王兆衛(wèi)，沈永芳

（1.上海交大?？茩z測技術(shù)有限公司，上海 200231；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

沉管隧道管節(jié)沉放對(duì)接是施工關(guān)鍵工序之一，管節(jié)對(duì)接后如偏差過大，會(huì)引起服役期間接頭滲漏水[1-2]。由于水下施工屬于隱蔽工程，肉眼不可見，水下智能監(jiān)測技術(shù)對(duì)于保障管節(jié)沉放對(duì)接具有至關(guān)重要的作用。管節(jié)沉放對(duì)接主要監(jiān)測方法有測量塔定位法、水下聲吶測量定位法和水下拉線法等[3-5]。測量塔法一般用于淺水區(qū)管節(jié)的沉放定位，管節(jié)在浮運(yùn)沉放全過程中，測量塔的頂端始終露出水面，由于測量塔和管節(jié)被視為一個(gè)剛體，因此通過跟蹤測量塔的位置就可以換算水中管節(jié)的姿態(tài)。聲吶定位測量系統(tǒng)用于測量已待管節(jié)和已沉管節(jié)兩個(gè)對(duì)接面的精確位置，屬于相對(duì)定位法，通過發(fā)射端換能器把電信號(hào)變成聲信號(hào)，在水中傳遞直至被接收端捕獲，根據(jù)水中傳遞時(shí)間計(jì)算確定相對(duì)距離。拉線法也屬于相對(duì)定位方法，拉線測量單元固定在待沉沉管的連接端，伸出一根金屬線盒與已沉管節(jié)相連接，金屬線由恒壓工作的恒張力電動(dòng)機(jī)牽引，金屬線一旦松弛或釋放過快，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出報(bào)警。

無論聲吶法還是拉線法，在近距離位移監(jiān)測時(shí)都會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的信號(hào)干擾，導(dǎo)致測量精度較低。測量塔法則適用于淺水區(qū)域，在外海建造的沉管隧道由于水深大而無測量塔。開發(fā)高精度的基于灰度重心算法原理的水下激光測量技術(shù)，作為水下工程重要技術(shù)之一，有助于提升沉管隧道對(duì)接效率、提高對(duì)接精度，對(duì)保障施工安全質(zhì)量和促進(jìn)沉管法隧道的發(fā)展具有重要作用。

1 灰度重心算法原理

灰度重心法是一種亞像素精度的光斑中心提取算法，其原理是計(jì)算圖像中光線灰度分布的重心位置[6]。對(duì)于亮度不均勻的目標(biāo)（如光斑，光條紋），灰度重心法可按目標(biāo)光強(qiáng)分布求出光強(qiáng)權(quán)重質(zhì)心坐標(biāo)作為跟蹤點(diǎn)。當(dāng)圖像光帶灰度值成高斯分布時(shí)，灰度重心法提取光帶中心效果最理想，且對(duì)光帶截面橫向平移不敏感，計(jì)算速度較快?；叶戎匦姆ò衙恳恍杏?jì)算出的光帶灰度重心的橫坐標(biāo)作為其光帶中心位置，利用灰度為權(quán)值的加權(quán)型。在大小為M·N的灰度圖像中，設(shè)光斑的灰度權(quán)值為S（i，j），對(duì)于超過閾值T的均參與重心處理，則灰度重心法計(jì)算的光斑（x0，y0）為：

采用灰度重心法不需要對(duì)圖形進(jìn)行二值化，在目標(biāo)和背景具有較大的灰階差距時(shí)具有很好的定位效果，若目標(biāo)灰度值較大、背景灰度值較小，使用灰度重心法可以計(jì)算得到較為精確的光斑中心坐標(biāo)。

2 激光位移監(jiān)測系統(tǒng)與模型試驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)沉管沉放對(duì)接方案，在已沉放管節(jié)或暗埋段結(jié)構(gòu)物對(duì)接端面上設(shè)計(jì)布置4個(gè)激光發(fā)射器，在待沉放管節(jié)移動(dòng)端上布設(shè)4個(gè)攝像水箱，激光發(fā)射器與攝像水箱一一對(duì)應(yīng)。固定端激光發(fā)射器采用藍(lán)綠激光，并確保安裝垂直。安裝移動(dòng)端之前，將水箱充滿清水并完全密閉，以提高水箱內(nèi)攝像系統(tǒng)讀數(shù)效果。水箱激光靶采用透光性和聚光性較高的材料。

用電纜連接水箱和計(jì)算機(jī)，工程人員在測量塔上方接收數(shù)據(jù)，監(jiān)測管節(jié)對(duì)接姿態(tài)。為減小淤泥對(duì)激光光束的影響，激光發(fā)射器和水箱布置在管節(jié)端面腰線以上，沿中軸線對(duì)稱布置。為方便安裝和布線，需提前在鋼封門焊接穿艙件，并滿足水密性要求。電纜從水箱之中的攝像系統(tǒng)引出，經(jīng)穿艙件進(jìn)入管節(jié)內(nèi)部，再通過管節(jié)上方人孔引出至測量塔。

