CN108896997B - 复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法，包括起伏地形对探测结果影响、对悬空管道位置的影响、对目标物尺寸计算的影响；侧扫声呐对管沟、冲刷槽等负地形内的海底管道探测时，凹陷地形及周边的堆积体会对侧扫声呐信号产生遮挡，产生探测盲区，通过调整侧扫声呐拖体与海底管道的相对位置，使声波信号掠射角大于管沟、冲刷槽等的边坡坡度，保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方的全覆盖探测，侧扫声呐数据解释时，对拖体距海底的高度值进行人工干预，可使解释结果更好的反映海底管道以及地貌单元等目标物的真实分布特征。本发明的有益效果是可使解释结果更好的反映海底管道以及地貌单元等目标物的真实分布特征。

Description

复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法

技术领域

本发明属于地质勘测技术领域，涉及复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法。

背景技术

侧扫声呐(Side scan sonar)由英国海洋科学研究所于1960年研制成功，通过接收脉冲信号的后向散射信号信息，经信号处理后图形化显示信号覆盖范围内的海床信息。通过对侧扫声呐声学图谱的解释，可实现对海底地貌调查以及水下礁石、沉船、海底管线等水下目标物的探测，显著提高了人类探索海底的视野和维度。

海底管道输送技术具有低成本、高效率的特点，被广泛应用于海洋油气上岸、淡水资源上岛等输送工程中。海底管道大多分布在近岸岸坡、陆架等海域，地质、水动力环境条件复杂，近岸的潮流冲刷、波浪淘蚀以及沙波活动等地质灾害因素极易导致海底管道的裸露、悬空，引发损坏、断裂事故，对环境、财产甚至生命构成威胁。对海底管道适时进行检测是海底管道维护、风险防范的重要基础性工作。当前，海底管道的外部检测主要依赖多波束测量、侧扫声呐探测以及浅地层剖面探测等声学方法实现。侧扫声呐通过走航式全覆盖对海底实施扫测，声波信号频率介于100kHz～1MHz之间。相较于单波束、多波束测深仪以及浅地层剖面仪等声学探测设备，侧扫声呐信号频率更高，覆盖范围更大，可获得高分辨率的海床属性信息，对海床上小尺寸目标物的探测效果具有明显优势。在裸露海底管道探测工作中，侧扫声呐可“直观”揭示海底管道出露分布，并可根据管道声学影像与其声学阴影的组合关系，判断出露于海底的管道是否悬空，进而计算出露长度、悬空高度等特征，为海底管道状态评估及治理工作提供数据支持。因此，传统侧扫声呐在海底管道检测工作中仍然是不可或缺的方法之一。

发明内容

本发明的目的在于提供复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法，本发明的有益效果是可使解释结果更好的反映海底管道以及地貌单元等目标物的真实分布特征。

本发明所采用的技术方案是包括起伏地形对探测结果影响、对悬空管道位置的影响、对目标物尺寸计算的影响；侧扫声呐对管沟、冲刷槽等负地形内的海底管道探测时，凹陷地形及周边的堆积体会对侧扫声呐信号产生遮挡，产生探测盲区，通过调整侧扫声呐拖体与海底管道的相对位置，使声波信号掠射角大于管沟、冲刷槽等的边坡坡度，保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方的全覆盖探测，避免对负地形内部的海底管道等目标物的漏测，侧扫声呐数据解释时，对拖体距海底的高度值进行人工干预，选取代表探测范围内地形特征的高度值，筛除拖体下方小规模的起伏地形对平面位置的畸变影响，可使解释结果更好的反映海底管道以及地貌单元等目标物的真实分布特征。

