3D声纳扫测在胜利油田海堤堤脚水下探测中的应用

荆波,朱克海,陈玉明,杨建民,曲志轩

摘要

建设在冲积平原上的海堤，其堤脚淘刷失稳是海堤破坏的主要风险之一，堤脚结构监测探测显得尤为重要。鉴于三维声纳系统的技术优势，2021年我们将其应用于胜利油田海堤堤脚水下探测，效果显著。本文主要就该技术工作原理、技术要点、应用范围、应用效果进行介绍。应用效果表明，该系统适应含沙量大、能见度低的水域环境，成像速度快、图像分辨率高、能够准确展示海堤水下部分的三维结构，在水下工程建设保障、勘测检测、隐患排查等方面有广阔的的应用前景。

1引言

上世纪七十年代中期，胜利油田开始采取围海造陆的方式进行探海油田的开发，相继建设各类海堤160多公里，防御风暴潮袭击，保护着桩西、河口、孤东等滩海油田安全生产。近半个世纪以来，伴随着自然环境变化、滩海石油开发、地方经济发展、黄河入海口治理以及黄河入海水沙量减少的进程，油田海堤运行环境及状态发生了很大变化，主要表现在海平面上升、地质沉降、滩地蚀退、堤前水深增加等，近堤水深以孤东北大堤为例，1985年孤东围堤建设时，堤前水深是0米，2018年最深时达-6.8米。水深浪大，加剧了海堤的破坏，上世纪九十年代以来，油田海堤多次受灾，甚至发生溃堤决口险情，造成巨大经济损失。

近年来，海堤安全已引起越来越多的关注，保护着油田生产和地方经济的油田海堤也是如此，加强海堤管理已成为一项重点工作。目前胜利油田在用一级海堤39.6公里，为确保海堤安全运行，2021年油田对海堤进行了全面检测，考虑到海堤堤脚结构稳定的重要性以及护脚预制块体局部滑塌现状，我们把海堤堤脚结构探测也纳入到这次检测。为了真实准确探测海堤堤脚水下结构现状，我们对可用的检测方法进行了调查研究，并进行了现场试验。通过技术经济对比、案例分析及现场试验，最终确定了三位声纳扫测方案。

目前水工建筑物或水下结构的无损检测方法基本分为两类：一类是利用光学原理检测，主要包括潜水员目测、水下机器人摄像、三维激光检测等，其中，水下目视检测方法是利用目力、水下照相或录像等进行检测的方法，该方法虽操作方便、简单、应用面广，但其检测结果依赖于相机的成像效果及潜水员的业务素质，经现场试验，水下摄像模糊不清、效率低下，且存在一定的人身安全风险；水下激光成像方法是利用激光对水下建筑物进行扫描成像分析的检测方法，因激光在水中产生严重散射且能量损耗很大，因而检测的范围较小、成像质量较差。第二类方法是利用声学原理检测，主要为声纳检测，包括二维侧扫声纳、二维多波束声纳、三维多波束声纳等。三维多波束声纳系统，是近年发展的一种探测新技术，具有高效率、高精度、高分辨率、全覆盖的特点，采用革命性创新的“面状”波束发射与采集方式，增强抗水流干扰能力，增加障碍物遮挡后方的采集数据，并实现实时观测功能，有效地解决水下结构无损检测方面的空白，为其安全评价提供数据依据。目前在港口、平台的水下结构及海底管线等检测方面有较多的应用实例，但是在海堤水下结构检测上尚未发现应用先例。

2 三维声纳系统（Echoscope）

2.1 声纳系统工作原理

Echoscope 水下三维声纳系统以一定频率发射扇形区域的声波束，波束在探测物表面发生反射，并被接收器接收，经传感器转换为电信号后发送至控制单元，再通过专用软件将扫描得到的信息进行显示。在系统工作时，声纳发射面板发射 1个脉冲信号（频率在 375~610 kHz，可在软件系统中进行设置），形成 1 个由视角场（50°×50°）框定的波束空间域，脉冲信号包含 128×128 个声波束，波束在探测物表面发生反射被接收通道捕获，Echoscope 水下三维声纳系统有 48×48 个接收通道，利用相控阵技术将接收到的声信号合成为三维声纳图像。系统以12Hz的数据更新速率，将每一帧的瞬时二维图像拼接在一起，实时地显示整个场景三维可视化图像。在作业时，系统可实时调节声波频率和波束覆盖角度，以达到最佳测量效果。云台可在水平方向 0~359°、竖直方向0~135°范围内调节，以适应不同的目标物。

