如果H'-d＞0，则管线处于悬跨状态，且悬跨高度为H'-d；

如果H'-d＜0，则管线处于裸露状态，且裸露高度为|H'-d|。

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；

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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。

可选的，上述换能器阵列包含：

位于电子舱两侧的收发换能器、发射换能器和接收换能器；

所述收发换能器，用于完成电信号与声学信号的相互转换，并将声信号发射到水中，接收海底回波信号；

所述发射换能器，用于将电信号转换成声学信号，并辐射到海底；

所述接收换能器，该接收换能器为多基元换能器阵，用于接收海底声学散射回波信号。

可选的，所述探测单元进一步包含：第一发射机、第一接收机和第一信号处理单元；

所述第一发射机，用于产生电信号，并将产生的电信号输入至收发换能器；所述第一发射机与所述收发换能器相连；

所述第一接收机，用于接收海底产生的散射回波信号，并对接收的信号进行放大、滤波、检波和采样处理，再将处理后的信号输入到第一信号处理单元进行处理；所述第一接收机与所述收发换能器相连；

第一信号处理单元，用于跟踪更新管线跟踪位置和并初步估计管线裸露和悬跨点，并将处理结果输入控制传输单元；

所述测量单元进一步包含：

第二发射机，用于产生电信号，该第二发射机与所述发射换能器相连，进而驱动发射换能器的声信号辐射到出去；

第二接收机为多通道接收机，用于接收管线和海底产生的散射回波信号，与多基元接收换能器阵相连，每个接收机通道与一个换能器基元相连，并对接收信号放大、滤波、检波和采样处理，将处理后的信号输入第二信号处理单元进行处理；

第二信号处理单元，用于精确测量海底管线的裸露和悬跨高度，并将测量结果输入到控制传输单元。

可选的，上述控制处理单元还包含：电源模块、数据存储单元、姿态仪；

所述电源模块，用于给整个控制处理单元提供电源；

所述数据存储单元，用于将处理单元的数据存储到本地存储设备，当该系统安装在UUV上使用时，则必须选择该单元，将数据存储，管线检测后将数据读出来进行分析；

所述姿态仪，用于获得装置在水中姿态，为管线探测和测量提供修正源，与控制传输单元相连接，姿态数据与原始回波数据和相关处理结果一起通过控制传输单元输入显控处理机。

上述系统还包含显示控制器；所述显示控制器与处理单元相连，该显示控制器接收处理单元的处理结果并显示。

与现有技术相比，本发明提供一种对海底管线被海水冲刷的平移位置，裸露高度和长度、悬跨程度等状态进行测量的方法。能够实现对海底管线进行自动测量。具有自动化程度高，使用灵活，适用工作船和无人平台测量的优点。

附图说明

图1本发明的管线测量系统工作原理；

图2本发明的管线测量系统电子舱组成图；

图3本发明的管线与换能器的几何关系；

图4本发明的管线探测和跟踪过程；

图5本发明的海底管线的三种状态；

图6本发明的管线检测原理图；

图7本发明的裸露高度示意图；

图8本发明的悬跨高度示意图；

图9本发明的换能器布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

本发明涉及一种对海底裸露和悬跨管线的测量和跟踪的系统和方法，实现对海底管线的跟踪、裸露和悬跨高度测量和被冲刷位移的测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种声学探测与测量系统及方法，采用将管线测量跟踪与测量一体化组合设计策略。所述具体的系统包括：显示控制器、控制处理单元01,电子舱02、换能器阵03完成管线的检测、跟踪和测量，系统工作原理和组成如图1和图2所示。

控制处理单元01和显示控制器控制整个系统的运行、数据的实时处理、处理结果的显示及数据的存储。控制处理单元01通过标准的以太网接口与电子舱02相互连接；电子舱02连接换能器阵03，并产生和发射声信号、接收回波信号以及信号的预处理。控制处理单元采用管线检测方法和管线被冲刷、裸露情况的测量算法进行裸露点和悬跨点检测，及裸露程度和悬跨程度检测。