进一步，起伏地形对探测结果影响包括复杂地形的遮挡效应：海底管道的出露多由海底冲刷侵蚀或者活动沙波等地质灾害现象导致，出露或者悬空的管段多发育小规模的冲刷槽及伴生的堆积体，使管道处于负地形之中，此类起伏地形会对声波信号产生遮挡效应，影响探测区域的有效覆盖以及探测目标的揭露，在海底输气管道检测过程中，侧扫声呐探测一般平行海底管道布设调查测线，以保证对海底管道的多次探测，由此，不同测线上的声波信号会因距海底管道相对位置的差异而产生不同的掠射角度，当海底管道周边存在明显的地形变化且地形坡度大于该处声波信号掠射角时，背侧产生阴影区，即为声波探测的盲区，阴影区内的海底管道等目标物被遮挡，影响探测效果，当侧扫声呐拖鱼距离管道距离较远时声波信号被海底管道周边堆积体遮挡，表现为堆积体后方出现典型的声学阴影区，海底管道处于阴影区内，仅能部分揭露；当侧扫声呐拖鱼距离管道更近时，管沟内未出现声学阴影区，同一裸露管段揭露长度更大，揭露特征更完整，在应用侧扫声呐对沟槽或者凸起等小规模的起伏海底进行探测时，根据海底地形变化特征进行测线调整，使声波信号在地形起伏处的掠射角不小于地形坡度，以保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方区域的有效覆盖，避免对敏感目标物的漏测。

进一步，对悬空管道位置的影响：当海底地形存在起伏时，斜距改正过程所选取的拖体距海底的高度值无法代表探测区域内的整体地形特征，尤其是当拖体下方起伏的小规模地形与海底管道周边区域地形无明显相关性时，选取拖体下方的地形数据进行斜距改正后将导致海底管道形态畸变与位置漂移，因此，在侧扫声呐数据解释时，为消除或减弱局部地形起伏对解释结果的影响，需对斜距改正时所选取的拖体高度值进行人工干预，侧扫声呐拖体下方发育一小规模堆积体，与周边整体地形高差介于2～3m，海底跟踪时，根据整体地形特征，手动设置符合地形总体分布趋势的跟踪值，忽略此堆积体对侧扫声呐探测结果的影响，应用上述方法对侧扫声呐数据进行解释，并以多波束测量、浅地层剖面探测结果为参照基准，进行对比分析，对起伏地形海底跟踪值进行人工干预后，海底管道平面位置解释结果较干预前得到明显的改善，主要表现为：1)依据实际地形的跟踪值解释得到的管道位置整体较海底管道实际位置存在3～6m的偏离，对海底跟踪值进行人工干预后，管道解释位置向管道实际位置的偏离收敛至1～2m区间；2)海底管道形态更趋顺直，与管道实际形态吻合度更高，以局部地形起伏区域的改善效果最为明显，在没有其他方法对目标物进行更精确的位置标定的情况下，选取适宜的海底跟踪值进行斜距改正，可改善侧扫声呐对特定目标物位置及形态的探测效果。

进一步，对目标物尺寸计算的影响：海底管道的出露悬空多伴随冲刷槽等复杂地貌形态，此情形下，声波信号的量取长度值(R)以及声学阴影的长度值(S)受地形的影响产生失真，从而导致海底管道出露或悬空高度值存在偏差，根据声波信号掠射角、地形倾角以及海底管道阴影特征参数的几何关系，构建起伏地形影响模型，推导出海底地形因素对侧扫声呐探测结果影响因子(k)的数学模型：

h'＝S sinα， (1)

h＝S(sinβ+cosβtgθ)， (2)

式中：h为经地形改正后的高度，h’为地形改正前的高度，S为经斜距改正前阴影与管道对应点的距离，S’为地形改正前后的阴影距离差值，α为根据声波信号及拖体距海底距离(Hf)确定的掠射角，β为声波信号实际掠射角，θ为地形倾角。式(3)中，影响因子k为α，β，θ的函数。由于当前主流侧扫声呐无法给出声波信号的实际掠射角，且考虑侧扫声呐在探测应用过程中实际情况，将α与β进行近似，即α≈β，并代入式(3)得到

