0 引　言

由于海管、海缆运行过程或铺设过程中受到物理、化学、机械等因素的影响，管道可能会存在不同程度的腐蚀、损伤、变形、冲刷、偏移、悬跨等各种缺陷和现象。为了保证作业安全和防止海洋环境污染，需要定期对海管、海缆进行路由勘察并评估其服役状况，及时了解海底管道运行中的实际情况，并根据检测结果采取相应的措施，保障管道安全、正常的运行^[1-2]。

1 现有海管外检设备^[2-4]

1）DGPS（差分GPS）

主要用于导航，并将位置信息实时传输给导航电脑、侧扫声呐、单波束测深仪、浅地层剖面仪、多波束测深系统等勘察设备。

2）多波束测深仪

其原理是利用对各个波束测点的空间位置归算，获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据，再通过声学成像算法，获取海底地貌特征数据，用不同色差的渲染来表达海底地形，从而得到路由区域三维地形、地貌以及水深信息。

海管在铺设施工过程中，会对海底地形地貌产生一定的扰动，对于海管的裸露部分或周围扰动区域就能比较清晰地在声学成像图中得以体现。

3）侧扫声呐

侧扫声呐与多波束测深仪的区别是实现波束空间的粗略定向，获取的是海底目标的相对回波强度信息，通过综合了声学、声波转换技术、数字信号处理技术、导航定位技术和计算机技术等技术，以较高的声学分辨率对海底地貌成像，反映海底地貌、探测目标物的几何特征等信息。

4）浅地层剖面仪

浅地层剖面仪通过换能器向水下铅直发射大功率低频脉冲的声波，声波在地层中传播，根据不同地层反射的声波反映出地层的剖面程度，以垂直纵向剖面图形反映浅地层内部结构，其主要特点是探测记录海底浅地层组织结构，具有较好的分辨率，可执行探测水下浅部地层结构和构造的任务。浅地层剖面仪生成的图像可用于辨识浅部地层产状、内部分层结构，海底地质断层等，而且还能够判断如海底管道、光缆等与海床的埋深空间关系和位置等信息。

5）单波束侧深仪

将超声波换能器置于水面或一定位置，利用超声波在水中的固定声速V和超声波发射到接收的时间T，仪器自动算出水深H，常用于水文测量。

现有的路由、悬跨、形变、障碍物等外检测步骤一般为：

1）将多波束测深仪、侧扫声呐等声学设备提前在岸边安装在拖船上，如图1所示。

2）DGPS系统进行初始对准，并将初始位置信息发送至各测量仪器，各测量仪器进行初始参数设定；

3）拖船航行至测量水域，按照DGPS给出的定位/导航信息进行航行，各测量仪器以拖鱼形式进行扫海测量；

4）在扫海作业时，拖船应密切观测DGPS及避碰系统的信息，确保安全航行在任务航道；拖船值班人员还要对测量中发生的各种异常和变化，做好记录（如换线、信号异常、风浪变化等），以便在数据处理时进行分析和修正；

5）扫海任务完成后下载各测量仪器的数据并进行拼图及修正处理，得到各声学成像图，供技术人员分析。

综上所述，可以总结出现有的外检测方法的主要缺点如下：

1）设备繁多，步骤复杂。在外检测勘查作业中，需要动用一艘拖船，并需耗费一定的工时安装种类繁多的声学探测设备。这些仪器设备各有专长，互为补充，但功能单一。只能胜任某一项外检测内容。为完成内容较多的外检测勘探任务，拖船需要往复航行多个航次。

2）限制条件多。从上述勘测步骤可以看出，侧扫声呐等多种声学仪器是以“拖鱼”的形式临时安装在拖船上的。“拖鱼”与拖船之间以“拖绳”进行软性连接。由于拖绳的限制使得这种外检测方式在执行100 m以上水深海管外检测任务时，易受到海况较差、航道拥堵等外部因素的影响，作业窗口期较窄。

3）精度差。声学传感器工作时，要求搭载的拖鱼“三轴”高精度稳定，以保证声学成像设备能够得“拍摄到”高清声学“照片”，为后续技术人员的读图分析打下基础。而拖船以“软绳”拖曳拖鱼这种工作方式必然会造成在较高海况或受到外界因素干扰的情况下拖鱼“三轴姿态失稳”，这不利于声学设备的高清成像。

4）自动化程度低，检测成本高。现有的勘测作业需要拖船上大量人员从事导航、控制、船舶驾驶、参数设置、状态监测、海情海况观察、声学设备布放回收等工作，自动化程度低，耗费大量人工工时。现有各传感器功能单一、精度差，往往需要航行多个任务航次才能得到相对理想的勘测结果，成本高昂。

