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摘要：海底地基形位测量仪通过声纳主机获取原始水深数据，利用姿态传感器、GPS、潮位仪等辅助测量设备，对以上测量数据进行融合，实现对海洋平台海底地基形位的高精度三维测量。在海洋平台结构生命周期中，平台桩基弱化是损伤识别及安全评估的重要一环。在研究平台桩基弱化过程中，往往需要导管架桩腿的基础冲刷数据。以往主要是依靠潜水员进行海底探摸，获取大致的冲刷范围和坑深数据。现如今我们可以采用海底地基形位测量仪对导管架桩腿基础冲刷进行测量。该测量仪还可以应用于海洋平台导管架放置前后的地貌调查等结构物完整性管理工作中。
关键词：海底地基形位测量仪 多波束 完整性管理
中图分类号： TU471 文献标识码： A 文章编号：
引言
在海洋石油工程建设运营过程中，如何获取海洋石油平台附近区域的海底地基形位地貌是保障平台导管架安装、后期检测评估的关键技术之一。目前，该地形地貌情况的获得，主要依靠潜水员进行水下探摸及替他物探设备。海底地基形位测量仪是新颖的测量设备，可以获取海洋平台导管架周围水域海底精确的三维地形图。该设备是一种声学多波束超声波测深系统，可以克服平台水域能见度差、水下环境复杂等限制条件，得到高精度、数字化的三维地形图。因此基于多波束测深技术的“海洋平台海底地基形位测量仪”是获取海洋平台地基基础和局部坑型三维地形图像的关键设备。
多波束测深系统能够高效、高精度地探测水下三维地形，是目前海洋测绘等领域应用最普遍、最有效的仪器，此种应用背景下的多波束测深系统在海洋石油工程也被称为“海底地基形位测量仪”。海底地基形位测量仪除需要声纳主机获取的原始水深数据、声反射数据等信息之外，需要利用姿态传感器、GPS、潮位仪等辅助测量设备，通过对以上测量数据进行融合，实现对海洋平台海底地基形位的高精度三维测量。
海底地基形位测量仪介绍
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理一次探测就能给出与航向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条带，能够精确、快速地測出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠地描绘出海底地形的精细特征。下图2-1给出了多波束工作原理图。
海底地基形位测量仪系统主要包括组合声学换能器、高集成度的发射与接收系统、多处理器阵列信号处理平台以及信号处理模块。下图2-2和图2-3给出了海底地基形位测量仪系统的原理组成框图和换能器和主控计算机照片。此外，为了获取高精度的海底地形信息，除了多波束测深系统自身之外，获得高精度海底地形还需要多种辅助测量设备，如用以提供大地坐标的差分GPS、用以提供测量船横摇、纵摇、艏向、升沉等姿态数据的涌浪滤波器、用以提供所测海区潮位数据的验潮仪、用以提供所测海区声速剖面信息的声速仪等。
图2-1 多波束工作原理图
图2-2 系统组成原理框图
图2-3换能器和主控计算机
整个系统的协同工作，通过硬件实时补偿来降低安装载体运动对水下深度测量精度的影响，并通过测量数据融合及三维地形成像技术，最终形成高分辨率的海洋平台海底地基三维地形图像。海底地基形位测量仪系统主要技术指标如下：
测量水深范围：5m-150m 波束最大覆盖宽度：6倍水深或水平100m
波束数目：128个波束 波束宽度：1.5°×1.5°
测量精度：水深30m以浅：±10cm；水深大于30m：±0.5%水深
海上测量过程简述
海上测量主要工作流程包括设备连接调试、功能性测试、海区初步测量、海区实际测量等步骤。
3.1硬件设备的安装
海底地基形位测量仪声学换能器安装于测量船的船舷侧。综合水流、船体起伏、发动机噪声、螺旋桨干扰等因素，换能器必须远离螺旋桨和排水孔，安装于距船尾约1/3的船舷处。考虑海区测量的灵活性，测量船采用一般不宜采用大的拖轮，一般以中型渔船为宜。
海底地基形位测量仪声学换能器的安装在船舷侧，通过专用电缆与主控计算机相连。为了海上测量方便，测量控制指挥中心一般设置在测量船驾驶舱，并将主控计算机安置在测量控制指挥中心。DGPS、姿态仪等辅助测量设备安放合适并通过串口与主控计算机相连。设备硬件连接示意图图3-1所示。
图3-1设备硬件连接示意图