由式(4)可见，影响因子k值与地形坡度成正相关，并受探测点掠射角度的影响，k值皆呈现随地形坡度增大而逐渐增大的趋势，此外，不同掠射角度下，k值呈现出明显差异，即掠射角度愈小而k值分布区间愈大，当掠射角度逐渐增大，k值分布区间快速收敛，当掠射角大于40°时，k值分布曲线整体已趋于平缓，且分布区间收敛趋势明显减缓，在不同地形条件下，影响因子k值随掠射角度的增大而逐渐减小。

附图说明

图1是地形起伏的遮挡效应示意图；

图2是海底输气管道检测中的地形遮挡效应对比图；

图3是侧扫声呐图谱进行斜距改正前后对比图；

图4是人工干预后的侧扫声呐海底跟踪值。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

1、起伏地形对探测结果影响

基于某海底输气管道的侧扫声呐、多波束、浅地层剖面调查数据，分析复杂地形条件对侧扫声呐应用结果的影响，为侧扫声呐海底标物探测工作提供参考。

复杂地形的遮挡效应：海底管道的出露多由海底冲刷侵蚀或者活动沙波等地质灾害现象导致。出露或者悬空的管段多发育小规模的冲刷槽及伴生的堆积体，使管道处于负地形之中。此类起伏地形会对声波信号产生遮挡效应，影响探测区域的有效覆盖以及探测目标的揭露。在海底输气管道检测过程中，侧扫声呐探测一般平行海底管道布设调查测线，以保证对海底管道的多次探测，由此，不同测线上的声波信号会因距海底管道相对位置的差异而产生不同的掠射角度。如图1所示，当海底管道周边存在明显的地形变化且地形坡度大于该处声波信号掠射角时，背侧产生阴影区，即为声波探测的盲区，阴影区内的海底管道等目标物被遮挡，影响探测效果。

海底输气管道侧扫声呐探测工作中，常见声波信号被起伏地形遮挡而影响海底管道揭露的现象。如图2所示：当侧扫声呐拖鱼距离管道距离较远时声波信号被海底管道周边堆积体遮挡，表现为堆积体后方出现典型的声学阴影区，海底管道处于阴影区内，仅能部分揭露；当侧扫声呐拖鱼距离管道更近时，管沟内未出现声学阴影区，同一裸露管段揭露长度更大，揭露特征更完整。由此可见，在应用侧扫声呐对沟槽或者凸起等小规模的起伏海底进行探测时，根据海底地形变化特征进行测线调整，使声波信号在地形起伏处的掠射角不小于地形坡度，以保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方区域的有效覆盖，避免对敏感目标物的漏测。

对悬空管道位置的影响：在侧扫声呐数据解释工作中，需对侧扫声呐数据进行斜距改正，即根据拖体距海底的高度与声波信号传输距离构建几何关系，对探测点位置进行再处理。海底管道裸露区域的沉积动力条件复杂，潮流、波浪主导的淘蚀、堆积以及施工过程中的人工扰动，使管道裸露段周边海底崎岖不平。当海底地形存在起伏时，斜距改正过程所选取的拖体距海底的高度值无法代表探测区域内的整体地形特征，尤其是当拖体下方起伏的小规模地形与海底管道周边区域地形无明显相关性时，选取拖体下方的地形数据进行斜距改正后将导致海底管道形态畸变与位置漂移。如图3所示，斜距改正前，海底管道的形态顺直，与其真实形态相吻合；图3采用拖体下方真实地形值进行斜距改正后，受凸起地形的影响，海底管道的形态产生畸变，平面位置明显向左偏移。因此，在侧扫声呐数据解释时，为消除或减弱局部地形起伏对解释结果的影响，需对斜距改正时所选取的拖体高度值进行人工干预。如图4所示，侧扫声呐拖体下方发育一小规模堆积体，与周边整体地形高差介于2～3m。海底跟踪时，根据整体地形特征，手动设置符合地形总体分布趋势的跟踪值，忽略此堆积体对侧扫声呐探测结果的影响。