2 AUV执行海管外检特点分析

为了满足日益增加的海管外检测需求。国外海洋石油公司加快了研发新一代无人水下航行器的研发工作，国外已经有几型产品服务于海管外检市场。这种可搭载多种声、光载荷可自主执行检测任务的AUV较传统的“拖鱼”扫海形式具有以下的优势：

1）模块化设计，可装配多类声学传感器。典型的AUV为模块化设计，通过换装搭载不同声学载荷的功能舱段，可完成不同的勘测任务。搭载的“中低频合成孔径声呐”等声学载荷可对裸露/浅掩埋的海管进行比较高清的声学成像，搭载的“高频合成孔径声呐”可对裸露海管进行高清成像，以判别弯折、形变、路由走向、裸露或掩埋情况、悬跨、异物等故障现象；搭载的“多波束测深仪”可勘测海管附近地形、地貌及水深；CTD可收集海域的水文数据，为海管的日常维护及海管铺设提供水文资料参考；“水下高清摄像机”可提供水下高清视频/图片资料；“低频三维成像声纳”具有较强穿透能力，可探测深埋海管埋深及海底地质。

2）自动化程度高，航行姿态稳定，连续工作时间长。AUV由吊机等设备吊放至水面后，可自行按照预置航路信息进行航行并自动开启搭载的声学设备进行勘测作业。在航行过程中，AUV通过水声通信向岸上或支援船发送状态信息，勘测作业完成后，AUV自动上浮并通过无线电通信发送位置信息，回收人员回收。AUV具有高精度三轴姿态稳定航行控制能力，并可为各类传感器提供速度、位置、姿态、航深、水文等多类信息，以便于后期进行数据优化处理，是多类高精度声学传感器的最理想载体；国外典型海管外检用AUV航深可达500−1000 m，可满足大部分区域的海管外检需求。AUV装备有可充电的二次锂电池，可以连续航行数十小时，上浮后可快速换装电池，具有较好的大深度连续工作能力。

3）成本及人员风险低。AUV由于自动化程度高且无人航行，使得在勘测作业中人员需求少。由于其无人自主航行的特点，最多仅需一艘保障船搭载相关设备接收水声信号以监测AUV工作状态。该船仅需部署在AUV水声通信距离范围内，与现有拖船在勘测过程中全程拖曳“拖鱼”这种传统外检测形式相比，无疑大大减少成本及人员以外风险。

3 典型地质声学图像特征

AUV利用搭载的合成孔径声呐等声学载荷完成对目标海域的探测扫描，可以得到以下典型地质（目标）的声学图像特征。搭载合成孔径声呐的AUV如图2所示。

1）水底地形地貌

合成孔径声呐是一种新型高分辨率的水下成像声纳，基本原理是利用小孔径基阵随AUV平台在方位向做匀速直线运动，发射声波并接受回波，对合成虚拟大孔径内的声学回波数据进行相干处理，从而实现对观测区域的高分辨率成像，其优点是分辨率与工作频率和距离无关^[5]。水底由于物理性质的差异，在受到洋流等影响下，产生条（带）状、月牙形等斑块状。凸出的条（带）状、岩石等硬质底质能够反射回较多的声学回波，因此在声学成像图中显示成高亮。而凹陷的区域由于反射回较少的声学回波则显示成较暗的图像。图3为在试验湖底的地形地貌特征，可以看到高亮呈现的带状凸起、岩石底质和较暗的凹陷区域。

2）水底异物

和成孔径声呐可以得到清晰的水底异物的声学成像图，通过图像处理可以得到异物的几何尺寸，方便工程人员进行辨别。图4为预先布放在湖底的受测目标，图5为该目标的声学成像图。

3）掩埋物体

对于水下埋深1 m以内的物体，利用AUV搭载的中低频合成孔径声呐也可获得较清晰的声学成像图，可用于浅掩埋的海管外检测任务。图6为埋深1 m钢管的声学成像图。

4 结　语

利用模块化设计的AUV可以搭载不同的声学载荷执行海管外检测任务：利用和成孔径声呐可以获得水底目标清晰的声学成像图，通过读图可以确定目标的性质、尺寸、位置及周围的地形地貌的变化；利用多波束测深仪可以获得精确的水深变化。此外AUV还具有使用成本低、适用范围广、作业风险低的特点，可以大大提高海管外检测的工程质量。