三维声纳系统是一种高分辨率的实时三维声纳系统，可输出全三维的模型数据。系统可同时发射16384个波束，三维模型数据在1s内可刷新12次，能够以稳定的帧频实时地观察移动物体，是执行水下观察任务的理想工具之一。水下三维声纳系统的波束通过变换角度和方向可100%覆盖水下目标物，进而获取高清晰、高分辨率的水下数据。系统采用旋转三维面阵方式，直接获取目标物外形轮廓的水平（X）、垂直（Y）、高度（Z）等 3 个方向的数据。系统具有实时决策、精度高、分辨率高等特点，利用旋转云台可从横向、纵向 2 个方向同时对目标进行扫测。

三维声纳系统主要包括硬件和软件等2部分，其中：硬件部分主要由声纳系统、云台系统和惯性导航系统等

3个模块组成，通过声纳系统实时获取海底或水下构筑物的三维信息，通过云台系统调节声纳扫描的角度和方向，通过惯性导航系统获取船舶实时的位置和姿态；软件部分主要用于对采集数据的后处理，包括校准修正、点云去噪、点云建模输出、三维信息测量等功能。

声纳探头和云台系统通过专用电缆连接到甲板单元上，由甲板单元控制声纳探头的工作频率、云台的姿态。惯性导航系统通过专用电缆与甲板单元连接，为整个系统提供船舶的实时姿态和航向数据。3D声纳系统整体连接示意图见图2-1。

图2-1 三维声纳系统连接示意图

Echoscope 水下三维声纳系统根据声波传播时间和采集的声速数据计算探头至目标的距离要素值，根据云台控制系统自身转动和声波波束角度实时获取每个波束的空间度要素，即横向角度要素和纵向角度要素。系统根据获取的要素数据计算探测目点在水下三维声纳设备站心坐标系中的空间坐标。站心坐标系示意图见图2-2。

图2-2 站心坐标系示意图

根据已获取的距离和角度要素，计算探测点Pi 在站心坐标系中的坐标值（，

，）为：

所获得的探测点站心坐标经坐标转换后得到探测点在要求坐标系下的三维空间坐标。

2.2技术参数

三维声纳最新型号为Echoscope 4G，主要技术参数如表2-1所示：

表2-1 Echoscope 4G主要技术参数

名称	参数
工作频率	375kHz	610kHz
波束数量	128×128（总共16384）
最大探测距离	375kHz频率时120m	610kHz频率时80m
最小探测距离	1m
距离分辨率	3cm
更新速率	12Hz

3 在油田海堤检测的应用

3.1 工程现状

2021年7月，三位声纳系统被应用在孤东海堤北大堤6公里堤段检测研究。

孤东油田位于渤海湾西岸，黄河入海口西北，于1984年7月发现，1986年5月全面投入开发，是孤东采油厂的主力油田，也是国内最大的滩海整装油田。为变海上开发为陆地开发，1985年孤东海堤开始建设，1987年竣工，全长16.88公里，海堤设计为复式断面结构，顶宽10米，顶高程在3.5-4.5米之间，挡浪墙高1-1.1米，建成后形成围海造陆面积76.3平方公里，保障了孤东油田的高效开发，同时也保护着孤东及仙河地区人民生命和财产安全。

上世纪九十年代以来，因堤前水深增加、坝体沉降等因素影响，孤东海堤遭受多次风暴潮破坏，最严重的1992年9月1日，风暴潮造成了北大堤迎水面护坡全部坍塌，7处坝体穿孔的险情。为保证海堤安全，油田多次投入巨资对孤东海堤进行改造加固。目前孤东海堤设置两层平台结构，迎海侧砼挡浪墙、砼栅栏板护坡、砼戗台、戗台下护坡和齿墙、抛石和扭工字块护脚、单排管桩加抛石护底能够满足防御五十年一遇极端高水位风暴潮要求。但是因海堤堤前滩地冲淤变化的不确定性、长期风浪淘刷以及水下施工质量难以控制等原因，目前海堤堤脚失稳风险还是不能忽视。

3.2 系统安装及测试

船载 Hemisphere R330辅助定位系统接收并转发基准站发射的差分信号，船载移动端惯性导航系统接收差分信号并实时改正，获取高精度定位和实时潮位数据；惯性导航系统输出同步的各传感器数据（例如船舶姿态和艏向数据等），实时改正船体姿态，消除风浪对船体姿态的影响；采用声速仪准确测量水体声速剖面数据，用平均声速作为声波传输速度，得到准确的探头至目标物的距离值；根据海堤的走向实时调节云台转动，使声纳探头对准目标，调整发射增益、阈值、量程等参数，使图像数据达到最优。

严格遵循三维声纳系统设备安装规范，将云台及探头固定在船首1/2处，同时为保证探头在整个测量过程中保持最稳定状态，采用焊接方式将承载设备的安装支架固定在船体一侧，并使支架上部处于水平状态，然后对声纳探头进行安装和紧固。在惯性导航系统安装时，须保证 2 个天线头平行于船舷，将主天线头朝向船尾，并保证惯性导航支架稳定。在启动设备后，须对设备的工作情况进行测试，及时发现并解决设备运行问题。