应用上述方法对侧扫声呐数据进行解释，并以多波束测量、浅地层剖面探测结果为参照基准，进行对比分析。对起伏地形海底跟踪值进行人工干预后，海底管道平面位置解释结果较干预前得到明显的改善，主要表现为：1)依据实际地形的跟踪值解释得到的管道位置整体较海底管道“实际位置”存在3～6m的偏离，对海底跟踪值进行人工干预后，管道解释位置向管道“实际位置”的偏离收敛至1～2m区间；2)海底管道形态更趋顺直，与管道实际形态吻合度更高，以局部地形起伏区域的改善效果最为明显。由此可见，地形对海底管道等目标物的探测位置精度影响是不可忽视的。在侧扫声呐数据解释过程中，综合水深地形特征，对局部复杂地形进行人工干预，尤其是在没有其他方法对目标物进行更精确的位置标定的情况下，选取适宜的海底跟踪值进行斜距改正，可改善侧扫声呐对特定目标物位置及形态的探测效果。

对目标物尺寸计算的影响：海底管道出露、悬空高度探测是海底管道安全状态评价及治理的重要数据，因此，管道出露、悬空高度探测是海底管道检测工作中的重要任务之一。海底管道的出露悬空多伴随冲刷槽等复杂地貌形态，此情形下，声波信号的量取长度值(R)以及声学阴影的长度值(S)受地形的影响产生失真，从而导致海底管道出露或悬空高度值存在偏差。根据声波信号掠射角、地形倾角以及海底管道阴影特征参数的几何关系，构建起伏地形影响模型。推导出海底地形因素对侧扫声呐探测结果影响因子(k)的数学模型：

h'＝S sinα， (1)

h＝S(sinβ+cosβtgθ)， (2)

式中：h为经地形改正后的高度，h’为地形改正前的高度，S为经斜距改正前阴影与管道对应点的距离，S’为地形改正前后的阴影距离差值，α为根据声波信号及拖体距海底距离(Hf)确定的掠射角，β为声波信号实际掠射角，θ为地形倾角。式(3)中，影响因子k为α，β，θ的函数。由于当前主流侧扫声呐无法给出声波信号的实际掠射角，且考虑侧扫声呐在探测应用过程中实际情况，将α与β进行近似，即α≈β，并代入式(3)得到

由式(4)可见，影响因子k值与地形坡度成正相关，并受探测点掠射角度的影响。k值皆呈现随地形坡度增大而逐渐增大的趋势。此外，不同掠射角度下，k值呈现出明显差异，即掠射角度愈小而k值分布区间愈大，当掠射角度逐渐增大，k值分布区间快速收敛，当掠射角大于40°时，k值分布曲线整体已趋于平缓，且分布区间收敛趋势明显减缓。同理，在不同地形条件下，影响因子k值随掠射角度的增大而逐渐减小。

为验证上述结果的可靠性，选择已知直径的海底管道作为“标准”，根据地形数据及侧扫声呐数据，反演海底管道直径，对比地形改正前后管道直径反演值与实际直径的差异。以图3所示的悬空管道为样本，截取10个断面数据进行验证，检验结果见表1。

表1某悬空管段管径反演结果

注：1)部分拖体高度值(Hf)经过人工干预；2)管径d＝0.7m,d1为改正前管径反演值，d2为改正后管径反演值，Δd1改正前管径反演值与实际管径的差值绝对值，Δd2改正后管径反演值与实际管径的差值绝对值。表1中的对比结果显示，在未考虑地形起伏的情形下，根据侧扫声呐图谱中的声学阴影宽度计算得到的管径结果与实际管径的差值绝对值介于0.08～0.20m，绝均差为0.152m，均方差为0.156m；而经过地形倾斜导致的阴影畸变改正后，差值绝对值收敛至0～0.03m，绝均差为0.015m，均方差为0.017m。经过地形倾斜导致的阴影畸变改正后，管径反演值与管径真实值符合度更高，样本各项统计误差均可减小至原来的10％左右。在海底管道检测项目中，经过地形改正后的悬空管道侧扫声呐探测结果与多波束、浅地层剖面探测以及潜水员探摸结果符合良好，对海底管道评估及治理工作提供了可靠的数据支持。

