侧扫声呐与多波束系统在海上升压站冲刷检测中的应用

摘要：“十四五”规划推动我国海上风电基地化、集群化发展。海上升压站作为海上风电场的核心设施，其桩基及周边海床受海洋动力（洋流、波浪等）影响易形成局部冲刷，导致基础结构稳定性下降，引发海缆悬空、断裂等事故。因此对海上升压站基础冲刷进行监测，对风电场稳定、安全运行具有重要意义。本文通过侧扫声呐与多波束系统在江苏某升压站基础冲刷检测的应用实例，为海上风场冲刷检测提供了重要借鉴。

关键词：海上升压站、多波束测深系统、侧扫声呐、海缆检测

引言

截至2024年，中国海上风电累计装机容量占全球50%以上，连续多年保持全球第一。2023年新增装机6.32GW，占全球新增量的58.36%，2025年预计全球新增装机将达25.4GW。在如此体量的项目背景下，海上风电场的安全运维变得尤为重要。侧扫声呐与多波束声呐作为海洋测绘的核心技术，分别通过二维地貌成像与三维地形测量实现海底环境的精细化探测。为海底冲刷及线缆裸露状态检测提供了可靠的方法，为风电场的维护提供了可靠的数据支撑。

1、设备测量原理

1.1侧扫声呐系统

本次使用美国Klein Marine Systems公司推出的Klein 3900侧扫声呐，支持低频445kHz：最大探测距离150米，适用于远距离地形扫测。高频900kHz：最大探测距离50米，分辨率更高，适合精细目标识别。双频为可选切换模式，非同时工作。在地貌解释时，对同一个地貌类型的确定应采用多个方向、多种记录、多次比较法，力求有准确的坐标位置。在微地貌类型分类中，一方面根据侧扫声呐图象的灰度和形态，另一方面也参考了水声学中声波在海底不同介质中的反射、散射原理，结合该海区海洋动力因素，力求更好地把握住海底冲刷、淤积等方面的特点。根据海底物体的阴影利用高度计和斜距改正可以计算物体的高度。

1.2多波束测深系统

多波束测深是一种通过声波探测水下地形的高效方法，其核心原理基于声波发射与接收的阵列技术。系统工作时，发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波（覆盖角度可达160°），随后接收换能器阵列以窄波束形式接收反射信号，通过发射与接收波束的正交性形成对海底的“照射脚印”。每个脚印对应一个水深点，一次探测可获取垂直于航线的数百个测深点数据，实现“线到面”的覆盖测量。

关键技术包括相控阵波束形成技术，通过调整传感器相位和振幅控制声波方向，同时生成多个独立波束（如512个波束），覆盖不同区域 。结合辅助设备（如GNSS定位、姿态仪、声速剖面仪等）修正位置、姿态及声速误差，确保数据精度（波束角小至1°，水深误差可控制在厘米级）。最终通过后处理软件将高密度测深点（如每ping上千点）合成三维地形模型，分辨率远超单波束的“点到线”测量，适用于航道测绘、水下结构物探测等场景。

2、检测应用

2.1工程概况

滨海北H2#海上风电项目位于滨海北部的中山河口至滨海港之间的近海海域，在已开工的国家电投集团滨海北区H1海上风电项目东北侧，离岸距离22km，海底地形变化平缓，水深15m～18m。针对滨海北H2#海上升压站检查海底冲刷和堆积情况、结构沉降情况、海管悬空情况并对导管架的海床周围进行调查，是否有残骸、杂物等。

2.2检测流程

依据《多波束测深系统测量技术要求》、国家标准《海道测量规范》、交通部标准《水运工程测量规范》。根据船舶吃水、海况等，将侧扫声呐和多波束系统安装于船右舷距船头三分之一处。首先使用侧扫声呐，按照#形将升压站四周进行多次扫测。在侧扫结束后开始声速剖面采集，并调试连接多波束测深系统，连接换能器探头、姿态仪、GPS。进行校准线扫测。利用导航软件按设计测线进行测量并实时修正航向、航速。利用姿态仪和定位设备实现换能器姿态实时修正和点位实时获取。利用专业数据采集软件实现水下地形实时动态测量，将桩基础周边目标区域范围进行全覆盖扫测。

3、数据处理及分析

测深数据处理使用HIPS and SIPS和Hypack专用软件包，该软件包可以处理超大量的水深测量数据，实现数据的清理、剔除错误，并根据给定参数进行原始数 据的改正，然后对数据进行计算、描述和制图。经过各项改正后的水深数据，通 过该软件包生成水深数据图、三维数字模型（DTM）图，并根据测图比例，生成 网格水深数据文件。再采用Autodesk ReCap 、Autodesk AutoCAD 、Golden Surfer等软件对水深网格数据进行图形和图像的绘制与处理。

由图3可以看出海底冲刷和堆积情况：经过对多波束点云图像的判读，场区扫测范围内地势平坦，未发现明显障碍物，测区海底高程在-20.1m～17.3m 之间，升压站底部发生冲刷现象，冲刷坑深度约3m，监测范围内主要冲蚀走向为东南向。升压站北侧及东侧2根导管架基础下方冲刷坑较大，冲刷坑直径约5m。

Klein 3900侧扫声呐XTF数据文件采用SonarPro软件进行处理。将采集的地貌数据导入SonarPro软件中进行回放，提取发现的海底沉锚或可疑目标坐标和尺寸，生成地貌图。对侧扫声呐数据进行偏移量改正、倾斜改正、TVG 调节等必要的处理，提取地貌图像中发现的点状、线状目标，并同时生成镶嵌图，方便对整个测量区域的地貌进行全面的比较和了解。

由图4可以清楚看到，升压站两侧通过J形管进入升压站的线缆，通过对图像的判读可得出海底导管架、钢管桩、海底管道均未发生悬空情况，导管架海床周围未发现残骸、杂物等。

4、结论

多波束与侧扫声呐结合在风电升压站地形检测中具有显著优势，体现在高精度数据互补性与全场景覆盖能力两方面。多波束声呐通过扇区声波发射实现高分辨率三维地形测绘，能够量化分析升压站桩基周边冲刷深度（如案例中冲刷坑约5米）及填方量，生成等深线图和三维点云模型，精准反映海底地形动态变化。侧扫声呐则通过双频声波扫描提供二维地貌图像，可清晰识别升压站放射状电缆的裸露、悬空状态及冲刷沟壑边界，其图像分辨率达厘米级，有效捕捉微小地形异常。二者协同作业时，侧扫声呐的宽扫范围（单侧覆盖）与多波束的全覆盖测量形成空间互补，假如再结合浅地层剖面仪数据，可同步评估海底电缆埋深（如浅剖仪提取埋深坐标）与地质风险，实现升压站周边“地形-地貌-地层”三位一体的综合分析 。此外，通过数据融合算法和姿态校正技术，可消除设备运动误差，提升目标定位精度至±0.1米，显著优化运维决策效率。这种技术组合已成为我国海上风电工程地形监测的主流方案。

参考文献

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