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作者:xiaokcehui2015-11-15 22:16分类: sonar 标签: 合成孔径声纳

 一、引言

  随着我国海洋油气事业的不断发展,海底管道铺设不断增多,海底管道事故发生频率和危害程度也进一步增加[1],海底管道泄漏的风险来源包括多个方面,主要包括因地质灾害导致海底管道失稳,海底管道埋设不当导致管线悬空,海底地形地貌复杂引起的管道变形,以及海底砂砾运动对管道造成磨损等。因此,非常有必要探明现有管道埋设和出露状态及位置,探测并研究海底管道区地形地貌对管道的影响。常用的探测方法主要包括多波束测深系统、侧扫声纳、浅地层剖面仪等[2-3]

  目前,合成孔径声纳(synthetic aperture sonarSAS)作为一种先进的水下探测成像技术已成为国际上的研究热点。该技术具有大范围高分辨率成像能力和对沉底、半掩埋和掩埋目标的探测能力,在军事和民用领域都具有广泛的应用前景,如海底水雷或其他危险物体等军事目标的探测和识别,海底测绘、水下沉船搜寻等[4]。本文着重论述该技术在海底管道探测方面的应用情况和存在的问题,探讨其在这一方面的应用潜力。

二、SAS基本原理和研究进展

⒈ 基本原理

  合成孔径声纳技术其基本原理是利用小孔径声纳基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径声纳基阵,在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号,根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理,从而形成等效的大孔径,获得沿运动方向的高分辨率[4-5]

  对声纳系统而言,发射阵孔径越大,对目标的方位分辨率越高,但实际上不可能无限制的增大发射阵尺寸,因此真实孔径声纳的目标分辨率是相当有限的,而且真实孔径对于远距离目标的方位分辨率很差。要想提高分辨率就要提高信号的发射频率,而信号的衰减随频率的增大而增大,就需要用更大的发射功率才能获得更远距离的传输[6]。针对这些问题,如果用真实的小孔径声纳运动等效的构成一个大孔径声纳,则可以提高目标方位分辨率。使用小孔径在许多方位向位置处发射和接收信号,来获得一个更大孔径,从而对海底的每个像素成像,最终形成整个海底的图像[6-7]

  根据其基本原理,SAS主要具有三个特点:①具有很高的横向空间分辨率,并且分辨率与声纳的工作频率和作业距离无关,而仅仅取决于基阵的物理孔径长度;②可以在低频工作,具有一定的穿透性,可以探测海底埋藏目标;③在分辨率相等的条件下,工作效率要高于侧扫声纳[4-6]

⒉ 研究进展

  SAS的原理研究始于20世纪60年代,美国Raytheon公司于1967年提出SAS可行性报告,Walsh1969年申请了第一个SAS专利,但当时主流观点的质疑使得SAS的发展受阻,直到合成孔径雷达的成功再次推动了SAS的发展[5]。从20世纪90年代起,澳洲、欧洲、北美国家先后研制出SAS样机、军用机和商用机,性能不断提高,作用距离从几十米、几百米发展到十几千米甚至更远,分辨率则从米、分米提高到厘米级[4]。近年来,SAS商用机也逐渐进入市场,商用产品主要包括法国IXSEA公司的SHADOWS、法国Thales公司的T-SAS、美国EdegeTech 4400-SAS、美国Applied SignalTechnology公司的ProSAS60、挪威FFI公司的SENSOTEKSAS、挪威Kongsberg公司的HISAS以及加拿大Kraken公司的MINISAS等。

  我国的SAS研究始于1997年,在国家高技术研究发展计划的支持下,中科院声学所、中船重工715所等国内十几家科研院所和高校先后开始进行SAS成像研究,经过多年的发展,不仅在SAS理论及关键技术方面取得了很大进展,而且研制的样机通过湖试、海试等一系列试验,达到了国际同步水平[4-58]。中科院声学所在世界上首次研制完成了同时具备双侧双频实时成像能力的双频合成孔径声纳工程样机,通过高低频图像的实时对照,可以显著提高对掩埋和半掩埋目标的探测能力[8]。在市场化方面我国苏州桑泰海洋仪器研发有限公司的高频、低频合成孔径声纳也开始进入市场[9]

三、SAS在海底管道探测方面的应用进展

  SAS主要用于水下地形地貌勘测、小目标搜索、水下构筑物调查、石油开采、水下考古等[4-57]。近年来,国内外的研究人员与仪器设备公司也开始探讨SAS在管道及其周边地形地貌探测方面的应用,挪威的Kongsberg MaritimeNorwegian Defence ResearchEstablishment共同研发了HISAS1030SAS,并将其安装在HUGIN1000-MR AUV上,用于水下目标的探测[7]HISAS1030SAS的主要技术指标:最大范围200m(@2m/s),距离向成像分辨率3cm,沿航迹方向成像分辨率3cm,测绘效率2km2/h[7]。图1和图2分别是2010年在美国圣迭戈外海和2009年在挪威西海岸海域对海底管道及周边地形地貌的探测成像结果,图像不仅清晰的反映了海底管道的位置、大致状态,以及周边海底地形地貌状况,而且通过深入解析,可以获得管道状态的细节信息[710-11]。如,测量SAS与管道的距离、工作高度和管道阴影的长度就可以计算出管道相对于海底的高度;对于半掩埋的管道,则可采用双侧扫测的方式,利用声波入射角度计算管道出露部分的最大宽度[10]。另外,图1SAS对于管道旁边的线绳也能够清晰成像,显示了其对小目标的成像能力,图2则清晰反映了管道被砾石覆盖的状况。

  