控制处理单元以标准的工业控制计算机为主，并运行海底管线检测与测量算法软件，该软件用高级编程语言编写，用于海底管线探测、跟踪及裸露和悬跨测量。同时处理软件能够接收GPS信息，以确定工作船的航行轨迹和管线的绝对位置。

换能器阵03由探测换能器和测量换能器构成，探测换能器包括左侧收发换能器阵31和右单元侧收发换能器阵32；测量换能器包括发射阵33和接收阵34。采用等间距均匀直线阵。探测换能器采用收发合置均匀线阵，通过收发转化电路，发射时将电信号转换成声波信号发射出去，而在接收回波时，将声信号转换成电信号。测量换能器采用收发分置换能器，发射和接收换能器采用多基元的均匀直线阵，各换能器的参数可以根据具体的测量需要来选择。

本发明所涉及的工作原理及过程是：1系统换能器阵安装在电子舱两侧和底部，由工作船舷侧或者采用拖曳方式进行工作，也可以安装在UUV上。根据海底管线的铺设位置，规划海底管线的探测路线；2工作船或者UUV以一定的速度沿着规划探测路线进行探测；3探测到管线后，检测管线位置并进行跟踪，同时计算出管线位置变化；4根据管线的检测与跟踪结果，判别管线是否存在裸露和悬跨；5如果管线存在裸露合悬跨，调整工作船的位置，使得测量系统处于管线正上方，用于测量管线的裸露高度和长度以及管线的悬跨情况，并记录测量结果。

本发明所涉及的海底管线探测与跟踪处理过程：按照设定的探测路线，探测跟踪单元处于工作状态，进行管线探测和跟踪。当管线被冲刷后裸露在海床上，声波照射在掩埋的管线及周围的海底时，回波强度为均匀的海底回波强度；声波照射在裸露或者悬跨管线及周围的海底时，管线的回波强度明显要强于海底回波。系统对海底反射回波的处理来检测裸露管线的存在，并进行跟踪，获得悬跨或裸露管线的位置。利用换能器与管线之间的几何关系，探测跟踪单元能够粗略的估计管线悬跨或裸露的情况，根据图3换能器与探测到管线的位置关系，计算出高度H，当探测到管线的悬跨或裸露后，启动管线跟踪过程，过程如图4所示。

本发明所涉及的海底管线悬跨或裸露测量过程：在管线探测和跟踪过程中，如果管线处于裸露和悬跨时，如图5(b)和图5(c)所示。测量单元有足够的测深分辨率和方位分辨率。使测量系统处于管线正上方，使测量单元处于工作状态，测量裸露和悬空高度，长度和范围等信息，原理如图6所示。管线裸露时，测量单元能够测量管线顶部的高度，管线左右两侧海底高度，根据测量结果和被测管线的直径能够获得管线左右两侧的裸露高度D1(n)和D2(n)，如图7所示。管线悬跨时，管线悬浮于海底之上，由于声波被管线遮挡，无法探测的管线下面的海底高度。计算悬跨高度变得稍微复杂。首先要根据管线左右两侧的高度来获得被管线遮挡的海底高度D(n)，然后根据测量的D1(n)和D2(n)及管线的直径，获得悬跨高度，如图8所示。

实施例

以工作船方式为例来说明，换能器和电子舱采用分离安装。图1为本发明所涉及的系统组成和工作原理图，该系统由显控处理机01(即上述控制处理单元),电子舱02、换能器阵03组成，换能器阵03安装在工作船的龙骨上或者拖体上，通过换能器电缆与电子舱02相连，电子舱02负责完声学信号的产生、回波信号的接收、滤波和波束形成等信号预处理，并将经过预处理后的数据通过以太网接口由TCP/IP协议与显控处理机01)相连接。

显控处理机01控制整个系统的运行、数据的实时处理、处理结果的显示及数据的存储。显控处理机01通过标准的以太网接口与电子舱02相互连接；电子舱02连接换能器03，并产生向水下发射声信号、然后接收回波信号，由底管线检测与测量算法软件进行预处理及管线检测、跟踪和精确测量。算法软件包含海底管线检测和跟踪算法和管线被冲刷、裸露情况的测量算法，采用高级语言程序VisualC++2010编写。