海底地基形位测量仪声学换能器的安装方式采用舷侧悬挂方式，支撑底座需焊接或螺栓固定于测量船甲板，其余部件采用螺栓形式安装固定，为保证换能器连接杆的强度，船体上焊接一个角钢支撑座。声学换能器的安装示意图如图3-2所示。
图3-2声学换能器的安装示意图
姿态仪安装在测量船的中心位置，即船体艏尾中部的龙骨位置。GPS天线安装于换能器正上方，主机放置在测量控制指挥中心。海上测量无法架设RTK参考站，因此将RTK流动站设置为差分GPS模式，定位精度能够在0.5米量级。RTK流动站输出NMEA0183格式定位信息和TTL电平PPS时间同步信号，此信号通过串行电缆连接至形位测量仪主控计算机。导航主机通过串口一分二连接线接受GPS信息。
3.2连接调试和初步测量
完成了系统硬件的的整体安装后，对系统进行连接检查和加电调试。
检查所有连接电缆是否正确；
检查电源电压是否正常；
打开系统主机和各辅助设备电源进入准备状态；
执行测量软件V1.0版本，检查软件工作情况；
检查系统基本信息；
检查姿态仪、GPS和导航主机软件工作情况。
设备连接检查和加点调试之后，进行一次功能性航行测试，以确保设备的功能实现和工作稳定、测量数据的可靠性。同时，也可以充分考核换能器安装结构的可靠性，从而确保测量时设备的安全性。
在对计划的海区进行正式测区规划和测线之前，首先要对海区水下地形情况进行一次摸底测量，即初步测量，对测量区域平均水深、特征地形等情况有一个大体评价，并在初测的过程中在多个不同位置进行了声速剖面的测量。完成了测量区域的初测后，对测量数据进行了简单处理，确定测量区域的大体情况，同时寻找特征地形进行安装误差的校准。
3.3测区测量与出图
完成初步测量后选择特征地形进行安装误差校准测量，最后根据初测情况规划测线和正式测量。测区测线规划主要考虑数据的有效覆盖和数据密度，并考虑交叉比对测线。图3-3给出了测线规划图和实际测线图。正式测量过程中，测量船按照规划的测线进行航行即可，但是需要保持匀速前行，航速大约控制在3节。
图3-3测线规划图和实际测线
完成了规划测线的检测，便可对数据进行安装误差修正和声速修正，获得该测区数字水深图，然后通过三维构网形成了测区的三维图像。
按照“剔除虚假信息,保留真实信息”的多波束数据处理的基本原则对实时数据进行处理。在编辑时要尽量减少人为主观因素对成像结果的考虑。在海况很好时，多波束采集的数据是可信的，因此在编辑时，应尽量保留采集的信息，以少编辑为好，编辑也只是剔除那些不可能的跃点、孤立点；而在海况较差时，多波束采集的数据中一般包含一定的噪声。因此应根据一定的编辑原则，将噪音部分剔除掉。
关键词：海底地基形位测量仪 多波束 完整性管理
中图分类号： TU471 文献标识码： A 文章编号：
引言
在海洋石油工程建设运营过程中，如何获取海洋石油平台附近区域的海底地基形位地貌是保障平台导管架安装、后期检测评估的关键技术之一。目前，该地形地貌情况的获得，主要依靠潜水员进行水下探摸及替他物探设备。海底地基形位测量仪是新颖的测量设备，可以获取海洋平台导管架周围水域海底精确的三维地形图。该设备是一种声学多波束超声波测深系统，可以克服平台水域能见度差、水下环境复杂等限制条件，得到高精度、数字化的三维地形图。因此基于多波束测深技术的“海洋平台海底地基形位测量仪”是获取海洋平台地基基础和局部坑型三维地形图像的关键设备。
多波束测深系统能够高效、高精度地探测水下三维地形，是目前海洋测绘等领域应用最普遍、最有效的仪器，此种应用背景下的多波束测深系统在海洋石油工程也被称为“海底地基形位测量仪”。海底地基形位测量仪除需要声纳主机获取的原始水深数据、声反射数据等信息之外，需要利用姿态传感器、GPS、潮位仪等辅助测量设备，通过对以上测量数据进行融合，实现对海洋平台海底地基形位的高精度三维测量。
海底地基形位测量仪介绍
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理一次探测就能给出与航向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条带，能够精确、快速地測出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠地描绘出海底地形的精细特征。下图2-1给出了多波束工作原理图。