    2010年中科院声学所在渤海埕北油田开展了双频合成孔径声纳工程样机海试。该工程样机指标为测绘带宽600m,距离向成像分辨率优于0.02m,沿航迹方向成像分辨率优于0.05m,对尺度0.2m的目标可清晰成像[8]。对海底掩埋管线的探测成像结果见图3,低频SAS对海底掩埋管线清晰成像,高频SAS对海底面的扫测结果则显示了管线掩埋后留下的痕迹,进一步证实了低频SAS的探测结果。

  还有研究表明,SAS对于线绳、塑料等声学阻抗较大难以探测的非金属材料也能够很好的成像[710-11]。随着材料科学的发展,海底管线的材质也在探索向抗压、耐腐蚀、耐磨损的非金属材料发展,SAS成像技术也为解决非金属管线的探测问题提供了一种潜在的方法[12]

  牟健等将SHADOWS合成孔径声纳系统与EdgeTech2400侧扫声纳、SeaBat8150深海多波束系统和SIS-3000深拖系统(拖体包括高分辨率测深侧扫声纳和浅地层剖面仪)进行了海上对比试验[13-14]。结果表明,SAS在图像分辨率、成图效果、对目标物定位精度和图像镶嵌效果等方面均优于传统侧扫声纳,深海多波束系统可以获取精度很高的大范围水深数据,但在地形地貌的分辨率探测方面没有优势[14];SAS的测量精度和分辨率比深拖高,但深拖可以探测海底以下的浅地层结构,而试验使用的SAS则没有这个功能[13]。实际工作时,往往需要先进行多波束测量,了解工作海域的海底地形地貌,再选择合适的设备进行精细测量[15-16]

  2013年起国家海洋局北海海洋技术保障中心联合苏州桑泰海洋仪器研发公司等12家单位开展了海洋公益性行业科研专项“海底管道探测技术集成及风险评估技术研究与示范应用”项目的研究工作,拟建立一套以双频合成孔径声纳技术为主的多功能高效海底管道和地形地貌探测系统,实现对海底管道的高效、高分辨率探测。

四、SAS 在实际应用中存在的问题

  从SAS成像原理来看,SAS是将匀速运动的小尺寸基阵等效为大尺寸基阵以提高目标方位分辨率的,其成像模型包括三方面的假设:①忽略介质扰动,声速保持恒定,信号沿一条直线传播,传播延时正比于目标距平台的距离;②假定每个目标的复反射率稳定,不随视角不同而改变;③假定SAS平台在发射和接收信号时是静止的[6]

  然而,实际应用时,这种成像方式受到载体运动轨迹误差及介质起伏的严重影响[46]。首先,风浪及船舶操纵等因素会造成拖体偏离理想直线航迹,由于运动误差而对SAS成像产生影响。其次,SAS要想获得较高分辨率和较远作用距离,就必须降低载体速度,但低速又很难保证SAS载体沿航迹前进。再者,SAS载体速度与声速不匹配,当SAS接收信号时,载体已经运行了一段距离,从而造成信号处理困难。为解决这些问题,研究者采用了一系列的信号处理措施。例如,采用高稳定度的载体作为SAS平台,以及采用运动补偿措施,来消除或者抑制运动误差;采用多子阵SAS解决SAS速率问题,采用“停--停”模式或者精确计算收放时延内阵列的运动的方法,解决收放不共点问题等。但海洋水声环境的复杂性仍旧是制约SAS成像质量进一步提高的关键因素,仍需要不断的研究探索。

  另外,研究也发现,作业方式的不同对于成像结果也有一定的影响。2009HISAS 1030SAS在挪威西海岸海域进行的探测应用中,为获得更加全面准确的成像结果,研究者采用了平行管道双侧探测和垂直管道探测两种方式,将两种成像结果进行比较却发现,两种方式获得的管道形状信息有所差异[10]。究其原因大致有三方面:①采用双侧探测时由于两侧的探测高度不同,声波反射高度不同,引起的干涉作用或者管道峰值探测误差导致反射信号的拖尾效应;②侧向探测时没有接收到管道顶部的反射信号;③侧向探测时海底表面的反射作用对成像结果产生较大影响。

  因此,SAS技术的深入发展还需要进一步完善SAS信号处理方法,更多的掌握水声环境复杂性对信号的影响规律,并且不断开展海上试验以探索更科学合理的操作方法。对于用户来讲,SAS是一种全新的技术,在实际工作的应用中,面临着系统操作仍需积累经验、系统功能有待熟悉和挖掘、图像后处理方法需要学习等问题[17]。对于新上市的商业机来说,有目的针对性的系统设计和集成方法,以及应用便捷性和用户友好性则是生产厂家不容忽视问题,现阶段高昂的价格也是制约SAS推广应用的一个重要因素。

五、结束语

  SAS技术发展至今,已步入市场化进程,主要应用于水下地形地貌勘测、小目标搜索、水下构筑物调查、石油开采、水下考古等方面,显示出在高精度探测方面的优势。然而,该技术在海底管道探测方面的应用还处于起步阶段,受海洋水声和动力环境的影响,在图像处理、作业方式,甚至SAS载体选择等方面仍需要进行深入研究。如果能进一步克服海洋环境的影响,充分发挥该技术在原理上的独到特点,相信其在海底管道探测方面的应用前景不可低估。特别是当高低双频SAS进入市场后,可以大幅度提高海底管道探测的效率和准确度,在海底管道维护管理、溢油应急事件处理等方面发挥重要作用。

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评论:

xiaokcehui 2015-11-16 11:55
于灏是我以前的同事,看到他们取得这样的成绩,真是高兴。

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