电子舱02由探测跟踪单元、测量单元、供电模块27、传输、控制模块28和姿态仪29组成。探测跟踪单元由第一发射机21、第一接收机22和第一信号处理模块25组成。该单元主要功能是完成海底管线探测、跟踪和平移测量。测量单元由第二发射机23、第二接收机24和第二信号处理模块26组成，该单元的主要功能是完成海底管线悬跨或裸露情况的测量。第一和第二信号处理单元由功能强大的DSP处理芯片为核心器件构成，采用TI公司高性能TMS320C645X芯片，主频率达到1.2GHz，其处理能力达9600MIPS或9.6GMACS。(25)完成探测和跟踪单元的采样(AD)、滤波、检波等。(26)完成AD、滤波、波束形成等处理。控制、传输单元(28)负责将处理后的数据传输到显控处理机01，(28)采用通用的嵌入式处理平台ARM11，支持以太网协议TCP/IP，用于系统控制和数据传输。关于发射机和接收机已有大量的文献讨论，技术成熟，并获得实现。本发明利用现有的发射和接收机技术。

换能器阵03由探测换能器和测量换能器组成，探测换能器包括左侧换能器阵31和右侧换能器阵32测量换能器包括发射换能器33和接收换能器34。主要功能是完成声电能量转换。换能器的布置和安装示意如图9所示。

侧视换能器阵31和32为均匀直线阵，是探测和跟踪单元的传感器，安装在拖体的两侧。选择工作频率为120kHz，其水平波束开角较小，选择不超过2度，垂直开角50度左右，有较大的观测范围。测量单元换能器由发射阵33和接收阵34两条换能器阵组成，是管线精确测量单元传感器。接收换能器采用多基元的均匀直线阵，工作频率选择200kHz，水平角度小于0.5度，水平覆盖角为25°。可以根据更测量精度选择适当的参数。

一般情况下，管线的铺设路径是已知的，因此根据预先管线的铺设位置设定的探测路线。首先探测和跟踪单元处于工作状态，进行管线探测和跟踪。当管线被冲刷后裸露在海床上，声波照射在掩埋的管线及周围的海底时，回波强度为均匀的海底回波强度；声波照射在裸露或者悬跨管线及周围的海底时，管线的回波强度明显要强于海底回波。系统对海底反射回波的处理来检测裸露管线的存在，并进行跟踪，获得悬跨或裸露管线的位置。利用换能器与管线之间的几何关系，探测和跟踪单元能够粗略的估计管线悬跨或裸露的情况，根据图3换能器与探测到管线的位置关系，计算出高度H，当探测到管线的悬跨或裸露后，启动管线跟踪过程，过程如图4所示。

结合图3，说明侧视模式下管线裸露和悬跨高度检测和估计基本原理，计算过程中的各要素在图中给出。其具体计算过程如下：

则有：

所以：

H＝Csinφ-K＝Csinφ-R(1-cosφ) (1)

根据三角形关系：

根据L＝C+E+P则C＝L-E-P

P为脉冲长度对应的距离。

根据方程(2)则有：C＝L-(D+R)cosδ-P

所以，根据方程(1)有：

H＝(L-(D+R)cosδ-P)sinφ-R(1-cosφ)

H＝Lsinφ-(D+R)cosδsinφ-Psinφ-R(1-cosφ) (3)

从方程(3)可以解出管线高度H的值。

结合图4说明管线的跟踪过程。首先对接收到的回波数据进行降噪声处理，根据管线半径等先验知识进行管线增强，以获得清晰的图像，进行管线检测，若存在管线则进行管线关联处理，如果具有关联性则跟新管线轨迹并修正，否则建立新的管线轨迹；最后进行管线确认并输出轨迹。并探测结果和轨迹保存。