本发明所述的起伏地形改正方法皆是在数据解释阶段进行，由于侧扫声呐数据的位置信息二维性，因此，改正过程中对拖体距海底距离、掠射角等参数进行了诸多假设与近似，所得结果与真实情况会存在误差。例如，拖体距海底距离的取值直接影响侧扫声呐反演的掠射角度，进而影响反演结果的准确度；掠射角度过大时，侧扫声呐数据的横向分辨率急剧降低，导致图上数据读取时误差增大，出现表1中部分断面阴影宽度小于真实管径的矛盾现象。因此，在侧扫声呐数据获取阶段，控制拖体与目标的相对距离，使掠射角不宜过大，以形成足够宽的阴影区，并充分利用侧扫声呐的高分辨率区间，使上述方法中的假设与近似成立，可获得良好的改正效果。

侧扫声呐对管沟、冲刷槽等负地形内的海底管道探测时，凹陷地形及周边的堆积体会对侧扫声呐信号产生遮挡，产生探测盲区。通过调整侧扫声呐拖体与海底管道的相对位置，使声波信号掠射角大于管沟、冲刷槽等的边坡坡度，保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方的全覆盖探测，避免对负地形内部的海底管道等目标物的漏测。侧扫声呐数据解释时，对拖体距海底的高度值进行人工干预，选取代表探测范围内地形特征的高度值，筛除拖体下方小规模的起伏地形对平面位置的畸变影响，可使解释结果更好的反映海底管道以及地貌单元等目标物的真实分布特征。

在应用侧扫声呐数据进行海底管道悬空高度计算时，考虑地形起伏导致的声学图谱变形影响，通过计算模型的优化，对海底管道等目标物的悬空高度计算进行修正。通过对改正后的侧扫声呐结果与多波束测量、浅地层剖面探测结果以及已知目标物的对比验证，表明引入地形因素后的改善效果明显。在海洋工程项目探测工作中，尤其是没有应用其他高精度的测量方式的情况下，利用上述方法对侧扫声呐数据进行地形改正可在一定程度上弥补侧扫声呐系统的数据缺陷，从而提高侧扫声呐的探测精度。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法，包括起伏地形对探测结果影响、对悬空管道位置的影响、对目标物尺寸计算的影响；侧扫声呐对管沟、冲刷槽负地形内的海底管道探测时，凹陷地形及周边的堆积体会对侧扫声呐信号产生遮挡，产生探测盲区，通过调整侧扫声呐拖体与海底管道的相对位置，使声波信号掠射角大于管沟、冲刷槽的边坡坡度，保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方的全覆盖探测，避免对负地形内部的海底管道的目标物的漏测，

其特征在于：侧扫声呐数据解释时，对拖体距海底的高度值进行人工干预，选取代表探测范围内地形特征的高度值，筛除拖体下方小规模的起伏地形对平面位置的畸变影响；

所述对目标物尺寸计算的影响：海底管道的出露悬空多伴随冲刷槽的复杂地貌形态，此情形下，声波信号的量取长度值R以及声学阴影的长度值S受地形的影响产生失真，从而导致海底管道出露或悬空高度值存在偏差，根据声波信号掠射角、地形倾角以及海底管道阴影特征参数的几何关系，构建起伏地形影响模型，推导出海底地形因素对侧扫声呐探测结果影响因子k的数学模型：

h'＝S sinα， (1)

h＝S(sinβ+cosβtgθ)， (2)

式中：h为经地形改正后的高度，h’为地形改正前的高度，α为根据声波信号及拖体距海底距离Hf确定的掠射角，β为声波信号实际掠射角，θ为地形倾角；式(3)中，影响因子k为α，β，θ的函数；由于当前主流侧扫声呐无法给出声波信号的实际掠射角，且考虑侧扫声呐在探测应用过程中实际情况，将α与β进行近似，即α≈β，并代入式(3)得到

