隨著我國海洋油氣事業的不斷發展，海底管道鋪設不斷增多，海底管道事故發生頻率和危害程度也進一步增加[1]，海底管道泄漏的風險來源包括多個方面，主要包括因地質災害導致海底管道失穩，海底管道埋設不當導致管線懸空，海底地形地貌復雜引起的管道變形，以及海底砂礫運動對管道造成磨損等。因此，非常有必要探明現有管道埋設和出露狀態及位置，探測并研究海底管道區地形地貌對管道的影響。常用的探測 *** 主要包括多波束測深系統、側掃聲納、淺地層剖面儀等[2-3]。

　　目前，合成孔徑聲納(synthetic aperture sonar，SAS)作為一種先進的水下探測成像技術已成為國際上的研究熱點。該技術具有大范圍高分辨率成像能力和對沉底、半掩埋和掩埋目標的探測能力，在軍事和民用領域都具有廣泛的應用前景，如海底水雷或其他危險物體等軍事目標的探測和識別，海底測繪、水下沉船搜尋等[4]。本文著重論述該技術在海底管道探測方面的應用情況和存在的問題，探討其在這一方面的應用潛力。

二、SAS基本原理和研究進展

⒈ 基本原理

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　　合成孔徑聲納技術其基本原理是利用小孔徑聲納基陣沿空間勻速直線運動來虛擬大孔徑聲納基陣，在運動軌跡的順序位置發射并接收回波信號，根據空間位置和相位關系對不同位置的回波信號進行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運動方向的高分辨率[4-5]。

　　對聲納系統而言，發射陣孔徑越大，對目標的方位分辨率越高，但實際上不可能無限制的增大發射陣尺寸，因此真實孔徑聲納的目標分辨率是相當有限的，而且真實孔徑對于遠距離目標的方位分辨率很差。要想提高分辨率就要提高信號的發射頻率，而信號的衰減隨頻率的增大而增大，就需要用更大的發射功率才能獲得更遠距離的傳輸[6]。針對這些問題，如果用真實的小孔徑聲納運動等效的構成一個大孔徑聲納，則可以提高目標方位分辨率。使用小孔徑在許多方位向位置處發射和接收信號，來獲得一個更大孔徑，從而對海底的每個像素成像，最終形成整個海底的圖像[6-7]。

　　根據其基本原理，SAS主要具有三個特點：①具有很高的橫向空間分辨率，并且分辨率與聲納的工作頻率和作業距離無關，而僅僅取決于基陣的物理孔徑長度;②可以在低頻工作，具有一定的穿透性，可以探測海底埋藏目標;③在分辨率相等的條件下，工作效率要高于側掃聲納[4-6]。

⒉ 研究進展

　　SAS的原理研究始于20世紀60年代，美國Raytheon公司于1967年提出SAS可行性報告，Walsh于1969年申請了之一個SAS專利，但當時主流觀點的質疑使得SAS的發展受阻，直到合成孔徑雷達的成功再次推動了SAS的發展[5]。從20世紀90年代起，澳洲、歐洲、北美國家先后研制出SAS樣機、軍用機和商用機，性能不斷提高，作用距離從幾十米、幾百米發展到十幾千米甚至更遠，分辨率則從米、分米提高到厘米級[4]。近年來，SAS商用機也逐漸進入市場，商用產品主要包括法國IXSEA公司的SHADOWS、法國Thales公司的T-SAS、美國EdegeTech 4400-SAS、美國Applied SignalTechnology公司的ProSAS60、挪威FFI公司的SENSOTEKSAS、挪威Kong *** erg公司的HISAS?以及加拿大Kraken公司的MINISAS等。

