李碩 劉曉英

（1.國防大學 北京市 100856 2.武漢第二船舶設計研究所 湖北省武漢市 266102）

聲吶又被稱作“聲納”，是根據(jù)英文縮寫“SONAR”經(jīng)過中文音譯而來的，這是一種借助聲波在水下環(huán)境中表現(xiàn)出的放射性和傳播性，結(jié)合信息處理與電聲轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)導航與測距的現(xiàn)代技術(shù)[1]。另一種含義就是借助聲吶技術(shù)探測水下目標的位置、性質(zhì)、運行方向等信息的通訊電子設備，在水聲學中屬于應用范圍最廣的一種重要裝置。聲吶技術(shù)在近20 年的時間里不斷進步，即便是在非接觸情況下也能快速測量獲水下目標的尺寸信息，獲得相對于聲吶的方位信息，在水下結(jié)構(gòu)探測中實現(xiàn)了越來越深入的應用。聲吶技術(shù)可根據(jù)探測成果不同的表現(xiàn)形式分為二維和三維，前者只能生成基于二維平面的圖像，應用較多的是避碰聲吶、側(cè)掃聲吶、剖面聲吶這幾種；后者可以生成三維點云，應用較多的是三維掃描聲吶、多波束測探聲吶和三維實時聲吶。

1 水下結(jié)構(gòu)探測難點

水下結(jié)構(gòu)探測往往分為人工探測和設備探測兩種：水下結(jié)構(gòu)人工探測很容易受到各種客觀條件的限制，比如作業(yè)條件限制，水下能見度低、水流過急等；作業(yè)時間限制，大面積探測任務所需時間與潛水作業(yè)不相符；作業(yè)深度限制，大壩、水庫等有一定蓄水深度的任務就無法通過人工探測完成；主觀因素限制，潛水員的專業(yè)知識水平以及對水下結(jié)構(gòu)的熟悉度，最終成像的準確性與可靠性都將受到主觀因素影響。

水下結(jié)構(gòu)探測使用到聲學、光學設備的時候，主要應用于裂縫、銹蝕、滲漏、淤積、沖坑這類問題的探測，但往往只能給出定性層面的結(jié)果，給不來精確的定量結(jié)果。比如操作簡單的水下攝像最終的探測結(jié)果全依賴于相機成像效果，并且會直接受到水質(zhì)情況影響；比如激光成像法，由于激光的散射能量在水下環(huán)境會出現(xiàn)較大的損耗，因此不能大范圍成像，只能定點檢查。多波束聲信號到達垂直面后，換能器將吸收小部分原路反射的信號，絕大部分信號將因為垂直面的不平整而直接反射到底面，經(jīng)過二次反射的聲信號會再次捕捉到接受換能器中，所以垂直面就有空白的聲信號區(qū)域，干擾探測判斷，不能斷定這就是因為沖刷淘蝕引起的[2]。側(cè)掃聲吶獲得的地貌聲圖是二維平面的，無法精準的量化淘蝕范圍和沖刷缺陷的尺寸 。本文的研究主要圍繞三維聲吶技術(shù)展開，這是一種具有安裝便捷、操作簡單、實時性觀察的水下結(jié)構(gòu)三維圖像探測技術(shù)。

2 三維聲吶系統(tǒng)

三維聲吶系統(tǒng)是一種水下全景掃描成像檢測技術(shù)，通過發(fā)揮聲吶可穿透表面附著物的優(yōu)勢，最終生成分辨率更高的3D 全景圖像。工作原理是圍繞三維成像聲吶系統(tǒng)，在既定探測區(qū)域內(nèi)向外發(fā)射聲信號，通過聲成像方法來處理接收到的回波信號，從而生產(chǎn)各個方位的二維圖像，以探測目標為中心采集代表其外形輪廓的方向性數(shù)據(jù)，即水平（X）、垂直（Y）和高度（Z）[3]。每一次成像過程都能一并獲得距離信息和振幅信息，將這兩個信息生成的圖像通過計算合成，然后形成三維圖像，見圖1。

