關于三維成像聲納技術在水下結構探測中的應用

蘭泰安

摘? 要：文章首先簡要介紹了三維成像聲納技術系統的結構以及具體功能，然后分析了該技術在水下結構探測工作中的應用情況，最后提出了技術應用過程中需要注意的幾點問題，以備相關人士參考。

關鍵詞：三維成像聲納技術;水下結構探測;應用;分析

引言

發展水下工程是我國進行經濟可持續發展的主要途徑之一，隨著我國科技發展水平的逐步提高，先進的專項科技被應用于水下工程建設工作中，促進了技術的創新發展。三維成像聲納技術在水下結構探測中的應用有效彌補了傳統探測方法的漏洞，能夠實時成像，圖像相對清晰，并且可以在能見度水平較低的水域進行探測作業，進一步提高水下結構探測結果的準確性與作業的安全性，目前已經成為我國水下結構探測的重要手段。

1.三維成像聲納系統的結構及具體功能

1.1系統結構。三維成像聲納技術系統主要由聲納頭、電腦終端、電源和設備支架組成，聲納頭包括聲納陣與接受陣，前者聲波信號沿著錐形方向發射出去，然后由后者的傳感器接受，將聲波信號顯示在終端界面中，其探測的有效距離在1-150米范圍，圖像更新頻率可達20次/秒。聲納頭的布局有兩種形式，分別是靠岸加固與隨船移動，實際布局方式還需結合探測對象及作業環境而定。水下結構的傳統探測作業通常采用二維聲納技術，聲納頭基本都是固定在水下機器人上，然后通過控制水下機器人實現對聲納頭的操控，進行水下探測。隨著我國水下工程建設水平的提高，對于水下探測技術也提出了更加個性化的要求，三維成像聲納技術憑借聲波信號的收集并將其形成高分辨率的圖像，不但將水下情況以圖像的形式實時顯示出來，同時還可以對圖像進行靈活移動、縮放以及旋轉，為水下水下工程的建設工作提供更多可靠依據。

1.2系統功能。在水下工程建設過程中，技術人員可憑借對系統數據的設置搜集圖像對應的目標距離及坐標等信息，同時也可結合具體探測要求對聲納頭的角度進行靈活調節，沖破傳統探測技術的束縛，提高探測效果。系統運作過程中一定要確保設備的靜止狀態，如果設備是需要隨著平臺移動，那么一定要將其固定在平臺邊緣，然后再停止移動的時候進行探測。如遇較大的風浪，平臺狀態不穩定，那么系統探測結果也會受到相應的影響，對此，需在三維成像聲納系統中增加GPS 定位系統與姿態穩定系統，這樣不但能夠更加準確地定位目標位置，同時還能夠確保系統運作過程中的穩定性，實現連續探測[1]。

2.三維成像聲納技術的應用

該技術的應用方式主要有四種，第一：固定式平臺布放。技術系統具有一定的獨立性，聲納的位置、旋轉、傾斜等都是固定的，因此對于水下靜置目標的探測效果較好。第二，安裝在ROV 上的布放。在ROV 上安裝聲納頭，使技術人員可以在船載安裝傳感器無法觸及的地方進行數據的采集。第三，船載式布放。該方法通常應用于近岸區域以及淺水區域，通常將聲納頭安裝在艦船上，從繪制海底地圖到檢查水體中復雜結構都可應用。第四，大型設備式布放。在挖掘機設備的挖斗或者吊車吊臂上安裝聲納頭，通過機械設備對聲納頭探測角度進行調節，常用于投放防洪堤壩石料作業工作中?，F階段三維成像聲納技術在我國水下結構方面的應用范圍較廣，如河道疏浚、橋墩及沖刷情況檢測以及水下結構安全監測、水下不明物體探測以及海洋油氣勘探等方面。

2.1水下安全監測。應用三維實時聲學成像聲納技術可以水庫庫底、對港口碼頭、以及水閘室等工程水下結構實施全面性的三維檢測，并將工程水下情況以圖像的形式直觀地展示出來，有效促進了相關工作安全管理水平的提高。應用終端系統上的UIS軟件能夠對測目標的維坐標、直徑、距離等信息準確顯示出來， 為工程施工方案的設計以及工程水下結構情況的判定提供可靠數據信息。

2.2沖刷檢測。三維實時聲學成像聲納技術系統還可以應用在水閘、護堤以及橋墩等水利工程主要結構部分的沖刷檢測， 對防洪加固工作起到及時、有效的檢測探明作用。

2.3河道疏浚。將GPS定位設備與三維成像聲納技術系統進行聯合使用還能夠對目標區域水下地形進行測量，同時通過專項計算機處理技術進行地形的繪制，準確顯示目標區域水下地形圖和開挖斷面圖， 有效促進水下工程作業水平的提高，及時為疏浚工程提供準確的數據， 從而確保水下工程開挖作業安排的合理性與科學性。

3.應用三維成像聲納技術需注意的幾點問題

以全面確保三維實時聲學成像聲納技術在水下結構探測過程中的應用效果，提高數據的精準度，一定要對如下幾點問題進行嚴格把握：首先，作業過程中需將收納頭的額定電壓控制在24-32VDC的范圍內，并將接收電源電壓控制在24VDC范圍內。其次，聲納頭部分每次通電時間不可過長，以免由于內部熱度過高而造成內壓過低，是設備及系統受損。再次，若需重復開關系統的聲納頭， 一定要在聲納頭回到冷卻狀態下進行，保證其完全放電。最后，炎熱環境下應避免聲納頭直接暴曬， 且不可將聲納頭面向地面放置[2]。

結語

綜上所述，三維成像聲納技術的研發是我國科技發展的必然成果，將其應用于水下結構的探測工作中有效彌補了傳統探測技術存在的弊端，更好地滿足了水下探測作業的需求，實現了水下目標區域的實時成像以及圖像的放大及旋轉的靈活操作，測降低了探測作業受外部環境因素的影響，為水下工程建設工作提供了更加有效的技術保障。

參考文獻

[1]程顯皓，駱承樹.三維成像聲納在水下工程中的應用研究[J].科技創新與應用，2016（06）：300.

[2]李斌，金利軍，洪佳，何愷愷，陸小蕾.三維成像聲納技術在水下結構探測中的應用[J].水資源與水工程學報，2015，26（03）：184-188+192.