海底地基形位测量仪系统主要包括组合声学换能器、高集成度的发射与接收系统、多处理器阵列信号处理平台以及信号处理模块。下图2-2和图2-3给出了海底地基形位测量仪系统的原理组成框图和换能器和主控计算机照片。此外，为了获取高精度的海底地形信息，除了多波束测深系统自身之外，获得高精度海底地形还需要多种辅助测量设备，如用以提供大地坐标的差分GPS、用以提供测量船横摇、纵摇、艏向、升沉等姿态数据的涌浪滤波器、用以提供所测海区潮位数据的验潮仪、用以提供所测海区声速剖面信息的声速仪等。
图2-1 多波束工作原理图
图2-2 系统组成原理框图
图2-3换能器和主控计算机
整个系统的协同工作，通过硬件实时补偿来降低安装载体运动对水下深度测量精度的影响，并通过测量数据融合及三维地形成像技术，最终形成高分辨率的海洋平台海底地基三维地形图像。海底地基形位测量仪系统主要技术指标如下：
测量水深范围：5m-150m 波束最大覆盖宽度：6倍水深或水平100m
波束数目：128个波束 波束宽度：1.5°×1.5°
测量精度：水深30m以浅：±10cm；水深大于30m：±0.5%水深
海上测量过程简述
海上测量主要工作流程包括设备连接调试、功能性测试、海区初步测量、海区实际测量等步骤。
3.1硬件设备的安装
海底地基形位测量仪声学换能器安装于测量船的船舷侧。综合水流、船体起伏、发动机噪声、螺旋桨干扰等因素，换能器必须远离螺旋桨和排水孔，安装于距船尾约1/3的船舷处。考虑海区测量的灵活性，测量船采用一般不宜采用大的拖轮，一般以中型渔船为宜。
海底地基形位测量仪声学换能器的安装在船舷侧，通过专用电缆与主控计算机相连。为了海上测量方便，测量控制指挥中心一般设置在测量船驾驶舱，并将主控计算机安置在测量控制指挥中心。DGPS、姿态仪等辅助测量设备安放合适并通过串口与主控计算机相连。设备硬件连接示意图图3-1所示。
图3-1设备硬件连接示意图
海底地基形位测量仪声学换能器的安装方式采用舷侧悬挂方式，支撑底座需焊接或螺栓固定于测量船甲板，其余部件采用螺栓形式安装固定，为保证换能器连接杆的强度，船体上焊接一个角钢支撑座。声学换能器的安装示意图如图3-2所示。
图3-2声学换能器的安装示意图
姿态仪安装在测量船的中心位置，即船体艏尾中部的龙骨位置。GPS天线安装于换能器正上方，主机放置在测量控制指挥中心。海上测量无法架设RTK参考站，因此将RTK流动站设置为差分GPS模式，定位精度能够在0.5米量级。RTK流动站输出NMEA0183格式定位信息和TTL电平PPS时间同步信号，此信号通过串行电缆连接至形位测量仪主控计算机。导航主机通过串口一分二连接线接受GPS信息。
3.2连接调试和初步测量
完成了系统硬件的的整体安装后，对系统进行连接检查和加电调试。
检查所有连接电缆是否正确；
检查电源电压是否正常；
打开系统主机和各辅助设备电源进入准备状态；
执行测量软件V1.0版本，检查软件工作情况；
检查系统基本信息；
检查姿态仪、GPS和导航主机软件工作情况。
设备连接检查和加点调试之后，进行一次功能性航行测试，以确保设备的功能实现和工作稳定、测量数据的可靠性。同时，也可以充分考核换能器安装结构的可靠性，从而确保测量时设备的安全性。
在对计划的海区进行正式测区规划和测线之前，首先要对海区水下地形情况进行一次摸底测量，即初步测量，对测量区域平均水深、特征地形等情况有一个大体评价，并在初测的过程中在多个不同位置进行了声速剖面的测量。完成了测量区域的初测后，对测量数据进行了简单处理，确定测量区域的大体情况，同时寻找特征地形进行安装误差的校准。
3.3测区测量与出图
完成初步测量后选择特征地形进行安装误差校准测量，最后根据初测情况规划测线和正式测量。测区测线规划主要考虑数据的有效覆盖和数据密度，并考虑交叉比对测线。图3-3给出了测线规划图和实际测线图。正式测量过程中，测量船按照规划的测线进行航行即可，但是需要保持匀速前行，航速大约控制在3节。
图3-3测线规划图和实际测线
完成了规划测线的检测，便可对数据进行安装误差修正和声速修正，获得该测区数字水深图，然后通过三维构网形成了测区的三维图像。
按照“剔除虚假信息,保留真实信息”的多波束数据处理的基本原则对实时数据进行处理。在编辑时要尽量减少人为主观因素对成像结果的考虑。在海况很好时，多波束采集的数据是可信的，因此在编辑时，应尽量保留采集的信息，以少编辑为好，编辑也只是剔除那些不可能的跃点、孤立点；而在海况较差时，多波束采集的数据中一般包含一定的噪声。因此应根据一定的编辑原则，将噪音部分剔除掉。