圖1：三維聲吶檢測原理示意圖

2.1 BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng)介紹

BV5000‐1350 這款主要用于水下探測的三維聲吶系統(tǒng)在功能上與陸地三維激光掃描儀相似，能夠生成像光學全系效果的水下目標三維圖像。該系統(tǒng)對目標物外形輪廓三個方向數(shù)據(jù)的獲取是通過旋轉(zhuǎn)二維面陣實現(xiàn)的，還能一并獲得目標物相關(guān)的材質(zhì)信息，實時的最終生成目標物的三維立體圖像[4]。即便在地形復雜、含沙量大、能見度低的水域環(huán)境中也能正常工作，加之質(zhì)量輕、體積小，可與多種ROV、AUV進行裝載結(jié)合，用于水下三維結(jié)構(gòu)物、管道、堤壩的探測。

2.2 BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成主要包括軟件與硬件兩個部分，前者指的是第三方軟件及相關(guān)驅(qū)動程序，后者指的是云臺、接線盒、聲吶頭、數(shù)據(jù)傳輸纜線等，專用纜線將聲吶頭和云臺連接到接線盒中，基于以太網(wǎng)和USB傳輸線建立接線盒與計算機之間的聯(lián)系，讓計算機保持與聲吶和云臺通信暢通。

BV5000‐1350 水下三維聲吶系統(tǒng)儀器設備見圖2，表1為設備主要技術(shù)參數(shù)。

圖2：BV5000-1350 水下三維聲吶系統(tǒng)

表1：BV5000‐1350 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

在處理BV5000‐1350 水下三維聲吶數(shù)據(jù)的過程中，可借助軟件設定功能，讓同一站位所采集的點云數(shù)據(jù)智能化合并，提升三維點云數(shù)據(jù)的可靠性；針對相鄰站位采集到的三維點云數(shù)據(jù)匹配工作，可將不同檢測數(shù)據(jù)之間的特征物作為參考標準，從不同站位去合并三維點云數(shù)據(jù)[5]。借助專業(yè)點云軟件的數(shù)據(jù)處理功能，來請除錯點，刪除噪點，還能有效融合不同測站點之間的檢測數(shù)據(jù)，通過瀏覽、判讀最終的點云數(shù)據(jù)來再次核實精確測量的異常情況。

2.3 應用要點

BV5000‐1350 系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較好，反復測試后確定其能在30m 檢測范圍中的最大長度誤差為4cm，最大角度誤差為1°，現(xiàn)場檢測操作步驟主要有三：

2.3.1 設置測站

BV5000‐1350 系統(tǒng)只有30m 的有效探測范圍，要想獲得清晰的結(jié)構(gòu)物三維圖像就要從不同方位多設立幾個掃描站，采集多幅掃描圖像后再將其合成為一個完整的目標物[6]。測站設置依據(jù)通常包括目標物形狀、探測目的和目標物尺寸，為了更順利的拼接圖像，最好每個測站多設置幾個標靶，設置標靶和測站的原則是最近的兩個測站掃描范圍內(nèi)保證至少有3 個不撞線的同名標靶。

2.3.2 設置參數(shù)

需要設置的參數(shù)主要涉及待檢測水域的聲速值、水平層面的聲吶旋轉(zhuǎn)角度與轉(zhuǎn)速、掃描方式、輸出文件信息的存儲路徑等。

2.3.3 編輯點云圖像

經(jīng)過掃描獲得的點云數(shù)據(jù)在采用放大、旋轉(zhuǎn)、平移等方式處理后，可以得到不同角度的目標圖像，借助軟件功能對圖像進行拼接、去雜、建模處理。

2.4 適用性及應用范圍

相較于傳統(tǒng)的多波束聲吶，BV5000‐1350 聲吶系統(tǒng)最明顯的不同就在于分辨率更高，所以能更加細節(jié)化的描述水下目標結(jié)構(gòu)。