　　我國的SAS研究始于1997年，在國家高技術研究發展計劃的支持下，中科院聲學所、中船重工715所等國內十幾家科研院所和高校先后開始進行SAS成像研究，經過多年的發展，不僅在SAS理論及關鍵技術方面取得了很大進展，而且研制的樣機通過湖試、海試等一系列試驗，達到了國際同步水平[4-5，8]。中科院聲學所在世界上首次研制完成了同時具備雙側雙頻實時成像能力的雙頻合成孔徑聲納工程樣機，通過高低頻圖像的實時對照，可以顯著提高對掩埋和半掩埋目標的探測能力[8]。在市場化方面我國蘇州桑泰海洋儀器研發有限公司的高頻、低頻合成孔徑聲納也開始進入市場[9]。

三、SAS在海底管道探測方面的應用進展

　　SAS主要用于水下地形地貌勘測、小目標搜索、水下構筑物調查、石油開采、水下考古等[4-5，7]。近年來，國內外的研究人員與儀器設備公司也開始探討SAS在管道及其周邊地形地貌探測方面的應用，挪威的Kong *** erg Maritime和Norwegian Defence ResearchEstablishment共同研發了HISAS1030型SAS，并將其安裝在HUGIN1000-MR AUV上，用于水下目標的探測[7]。HISAS1030型SAS的主要技術指標：更大范圍200m(@2m/s)，距離向成像分辨率3cm，沿航跡方向成像分辨率3cm，測繪效率2km2/h[7]。圖1和圖2分別是2010年在美國圣迭戈外海和2009年在挪威西海岸海域對海底管道及周邊地形地貌的探測成像結果，圖像不僅清晰的反映了海底管道的位置、大致狀態，以及周邊海底地形地貌狀況，而且通過深入解析，可以獲得管道狀態的細節信息[7，10-11]。如，測量SAS與管道的距離、工作高度和管道陰影的長度就可以計算出管道相對于海底的高度;對于半掩埋的管道，則可采用雙側掃測的方式，利用聲波入射角度計算管道出露部分的更大寬度[10]。另外，圖1中SAS對于管道旁邊的線繩也能夠清晰成像，顯示了其對小目標的成像能力，圖2則清晰反映了管道被礫石覆蓋的狀況。

    2010年中科院聲學所在渤海埕北油田開展了雙頻合成孔徑聲納工程樣機海試。該工程樣機指標為測繪帶寬600m，距離向成像分辨率優于0.02m，沿航跡方向成像分辨率優于0.05m，對尺度0.2m的目標可清晰成像[8]。對海底掩埋管線的探測成像結果見圖3，低頻SAS對海底掩埋管線清晰成像，高頻SAS對海底面的掃測結果則顯示了管線掩埋后留下的痕跡，進一步證實了低頻SAS的探測結果。

　　還有研究表明，SAS對于線繩、塑料等聲學阻抗較大難以探測的非金屬材料也能夠很好的成像[7，10-11]。隨著材料科學的發展，海底管線的材質也在探索向抗壓、耐腐蝕、耐磨損的非金屬材料發展，SAS成像技術也為解決非金屬管線的探測問題提供了一種潛在的 *** [12]。

　　牟健等將SHADOWS合成孔徑聲納系統與EdgeTech2400側掃聲納、SeaBat8150深海多波束系統和SIS-3000深拖系統(拖體包括高分辨率測深側掃聲納和淺地層剖面儀)進行了海上對比試驗[13-14]。結果表明，SAS在圖像分辨率、成圖效果、對目標物定位精度和圖像鑲嵌效果等方面均優于傳統側掃聲納，深海多波束系統可以獲取精度很高的大范圍水深數據，但在地形地貌的分辨率探測方面沒有優勢[14];SAS的測量精度和分辨率比深拖高，但深拖可以探測海底以下的淺地層結構，而試驗使用的SAS則沒有這個功能[13]。實際工作時，往往需要先進行多波束測量，了解工作海域的海底地形地貌，再選擇合適的設備進行精細測量[15-16]。