在管线探测和跟踪过程中，当发现海底管线裸露或悬跨时，进行具体测量。调整工作姿态，引导工作船移到管线顶部，以便测量单元能够准确测量裸露和悬空高度，长度和范围等信息。

结合图5、图6、图7和图8，说明本发明涉及的海底管线检测和测量原理及过程。管线检测的目的是检查管线的存在，并评估管线相对于海底位置，进而测量管线的裸露和悬跨的相对高度。其原理是利用测量单元测量海底地形M(s,t)(由测量位置s和时刻t确定)，测量单元具有较大的覆盖角度，能够测量管线及其两侧的地形M(s,t)，当管线处于裸露时状态时，测量管线顶部距离换能器的高度H_m，测量逻辑如图6，根据海底管线的半径，测量得到管线左右两侧的裸露高度D1(n)和D2(n)，如图7。当管线处于悬跨状态时，管线悬浮于海底之上，由于声波被管线遮挡，无法探测的管线下面的海底高度。计算悬跨高度变得稍微复杂。首先要根据管线左右两侧的高度来获得被管线遮挡的海底高度，然后根据测量的D1(n)和D2(n)及管线的直径，获得悬跨高度，如图8所示。建立判断逻辑模型，评估海底管线的相对位置。

海底地形测量十分重要，利用测量单元准确测量覆盖角度内海底相对换能器的高度，修正后进而完成上述裸露和悬跨高测量。过程如下：

(1)发射阵向海底发射声信号后，接收换能器阵接收到海底反向散射信号。

(2)将接收到的多通道数据形成预成波束数据，以获得抗混响和噪声能力，并提高空间处理增益。

(3)利用预成波束数据，采用幅度和相位联合检测方法，估计到达时间和方位，计算相对高度，进而测量海底地形M(s,t)(由位置s和时刻t确定)。

(4)以导航数据、姿态数据为修正源，结合声速梯度，对测量高度进行修正。

(5)设定管线为圆柱目标，根据的管线半径R，检测并识别管线，确定管线顶部位置。

(6)根据地形管线周围地形M(s,t)和管线位置，测量管线两侧到管线顶部的高度D1(n)和D2(n)，计算管线裸露和悬跨的高度。

综上所述，本发明涉及一种海底管线探测与测量系统与方法，是一种用于对海底铺设管线(如输油管线、输气管线等)被海流等冲刷、裸露情况的测量装置和方法。该系统是由换能器阵、水密电子舱(控制和处理单元)和处理软件构成的声学测量系统，安装在工作船或者UUV上。工作船沿着设定的管线铺设方向前进，利用管线探测和跟踪单元实现对海底管线的探测和跟踪，并估计裸露程度及长度。如果存在裸露和悬跨，则利用多波束高分辨测量单元实现对管线裸露和悬跨高度的精确测量。本发明提供一种对如输油管线、输气管线等海底铺设的管线因长期被冲刷引起位置的改变及裸露和悬跨高度、长度进行自动跟踪、测量的系统和方法，能够帮助维护人员对铺设管线进行日常检查和维修，及时发现问题，避免带来不必要的经济损失、消除安全隐患，保证正常生产秩序。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种海底管线探测与测量方法，所述方法包含：

步骤101)探测并跟踪管线轨迹的步骤；

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；

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；

所述步骤101)进一步包含：

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；

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，其中将每次接收的散射回波数据作为一帧；

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；

步骤101-4，当接收的散射回波数据的强度大于设定的检测阈值时，则判断对应的管线上存在裸露或者悬跨；

其中，每一帧散射回波数据对应的检测阈值由海底回波的平均强度计算确定；

步骤101-5，利用卡尔曼滤波进行管线跟踪，如果当前帧的检测结果与前帧检测结果相关联，则更新管线轨迹，并进行轨迹修正，否则，新建管线轨迹；

然后结合GPS导航信息获得并输出每一帧散射回波数据对应的精确的管线位置；

所述步骤102)进一步包含：

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；

步骤102-2，

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；

然后，根据几何关系和三角原理，计算管线底部到海底的高度H；

最后，根据高度H初步判断管线是否存在裸露点或悬跨点，并同时记录悬跨点和裸露点的位置，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：