適用范圍有以下四個方面：一是探測水下結(jié)構(gòu)，通過聲吶系統(tǒng)探測水下橋墩、碼頭等水工建筑物的水下結(jié)構(gòu)，形成水下目標的三維全景圖像。二是檢測水底地貌，快速測量水下地形，生成分辨率極高的河道地形圖，基于對河床沖淤情況的掌握來科學的指導防洪加固工作。

三是水下測量工具，在有效測量范圍內(nèi)可將誤差控制在4cm 內(nèi)，可作為一種水下測量工具應用于工程方位與尺寸測量中。四是搜索殘骸，提供詳細的信息給水下沉船搜救工作，明確排除不明物體，提高探測效率。

為了確保三維全景成像聲吶系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)探測應用中獲取更為精準的數(shù)據(jù)，最終合成圖像達到理想的效果，有以下兩點需要注意：

2.4.1 聲吶固定

考慮到系統(tǒng)輸出的坐標是以水下目標表面為準的相對性數(shù)據(jù)，所以在掃描過程中要盡可能的避免聲吶受到各種干擾從而發(fā)生位移或者晃動，只要存在數(shù)據(jù)偏差就會影響最終的圖像成像[9]。在具體實踐過程固定聲吶系統(tǒng)所使用到的設備有ROV、AUV、三腳架和船載等，固定方式的選擇要根據(jù)具體的檢測環(huán)境與檢測目標物情況而定。

2.4.2 聲速值測定

BV5000‐1350 聲吶系統(tǒng)成像主要依賴于聲波原理，有聲波傳動來測量目標點和測站點的相距值，所以必須先獲取水下環(huán)境中聲波的傳播速度，要綜合考慮水的密度、水的溫度、水中壓力值等因素，通常情況下設置1500m/s 的聲波速度[10]。不過在水質(zhì)很差或者含沙量高的環(huán)境中，聲波傳播速度就會受到影響變得參差不齊，這種情況下最好參照聲速儀給出的水域聲速值。

3 三維聲吶技術(shù)聯(lián)合多波束的應用實例分析

以某個碼頭工程為例，使用三維聲吶聯(lián)合多波束技術(shù)測量工程基床前肩構(gòu)造以及安放沉箱的施工效果，以圖像化的形式呈現(xiàn)水下隱蔽工程，形象直觀的反映出整個工程面貌，從而為檢驗隱蔽工程與后期維護缺陷的順利開展提供可視化的可靠資料。

多波束測量技術(shù)應用于碼頭工程中有著精確度高的優(yōu)勢表現(xiàn)，可以對海床面地形情況作出準確直觀的判斷，這種功能可謂是港池、航道以及基床施工后最主要的檢測手段。三維聲吶系統(tǒng)水下目視檢測方法的選擇項包括水下照相、借助目力、錄像檢測等，總的來說目視檢測基于三維聲吶技術(shù)能夠在能見度低 、含沙量大或地形復雜的地區(qū)真實的呈現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)和周圍場景。下面將圍繞工程實例，探究三維聲吶技術(shù)聯(lián)合多波束應用于水下結(jié)構(gòu)檢測的效果，分析可視化施工對檢測和修復碼頭水下結(jié)構(gòu)的具體應用。

3.1 工程概況

位于某彎口東側(cè)的15 萬噸級通用泊位工程，總長度為349m，碼頭基床頂標高有‐19.50m，連片式方沉箱是主要的結(jié)構(gòu)形式，共計有18 個沉箱，每個沉箱尺寸的長寬高分別是18.75m、19.1m 和22.2m，趾長度為1m。完成沉箱安裝后，該工程因為外部客觀因素影響而停工1 年，停工前的進度剛剛止步于安裝碼頭前沿柵欄板。正式復工前，使用三維聲吶聯(lián)合多波束探測技術(shù)來全面檢查基床前肩以及沉箱安裝情況啊， 以便為展開后續(xù)施工和修復工程缺陷提供可視化資料。