　　2013年起國家海洋局北海海洋技術保障中心聯合蘇州桑泰海洋儀器研發公司等12家單位開展了海洋公益性行業科研專項“海底管道探測技術集成及風險評估技術研究與示范應用”項目的研究工作，擬建立一套以雙頻合成孔徑聲納技術為主的多功能高效海底管道和地形地貌探測系統，實現對海底管道的高效、高分辨率探測。

四、SAS 在實際應用中存在的問題

　　從SAS成像原理來看，SAS是將勻速運動的小尺寸基陣等效為大尺寸基陣以提高目標方位分辨率的，其成像模型包括三方面的假設：①忽略介質擾動，聲速保持恒定，信號沿一條直線傳播，傳播延時正比于目標距平臺的距離;②假定每個目標的復反射率穩定，不隨視角不同而改變;③假定SAS平臺在發射和接收信號時是靜止的[6]。

　　然而，實際應用時，這種成像方式受到載體運動軌跡誤差及介質起伏的嚴重影響[4，6]。首先，風浪及船舶操縱等因素會造成拖體偏離理想直線航跡，由于運動誤差而對SAS成像產生影響。其次，SAS要想獲得較高分辨率和較遠作用距離，就必須降低載體速度，但低速又很難保證SAS載體沿航跡前進。再者，SAS載體速度與聲速不匹配，當SAS接收信號時，載體已經運行了一段距離，從而造成信號處理困難。為解決這些問題，研究者采用了一系列的信號處理措施。例如，采用高穩定度的載體作為SAS平臺，以及采用運動補償措施，來消除或者抑制運動誤差;采用多子陣SAS解決SAS速率問題，采用“停-走-停”模式或者精確計算收放時延內陣列的運動的 *** ，解決收放不共點問題等。但海洋水聲環境的復雜性仍舊是制約SAS成像質量進一步提高的關鍵因素，仍需要不斷的研究探索。

　　另外，研究也發現，作業方式的不同對于成像結果也有一定的影響。2009年HISAS 1030型SAS在挪威西海岸海域進行的探測應用中，為獲得更加全面準確的成像結果，研究者采用了平行管道雙側探測和垂直管道探測兩種方式，將兩種成像結果進行比較卻發現，兩種方式獲得的管道形狀信息有所差異[10]。究其原因大致有三方面：①采用雙側探測時由于兩側的探測高度不同，聲波反射高度不同，引起的干涉作用或者管道峰值探測誤差導致反射信號的拖尾效應;②側向探測時沒有接收到管道頂部的反射信號;③側向探測時海底表面的反射作用對成像結果產生較大影響。

　　因此，SAS技術的深入發展還需要進一步完善SAS信號處理 *** ，更多的掌握水聲環境復雜性對信號的影響規律，并且不斷開展海上試驗以探索更科學合理的操作 *** 。對于用戶來講，SAS是一種全新的技術，在實際工作的應用中，面臨著系統操作仍需積累經驗、系統功能有待熟悉和挖掘、圖像后處理 *** 需要學習等問題[17]。對于新上市的商業機來說，有目的針對性的系統設計和集成 *** ，以及應用便捷性和用戶友好性則是生產廠家不容忽視問題，現階段高昂的價格也是制約SAS推廣應用的一個重要因素。

五、結束語

　　SAS技術發展至今，已步入市場化進程，主要應用于水下地形地貌勘測、小目標搜索、水下構筑物調查、石油開采、水下考古等方面，顯示出在高精度探測方面的優勢。然而，該技術在海底管道探測方面的應用還處于起步階段，受海洋水聲和動力環境的影響，在圖像處理、作業方式，甚至SAS載體選擇等方面仍需要進行深入研究。如果能進一步克服海洋環境的影響，充分發揮該技術在原理上的獨到特點，相信其在海底管道探測方面的應用前景不可低估。特別是當高低雙頻SAS進入市場后，可以大幅度提高海底管道探測的效率和準確度，在海底管道維護管理、溢油應急事件處理等方面發揮重要作用。

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