3.3 声速测量

水下三维声纳系统通过发射声波获取探头到目标的距离，声速值的准确性对3D声纳系统获取数据的准确性有很大影响。在数据采集过程中，使用声速剖面仪准确获取扫测区域平均声速，并根据渤海水域声速变化规律，每隔2h采集1次声速数据，以保证水下三维声纳系统的测量精度。

3.4 系统校准

水下三维声纳系统是一种船载运动测量系统，其测量精度受船体姿态影响，因此在数据采集前，须对惯性导航系统进行系统校正。在惯性导航系统校准完成后，对水下三维声纳系统进行数据后处理校准，主要包括横摇、纵摇、艏向等参数的校准。数据后处理校准选在海床平坦区域，布设2条平行测线，往返测量，在校准过程中保证2条平行测线之间有 70%重叠。不同参数的校准对水下环境的要求各不相同，必须尽可能地在符合要求的环境下进行校准，以降低校准误差对测量精度的影响，再根据专用软件判定校准效果的良好程度。

3.5 测线布置

3.6 数据采集

为保证设备安全，测量作业前应先由测量船搭载单波束对水域进行排查，保证测线所在水域无异常障碍物损伤设备。

行驶水域保证安全后，调整测量船运行线路，使测量船沿预先布设的测线进行扫测，在测量过程中尽可能保证船舶沿直线行驶。扫测的频率设置为375 kHz，视场角设为 50°×50°。在扫测过程中船舶行驶速度不大于 3 km。三维声纳扫测海堤堤脚的实时影像如图3-2所示。

 

图3-2 三维声纳扫测海堤实时影像

3.6 点云去噪

受环境因素影响，在系统扫测获取的点云数据中存在不稳定点和噪声点，须在软件中设置不同的门限等方式来剔除这些点，即点云去噪。对三维声纳系统获取的点云数据进行去噪，主要是在配套的点云去噪软件的强度、深度、量程等选项工具中隐藏无用的点云数据，确保图像数据干净、可靠。在配套的点云去噪软件中主要包含量程、发射增益、接收增益、监测模式、滤波等选项工具，可通过反复调试获取高质量数据。

4 成果分析及应用

三维声纳系统获取的海堤堤脚三维影像图具有直观清晰、信息全面、数据丰富等特点。通过影像数据可清晰直观判断堤脚防护存在的结构缺陷，并且能够提供精准的坐标数据及三维信息，对海堤风险隐患分析及隐患工程治理有重要意义。

4.1 提供清晰直观的影像数据

孤东海堤护底由单排管桩及抛石、扭工字体构成，三维声纳系统能够清晰准确体现管桩及抛石的现状，可输出高清图片，亦可录制视频作为成果展示，如图4-1所示。

 

 

 

 

图4-1 三维声纳系统效果图

4.2 输出精准的坐标数据

声纳系统可实时输出目标物的坐标信息，精度可达厘米级。通过影像数据能够发现有缺陷和隐患的堤段，可通过USE后处理软件输出堤段的坐标信息（起止点坐标），并且与海堤桩号相对应，如图4-2所示。

 

4.3 可精准测量目标物三维姿态信息

以单排管桩为例，通过USE软件可对管桩的高度、倾斜角度、管桩间隔、管桩直径等三维信息进行测量，同时可将管桩的点云数据进行输出，利用其它三维软件进行重新建模，从而达到在点云数据的基础上，利用不同的三维软件实现抛石量计算等强大功能。

如图4-3所示，通过测量可得出管桩间隔、管桩直径等信息，为海堤安全性评价提供可靠的数据依据。

图4-3 测量管桩尺寸

5 指导隐患治理

三维声纳扫测发现，孤东海堤堤脚结构存在着管桩倾斜缺失，抛石不足甚至缺失等缺陷，重要缺陷多达31处，这也对上部结构局部滑塌给出了解释。

                         图5-1缺陷平面解释图

本次三维扫测结果不但给出了缺陷直观三维图像，而且对缺陷状态进行了定位定量，（见图5-1）为风险评估和隐患治理提供了可靠依据。在后期的针对海堤堤脚结构加固方案设计中，设计部门直接用三维声纳扫测成果制定工程方案，一改往年大水漫灌式的抛填方式，精准消除工程结构缺陷，提高了施工效率和隐患治理质量，节省了大量工程量及资金，有显著的经济效益和社会效益。

结论

三维声纳系统在孤东海堤水下结构检测的应用，效果显著。应用效果显示，三维声纳系统获取的点云数据可完整呈现海堤堤脚缺陷的准确位置、尺寸和平整度等特征。在水下结构检测方面精度、效率、点云密度和环境适用性等方面均较传统手段有大幅度提升。该技术在水下地形勘测、结构检测、工程建设保障等方面具有广阔的应用前景。