影响因子k值与地形坡度成正相关，并受探测点掠射角度的影响，k值皆呈现随地形坡度增大而逐渐增大的趋势，此外，不同掠射角度下，k值呈现出明显差异，即掠射角度愈小而k值分布区间愈大，当掠射角度逐渐增大，k值分布区间快速收敛，当掠射角大于40°时，k值分布曲线整体已趋于平缓，且分布区间收敛趋势明显减缓，在不同地形条件下，影响因子k值随掠射角度的增大而逐渐减小。

2.按照权利要求1所述复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法，其特征在于：所述起伏地形对探测结果影响包括复杂地形的遮挡效应：海底管道的出露多由海底冲刷侵蚀或者活动沙波的地质灾害现象导致，出露或者悬空的管段多发育小规模的冲刷槽及伴生的堆积体，使管道处于负地形之中，此类起伏地形会对声波信号产生遮挡效应，影响探测区域的有效覆盖以及探测目标的揭露，在海底输气管道检测过程中，侧扫声呐探测一般平行海底管道布设调查测线，以保证对海底管道的多次探测，由此，不同测线上的声波信号会因距海底管道相对位置的差异而产生不同的掠射角度，当海底管道周边存在明显的地形变化且地形坡度大于声波信号掠射角时，背侧产生阴影区，即为声波探测的盲区，阴影区内的海底管道目标物被遮挡，影响探测效果，当侧扫声呐拖鱼距离管道距离较远时声波信号被海底管道周边堆积体遮挡，表现为堆积体后方出现典型的声学阴影区，海底管道处于阴影区内，仅能部分揭露；当侧扫声呐拖鱼距离管道更近时，管沟内未出现声学阴影区，同一裸露管段揭露长度更大，揭露特征更完整，在应用侧扫声呐对沟槽或者凸起的小规模的起伏海底进行探测时，根据海底地形变化特征进行测线调整，使声波信号在地形起伏处的掠射角不小于地形坡度，以保证声波信号对沟槽内部或者凸起后方区域的有效覆盖，避免对敏感目标物的漏测。

3.按照权利要求1所述复杂地形条件下侧扫声呐探测结果改正方法，其特征在于：所述对悬空管道位置的影响：当海底地形存在起伏时，斜距改正过程所选取的拖体距海底的高度值无法代表探测区域内的整体地形特征，当拖体下方起伏的小规模地形与海底管道周边区域地形无明显相关性时，选取拖体下方的地形数据进行斜距改正后将导致海底管道形态畸变与位置漂移，因此，在侧扫声呐数据解释时，为消除或减弱局部地形起伏对解释结果的影响，需对斜距改正时所选取的拖体高度值进行人工干预，侧扫声呐拖体下方发育一小规模堆积体，与周边整体地形高差介于2～3m，海底跟踪时，根据整体地形特征，手动设置符合地形总体分布趋势的跟踪值，忽略此堆积体对侧扫声呐探测结果的影响，应用上述方法对侧扫声呐数据进行解释，并以多波束测量、浅地层剖面探测结果为参照基准，进行对比分析，对起伏地形海底跟踪值进行人工干预后，海底管道平面位置解释结果较干预前得到明显的改善，表现为：1)依据实际地形的跟踪值解释得到的管道位置整体较海底管道实际位置存在3～6m的偏离，对海底跟踪值进行人工干预后，管道解释位置向管道实际位置的偏离收敛至1～2m区间；2)海底管道形态更趋顺直，与管道实际形态吻合度更高，以局部地形起伏区域的改善效果最为明显，在没有其他方法对目标物进行更精确的位置标定的情况下，选取适宜的海底跟踪值进行斜距改正，改善侧扫声呐对特定目标物位置及形态的探测效果。

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