多波束檢測技術在水下隱蔽工程中的應用

熊榮軍 孫杰 孫愛國 唐正濤

摘 要：將多波束系統引入到水下隱蔽工程安全檢測領域中，在對多波束系統工作原理進行論述的基礎上，探討了借助多波束系統進

行水下隱蔽工程檢測的關鍵技術環節和解決方法；并依托某壩體工程，研究了多波束系統的具體工程檢測效果。

關鍵詞：水下隱蔽工程檢測多波束

水下隱蔽工程的質量一直是水運工程檢測行業關注的焦點，其檢測工作中主要存在著地質復雜，水流紊亂以及檢測范圍狹小等難題。作為常規檢測方法的水下探摸、側掃聲納、水下機器人等均存在測試范圍狹小、精度低、速度慢等缺陷，影響了水下檢測的質量。因此，有必要引進一種新的技術，提高水下隱蔽工程的檢測效果。

多波束檢測技術采用了廣角度和多信道定向接收技術，能夠精確快速測出沿航線一定寬度范圍內水下目標的大小、形狀和高低變化，從而比較可靠地描繪出水下物體的精細特征。因此研究如何把多波束系統應用于水下隱蔽工程檢測具有十分重要的意義。

多波束系統

多波束系統的工作原理主要是利用水下聲納模塊發射和接受脈沖聲波。多波束系統是由多個子系統組合而成的綜合系統，多波束系統大體上可分為多波束聲學系統、多波束數據采集系統、數據處理系統、外圍輔助傳感器和成果輸出系統五個部分。

工程實例應用

某混凝土面板堆石壩于2007年建成后，壩體一直在沉降，個別面板處滲流比較大，因此需檢查面板是否存在空洞和不均勻沉降。但是由于地質條件復雜，檢測的手段有限。因此考慮嘗試利用多波束系統對面板水下部分進行檢測，以判斷面板是否存在不均勻沉降變形。

本次檢測采用丹麥Reson公司SeaBat7125多波束系統。

1、測區布置

主要從橫向和縱向全方位對主板面板進行大范圍的立體掃測。主壩面板檢測主要集中在面板周圍30m，該區域即為測線布置區域。

2、多波束系統調試

多波束系統調試最主要是進行船體坐標系統的建立、設備安裝和校準，該環節的工作質量將直接影響最終的檢測精度。

在儀器安裝定位后，進行船體坐標系的建立，以確定水底測點的空間關系，實現多波束的空間位置轉化。并建立一個當地坐標系，實現水深數據到大地坐標系的轉換。

坐標系建立后，分別量取GPS天線、羅經、聲納探頭相對于參考點的位置，往返各量一次，取其中值。

船體坐標系建立完成后，還需對Seabat7125多波束系統進行安裝校準，即測定聲納測頭、羅經和運動傳感器的安裝偏差（roll，pitch，yaw）。

3、多波束原始數據的采集和選取

根據主壩面板特點，對面板進行區域劃分。將整個面板沿壩體長度方向劃分縱斷面，并以某確定斷面為起點，右邊面板依次標記為R1～R5，左邊面板依次標記為L1～L9；將整個壩面沿與壩體垂直方向劃分橫斷面，于基準高程為10m、20m、30m、40m、50m處依次標記為H1～H5（見圖1）。

圖1某大壩主面板分塊標記示意圖

本次檢測共采集到3345個側掃剖面的原始數據，每個剖面均包含某處面板由江側至壩側的256個數據。選擇具有代表性的第2015側掃剖面數據進行分析，其中每個側掃剖面含有256個數據，獲得側掃剖面數據的水深與波束序號的關系如圖2所示。

圖2側掃剖面深度與波束關系圖

圖2反映了水深和波束序號的關系，從圖中可以看出測船是沿著大壩面板斜面在航行，曲線的形狀表示的是大壩面板形狀，從測船發射的波束掃描范圍為水下6m到1m左右。

4、數據的聲速改正

利用多波束系統測得的聲速數據對原始數據進行改正。根據聲速跟蹤法進行聲速改正，既可得出相應的聲速改正曲線圖。其聲速改正圖如圖3所示。

圖3剖面聲速改正后對比圖

從圖3可以看出，聲速改正后的數據比原始數據略微要小一點，而且這個特點在深度越深的地方越明顯，由此可以得知，隨著水深的增加，原始數據會出現偏差。

5、數據的涌浪改正

涌浪改正主要是修正涌浪對多波束系統的影響。涌浪改正選用GPS驗潮的線性內插值法，進行涌浪數據插值，然后對各水深值進行涌浪改正。

將聲速改正后的數據進行涌浪改正，涌浪改正后剖面與深度關系圖如圖4所示。

圖4剖面涌浪改正后對比圖

由圖4可知，經過涌浪改正和聲速改正后的剖面深度數據與原始數據相差不大。

圖5中兩兩曲線之間的空隙即為聲速和波浪對多波束系統檢測時造成的影響。由圖可知，聲速的改變和涌浪的誤差較小。

圖5剖面深度波束關系圖

藍色表示原始數據波束曲線

紅色表示聲速改正后波束曲線

綠色代表涌浪改正后的波束曲線

6、斷面結果分析

將采集到的數據，全部通過聲速改正和涌浪改正之后，各水深數據將不再與時間有關而是與坐標系相關，并且將船坐標系統轉化到了大地坐標系，然后再進行多波束探頭的橫搖、側搖以及縱搖的修正，就可以得出斷面圖（見圖6）。通過深度和高程坐標的關系可以得出14個檢測斷面的斜率，根據斜率情況，既可判斷大壩的面板是否發生了變形和沉降。

圖6 斷面深度距離關系圖

由14個斷面的斷面圖可直接得出每一塊面板的高程與水深深度關系。根據高程與水深深度關系可直接計算出14個斷面的斜率，結果見表1所示。

表1 斷面斜率結果

由于該面板的設計斜率為1：1.4，由表3可知，壩體面板測試區域內的14個斷面的斜率與設計斜率基本一致。

7、三維圖像分析

為更直觀反映檢測結果，可利用檢測數據直接生成三維成像圖，如圖7所示。

圖7 某大壩三維投影平面圖

該圖反映了該壩上游面板及水下地形情況，從圖7中可以看出，面板測試范圍內（L9斷面到R5斷面）均未出現大的變形及空洞現象，面板深度方向變化均勻，未見不均勻沉降現象。因此可判定該壩面板表面并未發生變形、沉降及空洞，滿足設計及使用要求。

結論

通過多波束檢測，可精確得出各類水下物體的深度坐標，進而得出物體尺寸、形狀、高度等參數，并能形成高精度三維圖像，從而具備對水下隱蔽工程的質量檢測功能，并具備以下優點：①以帶狀方式檢測，覆蓋范圍大，精度高；②可進行環境影響因素修正，使外界不利因素對檢測結果的影響降到最低；③可繪制成直觀的斷面圖和三維立體圖。 （作者單位：長江航道規劃設計研究院）