当H>0，则管线处于悬跨状态；

当H<0，则管线处于裸露状态。

2.根据权利要求1所述的海底管线探测与测量方法，其特征在于，所述步骤103)进一步包含：

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回波数据，将接收的散射回波数据形成预成波束数据；

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；

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围的地形函数M(s,t)；

步骤103-3，以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；

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H_m，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；

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(n)和右侧海底高度D2(n)及D1和D2所在波束；

其中，n为波束号；

步骤103-6，将左侧海底高度D1(n)和右侧海底高度D2(n)采用插值方法获得被管线遮挡的海底高度D(n)；

步骤103-7，

根据H_m和D(n)的结果，计算管线顶部距离海底的相对高度H'；

根据参数H'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：

如果H'-d＞0，则管线处于悬跨状态，且悬跨高度为H'-d；

如果H'-d＜0，则管线处于裸露状态，且裸露高度为|H'-d|。

3.一种海底管线探测与测量系统，其特征在于，所述系统包含：换能器阵列和控制处理单元；

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，接收海底发出的散射回波信号，再将接收的散射回波信号传输至控制处理单元；

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；

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和底部，或拖体相应位置；

所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；

所述探测跟踪单元，用于对换能器接收的海底散射回波信号进行处理，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设置；

所述测量单元，用于对接收到的海底散射回波信号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；

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，同时对探测跟踪单元和测量单元进行工作参数设置；

所述探测跟踪单元进一步包含：第一发射机、第一接收机和第一信号处理单元；

所述第一发射机，用于产生电信号，并将产生的电信号输入至收发换能器；所述第一发射机与所述收发换能器相连；

所述第一接收机，用于接收海底产生的散射回波信号，并对接收的信号进行放大、滤波、检波和采样处理，再将处理后的信号输入到第一信号处理单元进行处理；所述第一接收机与所述收发换能器相连；

第一信号处理单元，用于跟踪更新管线跟踪位置和并初步估计管线裸露和悬跨点，并将处理结果输入控制传输单元；

所述测量单元进一步包含：

第二发射机，用于产生电信号，该第二发射机与发射换能器相连，进而驱动发射换能器将声信号辐射出去；

第二接收机为多通道接收机，用于接收管线和海底产生的散射回波信号，与多基元接收换能器阵相连，每个接收机通道与一个接收换能器基元相连，并对接收信号放大、滤波、检波和采样处理，将处理后的信号输入第二信号处理单元进行处理；

第二信号处理单元，用于精确测量海底管线的裸露和悬跨高度，并将测量结果输入到控制传输单元。

4.根据权利要求3所述的海底管线探测与测量系统，其特征在于，所述换能器阵列包含：

位于电子舱两侧的收发换能器、底部的发射换能器和接收换能器；

所述收发换能器，用于完成电信号与声学信号的相互转换，并将声学信号发射到水中，接收海底散射回波信号；

所述发射换能器，用于将电信号转换成声学信号，并辐射到海底；

所述接收换能器，该接收换能器为多基元接收换能器阵，用于接收海底声学散射回波信号。

5.根据权利要求3所述的海底管线探测与测量系统，其特征在于，所述控制处理单元还包含：电源模块、数据存储单元、姿态仪；

所述电源模块，用于给整个控制处理单元提供电源；

所述数据存储单元，用于将控制处理单元的数据存储到本地存储设备，当该系统安装在UUV上使用时，则必须选择该单元，将数据存储，管线检测后将数据读出来进行分析；

所述姿态仪，用于获得装置在水中姿态，为管线探测和测量提供修正源，与控制传输单元相连接，姿态数据与原始回波数据和相关处理结果一起通过控制传输单元输入显控处理机。

6.根据权利要求3所述海底管线探测与测量系统，其特征在于，所述系统还包含显示控制器；

所述显示控制器与控制处理单元相连，该显示控制器接收控制处理单元的处理结果并显示。