中海達(dá)聲吶探測(cè)設(shè)備保證海底全覆蓋測(cè)量

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今發(fā)展最快的綠色能源之一。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模已高居世界第一，“向海爭(zhēng)風(fēng)”正成為東部沿海地區(qū)綠色低碳發(fā)展的“藍(lán)色動(dòng)力”。隨著海上風(fēng)電的建設(shè)規(guī)模持續(xù)快速發(fā)展，海底電纜沖刷狀況的監(jiān)測(cè)已成為海上風(fēng)電運(yùn)維過(guò)程的關(guān)鍵。

隨著聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等聲吶探測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度和成熟度有了很大的提高，完全可以滿足海底電纜沖刷狀況監(jiān)測(cè)的要求，成為評(píng)估其沖刷狀況的技術(shù)手段。

項(xiàng)目背景

應(yīng)客戶需求，于7月中旬對(duì)東海某海域海上風(fēng)電裝機(jī)的升壓站周邊基礎(chǔ)地形和海底電纜路由進(jìn)行掃測(cè)，因此項(xiàng)目投入側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)和淺地層剖面儀等多種測(cè)量設(shè)備進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，對(duì)淺埋海底電纜進(jìn)行搜尋、探測(cè)，并評(píng)估其沖刷狀況。

其中，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)負(fù)責(zé)局部地貌調(diào)查，主要對(duì)海底電纜路由兩側(cè)100m范圍的地形地貌覆蓋掃測(cè)，借助聲吶圖像反應(yīng)風(fēng)機(jī)與升壓站之間，升壓站至陸上登陸點(diǎn)之間海底電纜路由的掩埋、裸露、懸空情況，以分析海底電纜的位置、掩埋或懸空變化以及演變情況；多波束測(cè)深系統(tǒng)負(fù)責(zé)全覆蓋地貌調(diào)查，主要對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)位周邊500m范圍實(shí)現(xiàn)全覆蓋海底地形掃測(cè)，以分析海底沖刷變化情況及沖刷溝的演變情況，同時(shí)可根據(jù)水下高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算沖刷區(qū)域方量等；淺地層剖面儀負(fù)責(zé)剖面測(cè)量，通過(guò)換能器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率（100Hz～10kHz）的聲波脈沖向海底發(fā)射，以輸出能夠反映地層聲學(xué)特征的淺地層聲學(xué)記錄剖面。

痛點(diǎn)分析

海底電纜鋪設(shè)在海床面以下，海床本身受海流影響沖淤變化復(fù)雜，海底溝槽的產(chǎn)生演變較快，海底電纜周圍在潮流作用下發(fā)生差異性沖刷，容易造成海底電纜出現(xiàn)非掩埋（裸露及懸空）狀態(tài)。因此，海底電纜的監(jiān)測(cè)需要考慮掩埋狀態(tài)和非掩埋狀態(tài)，針對(duì)不同狀態(tài)要求采用不同的探測(cè)設(shè)備進(jìn)行綜合應(yīng)用，這對(duì)設(shè)備之間的協(xié)同性提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于電纜的直徑很小，對(duì)探測(cè)設(shè)備的精度和穩(wěn)定性也提出了很高的要求。

實(shí)施方案

針對(duì)項(xiàng)目的需求，中海達(dá)提供了iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)+iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)+SES2000參量陣淺地層剖面儀+iPos MS11高精度慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)解決方案。

iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)、iPos MS11高精度慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、SES2000參量陣淺地層剖面儀

其中，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)采用了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)，在大量程處也能對(duì)目標(biāo)高分辨力成像，有效實(shí)現(xiàn)高速高分辨力全覆蓋掃測(cè)效率；iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)具有較高的水深分辨率和測(cè)深精度，符合IHO S44特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求；iPos MS11高精度慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)耦合光纖陀螺技術(shù)和GNSS定位技術(shù)，有效解決了GNSS失鎖、衛(wèi)星數(shù)不夠等極端狀況下的定位導(dǎo)航，全自由度輸出定位、定向、姿態(tài)、同步等所有導(dǎo)航定位信息，是完成多波束測(cè)量的最佳搭檔。

作業(yè)流程

1.側(cè)掃聲吶地貌調(diào)查采用iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行局部地貌數(shù)據(jù)采集。作業(yè)前，測(cè)量人員調(diào)試好儀器，以保證信號(hào)清晰準(zhǔn)確，并校對(duì)儀器中各測(cè)量參數(shù)的正確性。作業(yè)開(kāi)始后，擁有100KHz和400KHz雙頻率的iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行雙頻率采集。為了保證聲吶圖像的灰度一致，TVG等聲吶參數(shù)設(shè)置保存不變，且船只航速保持在5節(jié)左右。此次采集，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)實(shí)際測(cè)線偏移沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)間隔的20％，符合設(shè)計(jì)要求，保證了海底全覆蓋測(cè)量。