3.2 工作原理

3.2.1 三維聲吶系統(tǒng)

水下三維聲吶系統(tǒng)（BV5000‐1350）第一步會借助聲吶頭將一個1.35MHZ 頻率的脈沖信號發(fā)射出去，在附近新成一個扇形掃描區(qū)域，面積范圍為45°*1°，單個脈沖中的聲學波束數(shù)量為265，按照相同的間隔將其統(tǒng)一的排列在垂直方向，最終形成固定的波束間距0.178°，把目標物的所有反射信號合成獲得一個2D 平面圖，計算機基于控制功能讓云臺進行360°旋轉(zhuǎn)收集數(shù)據(jù)，得到針對目標物的全方位細節(jié)位置信息，生成最終的3D 圖像。

三維系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括云臺、聲吶頭、數(shù)據(jù)傳輸電纜、接線盒等 。

3.2.2 多波束掃測

水深掃測中的動態(tài)定位所使用的設備是 產(chǎn)于美國的Trimble SPS461 信標機，所有數(shù)據(jù)的采集配合使用SeaBat T50‐P 寬帶多波束探測系統(tǒng)，采集所得數(shù)據(jù)將自動存儲于計算機中。在進行水深掃測的過程中要一并完成臨時潮位站，以便同步開展人工潮位觀測，在結(jié)束多波束探測后提供更正潮位的參考數(shù)據(jù)，保證水深掃測全覆蓋測量范圍。

3.3 探測內(nèi)容

基床前肩：對暗基床的標高、寬度和坡度等情況進行檢查，根據(jù)規(guī)范要求來判斷前肩寬度是否合理，有沒有出現(xiàn)局部欠拋或超高的情況。

沉箱安裝：對沉箱是否存在安裝碰損以及沉箱接縫寬度進行檢查，從定性層面分析沉箱接縫破損度，再從定量層面分析較大的接縫，逐一排查有著明顯異常的裂縫。

3.4 數(shù)據(jù)分析

3.4.1 沉箱安裝接縫

從北到南對18 個沉箱接縫寬度進行編號，通過分析BV5000‐1350 獲得數(shù)據(jù)，聯(lián)合對比實際測量尺寸，確定沉箱設計高度為22.2m，根據(jù)《水運工程驗收標準》規(guī)定的內(nèi)容判斷，超過10m 的沉箱高度最大的接縫寬度是8H/1000=177.6m[11]。

基于數(shù)據(jù)對比得知，18 個沉箱接縫中合格的有16 個（合格率89%），其中有明顯錯位的是9#接縫相鄰的沉箱，有長達20cm 的錯位。

確定了8#沉箱安裝接縫寬度，上半部位實際測量使用直尺即可完成，水下部分則應用三維聲吶系統(tǒng)獲得立體的圖像化結(jié)構(gòu)，由此來反映沉箱安裝質(zhì)量。經(jīng)過分析8#沉箱安裝數(shù)據(jù)可知，在未夯實的情況下，基床所發(fā)生的不均勻沉降可能導致沉箱之間出現(xiàn)較大的縫寬，甚至超出了規(guī)范所允許的偏差值。針對不合格的沉箱縫寬現(xiàn)象，要在后續(xù)后沿棱體拋石環(huán)節(jié)給予特殊處理。

3.4.2 沉箱前趾

三維聲吶系統(tǒng)探測沉箱前趾所獲得的3D 結(jié)構(gòu)圖像，能夠?qū)⒊料淝爸褐車鞣N堆積物清晰直觀的反映出來，顯示結(jié)果為整個前趾均被覆蓋，不管是從定量層面還是定性層面都無法分析施工效果，需要清除淤垢后再進行二次掃測。

