[发明专利]一种海底管线探测与测量声学系统与方法

说明书

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；