2.多波束全覆蓋地貌調(diào)查采用iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋地面調(diào)查。作業(yè)前，測(cè)量人員檢查了測(cè)量船的水艙和油艙的平衡情況，以保持船舶的前后以及左右舷吃水一致。作業(yè)中，測(cè)量人員指揮駕駛員按照測(cè)前布設(shè)的測(cè)線操船行進(jìn)，且航速保持穩(wěn)定，最大航速不得高于5節(jié)。每條測(cè)線結(jié)束后，作業(yè)船維持原航向、航速幾分鐘后再轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向后，待姿態(tài)傳感器保持穩(wěn)定后再開(kāi)始重新上線測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)的帶寬和其水深對(duì)應(yīng)的顏色直觀地顯示在屏幕上，使測(cè)量人員可以準(zhǔn)確地觀察到測(cè)線的重疊情況和測(cè)區(qū)有無(wú)漏測(cè)情況。

3.淺地層剖面儀剖面測(cè)量采用SES2000參量陣淺地層剖面儀進(jìn)行剖面測(cè)量，作業(yè)中盡量保持TVG不變，船速不超過(guò)4節(jié)，以保證回波清晰。

成果展示

此次協(xié)同作業(yè)所得測(cè)量數(shù)據(jù)包括：地貌數(shù)據(jù)、多波束水深數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，確定海底沖刷溝的位置、規(guī)模、深度及沖刷溝內(nèi)底質(zhì)類型，給出了沖刷分析調(diào)查結(jié)果和綜合調(diào)查報(bào)告。

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)聲吶圖像的觀察可以看出，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)可以輕松地探測(cè)到海纜在裸露狀態(tài)下的平面位置、分布狀態(tài)以及電纜的數(shù)目、入泥點(diǎn)與出泥點(diǎn)的位置等信息。同時(shí)能夠探測(cè)到海纜周圍可能存在的不利影響因素，如不良地貌、海底障礙物、人工作業(yè)痕跡等，便于評(píng)估海纜的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

多波束數(shù)據(jù)分析

基于多波束測(cè)量形成海底全覆蓋的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)將不同時(shí)間段測(cè)量的數(shù)據(jù)成果求差，直接獲得地形沖淤變化量值，繪制出了風(fēng)機(jī)樁和升壓站沖淤變化數(shù)字地形圖，并繪制了等值線，為分析水下地形變化以及后期的沖刷區(qū)域填埋提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)風(fēng)機(jī)樁周圍數(shù)據(jù)分析得出：風(fēng)機(jī)距中心位置半徑13m范圍內(nèi)，樁周存在較為嚴(yán)重沖刷現(xiàn)象，海底高程范圍為-18.14m至-12.82m，平均高程為-13.04m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊最大沖刷坑深度約5.38m；風(fēng)機(jī)樁周圍存在輕微的沖刷坑，距樁基中心13m范圍內(nèi)填方量為1151.8m3。

iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取的風(fēng)機(jī)樁周圍等深線圖、三維地形圖及點(diǎn)云圖

穿過(guò)樁中心西東、南北向剖面線

通過(guò)升壓站周圍數(shù)據(jù)分析得出：升壓站周圍30米范圍內(nèi)，四根樁位周圍有輕微沖刷現(xiàn)象，海底高程范圍為-14.8~12.5m，平均高程為-13.37m，升壓站四個(gè)樁位沖刷坑深度一號(hào)為2.2米、二號(hào)2米、三號(hào)1.9米、四號(hào)0.8米。四個(gè)樁位周沖刷坑以平均高程為基準(zhǔn)面，填方量如下表格所示。

▲四個(gè)樁位填方量情況

西東向北側(cè)、西東向南側(cè)、南北向西側(cè)、南北側(cè)東側(cè)四個(gè)樁位剖面線

淺地層剖面儀數(shù)據(jù)分析

將采集的淺剖數(shù)據(jù)按每條測(cè)線各自處理，淺地層剖面儀可以獲得海底電纜路由上的不連續(xù)節(jié)點(diǎn)，其連線能夠反映出海底電纜路由的平面位置，同時(shí)還能夠測(cè)出海底電纜的埋深，為后期海底電纜運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持。

▲淺剖成果圖

▲淺剖測(cè)線數(shù)據(jù)表

項(xiàng)目總結(jié)

此次項(xiàng)目成功獲取到海底電纜和樁基的高清聲吶圖像、高密度的水下三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，通過(guò)iBeam 8140淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)、iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、iPos MS11高精度慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)等自主研發(fā)裝備的創(chuàng)新組合，外加參量陣淺地層剖面儀保證了海纜各狀態(tài)監(jiān)測(cè)的高效率和高精度。該方法具有更好的普適性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，能夠獲取更加詳實(shí)、精確的電纜分布情況和海底地形數(shù)據(jù)。通過(guò)該方法對(duì)海底電纜路由區(qū)域進(jìn)行定期調(diào)查，分析沖淤變化情況，預(yù)測(cè)海底電纜裸露、懸空狀況的發(fā)生，以便于運(yùn)維單位采取及時(shí)、有效的防范措施，消除安全隱患，為海上風(fēng)電運(yùn)維提供了可靠的國(guó)產(chǎn)利器。