2.2 模型試驗(yàn)研究

模型試驗(yàn)研究目的是驗(yàn)證激光攝像系統(tǒng)在水下位移監(jiān)測功能和測量精度。試驗(yàn)分為兩部分，第一部分在1.5m×3.5m水槽中進(jìn)行試驗(yàn)，研究激光光源距離對(duì)測量精度影響、實(shí)際移動(dòng)距離與測量值偏差以及光學(xué)折射對(duì)測量精度的影響。第二部分是水池聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)，驗(yàn)證激光-攝像水箱和測距聲吶組成的近距離姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的功能性和精度，為實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2.2.1 水槽激光位移監(jiān)測試驗(yàn)

如圖1所示，在水槽一端放置激光發(fā)射器，激光發(fā)射器安裝在可水平和垂直移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌標(biāo)記有刻度。水槽另一端布置水箱，水箱尺寸40cm×40cm×40cm的立方體，表面是帶有刻度的透光板，水箱安裝在可以前后移動(dòng)的導(dǎo)軌上。

圖1 激光-攝像水箱位移監(jiān)測精度試驗(yàn)（a）試驗(yàn)裝置；（b）數(shù)顯系統(tǒng)

試驗(yàn)采用控制變量法，首先水箱距離激光發(fā)射器3m，激光光束打在水箱中心，保持激光發(fā)射器y向（垂向）不變，移動(dòng)x方向。同理，保持x方向不變，移動(dòng)y方向。分別試驗(yàn)3m、2m和1m距離。

除了精度試驗(yàn)外，還針對(duì)透光板材料選型進(jìn)行試驗(yàn)。透光板主要有兩種材料，一種是聚酯板（PC板），另一種是有機(jī)玻璃板。PC板對(duì)光源的聚集效果更好，但是剛度小，在水壓或溫度作用下，容易發(fā)生變形。有機(jī)玻璃板透光性較好，但是在光斑容易發(fā)散，導(dǎo)致識(shí)別光斑時(shí)出現(xiàn)誤差。

基于灰度重心算法的激光位移監(jiān)測技術(shù)可以計(jì)算得到較為精確的光斑中心坐標(biāo)。該方法對(duì)背景對(duì)比要求高，選擇顏色較深、透光性弱、聚光型強(qiáng)的水箱激光靶材料，可與激光光斑形成鮮明對(duì)比，提高監(jiān)測效果。

2.2.2 水池調(diào)試試驗(yàn)

制作管節(jié)移動(dòng)端和固定端縮尺模型，在移動(dòng)端管節(jié)模型上安裝4個(gè)攝像水箱和1個(gè)測距聲吶，在固定端管節(jié)模型上安裝4個(gè)激光發(fā)射器。移動(dòng)端管節(jié)模型固定在試驗(yàn)水池面移動(dòng)桁車上，固定端模型固定在水池壁水面以下，通過桁車水平移動(dòng)和定滑輪吊放管節(jié)垂直運(yùn)動(dòng)，模擬管節(jié)沉放對(duì)接過程。如圖2所示，（a）是管節(jié)移動(dòng)端模型，（b）是四個(gè)攝像水箱顯示系統(tǒng)。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場（a）移動(dòng)端模型；（b）顯示系統(tǒng)

從水箱中攝像系統(tǒng)中不難發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)攝像水箱顯示較暗，讀數(shù)不明顯，主要原因是未在該水箱邊緣安裝光帶。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光發(fā)射器距離水箱5m以上，如果激光發(fā)射器安裝存在的微小偏差，光束未水平發(fā)射，將導(dǎo)致激光光束發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，無法與水箱十字中心完全對(duì)中。

3 結(jié)語

本文針對(duì)沉管法隧道沉放對(duì)接監(jiān)測的高標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了采用激光位移測量方法，并對(duì)該方法原理、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，主要有以下結(jié)論：

（1）沉管隧道管節(jié)沉放對(duì)接監(jiān)測技術(shù)一直是技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了激光位移監(jiān)測系統(tǒng)，通過合理的安裝和布線，提高實(shí)際管節(jié)沉放對(duì)接監(jiān)測中操作性和便捷性。

（2）經(jīng)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原本可監(jiān)測水平和垂向40cm范圍的位移變化量，由于光在水中折射的影響，x方向和y方向量程均發(fā)生了不同程度縮小。其中，x方向縮小了20%，y方向縮小了近40%。激光光源距離對(duì)監(jiān)測精度的影響不大，數(shù)顯系統(tǒng)的讀數(shù)變化與激光發(fā)射器實(shí)際移動(dòng)距離基本保持線性關(guān)系。

（3）經(jīng)水池聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)可以分析得到，監(jiān)測設(shè)備的安裝效果對(duì)結(jié)果影響很大。激光發(fā)射器的安裝微小角度偏差，激光光束將不再水平，會(huì)隨著距離的增加，發(fā)射偏離的距離也越大，甚至水箱無法接收到激光信號(hào)。

清水、渾水、靜水、動(dòng)水等復(fù)雜水下環(huán)境下激光的穿透能力以及對(duì)攝影位移測量精度影響還有待進(jìn)一步研究。