3.4.3 基床前肩

完成多波束掃測后借助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理功能就能知曉基床前肩所淤積的淤泥情況，由于淤泥的阻擋導致無法探測到具體的寬度和高程，所以要清除淤泥后進行二次掃測。將實測斷面與設計斷面進行對比可知，不存在欠拋的問題。

3.5 岸坡檢測

自然災害現(xiàn)象中的崩岸有著極大的危害性，該普遍存在于我國各大江河地帶，特別是長江中下游地區(qū)。水下三維聲吶系統(tǒng)在這種自然災害預防、監(jiān)測、治理中有著很大的應用價值，下面就圍繞長江中下游和暢州左汊口門崩窩處的崩岸岸坡形態(tài)展開水下結(jié)構(gòu)檢測應用研究。

以球形掃描模式展開針對岸坡形態(tài)的檢測，設置3 種傾角，分別是+45°、+15°和‐15°，水平方向進行全角度360 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設定為每秒1°，儀器完成掃描后將自動進行圖像合成，同一個測試點所有傾角獲得的點云圖像最終呈現(xiàn)為一個三維圖像。就是出崩窩窩底臨近測試點最后合成的岸坡三維圖像，從中我們可以看到一個清晰度相對較高且完整的岸坡形態(tài)，經(jīng)測量得知這一岸坡崩塌后的岸坡坡比，最小為1:5，最大為1:10；另外因為崩岸滑坡檢測到的坡腳處還有一些從水面滑落下來的樹木和塊體。經(jīng)過檢測應用分析，水下三維聲吶系統(tǒng)能夠高效獲取崩岸前后岸坡的水下形態(tài)信息，讓岸坡監(jiān)測和治理工作變得更加順利。

3.6 總結(jié)

（1）BV5000‐1350 三維聲吶系統(tǒng)有著成像分辨率高、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢，以可視化方式直接呈現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)情況，在實際工程應用中被視為檢查水下結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及修復缺陷的核心技術(shù)手段。

（2）SeaBat T50‐P 多波束測量技術(shù)具有覆蓋廣、精度高的優(yōu)勢，在水下地形地貌探測應用中具有極高的準確性，與三維聲吶系統(tǒng)成像結(jié)果相比，各方面數(shù)據(jù)都大致吻合。

（3）本次實踐測量中三維聲吶系統(tǒng)的應用有一些不足之處暴露了出來，比如水流因素、環(huán)境因素、操作方式以及設備自身功能缺陷等都有可能影響探測結(jié)果的準確性，導致無法直觀反映一些微小缺陷。不過結(jié)合三維顯示技術(shù)就能細節(jié)化的描述水下目標物的外形輪廓，算是當前探測水下結(jié)構(gòu)較為有效且先進的手段之一。

（4）BV5000‐1350 三圍全景成像聲吶系統(tǒng)相比其他檢測設備，在探測效率、探測精度、點云密度等方面都有明顯的提升，是今后全面開展水下結(jié)構(gòu)探測的重要技術(shù)手段，擁有廣闊的應用前景。

（5）有待改進的地方除了提升性能避免一些客觀影響因素以外，建議該系統(tǒng)今后選擇的工作方式是固定測站式，比如配套羅經(jīng)儀和船只傳感器，用走航式探測模式來提高實現(xiàn)更高的探測效率。另外，在當下系統(tǒng)有效探測距離30m的基礎上嘗試向上提升探測量程，讓系統(tǒng)檢測擁有更廣的應用空間。

4 結(jié)語

本文所分析的新探測技術(shù)在實際應用中能夠有效、精準的提供水下目標物的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，很大程度上解決當前水下掃描數(shù)據(jù)采集受阻、效率不高、數(shù)據(jù)偏差等難題，為水下結(jié)構(gòu)信息采集提供了有力技術(shù)支撐，對于優(yōu)化水下結(jié)構(gòu)探測與開展相關(guān)治理工作奠定了夯實的基礎。