3D Echoscope系統對垂直結構沖刷破壞檢測效果分析

王羿磊，孫紅亮

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072)

水下垂直結構，包括橋墩的水下基礎、水工建筑的水下區域、護岸的水下部分，在經歷較長的運行期后，運行安全評價問題日益突出。

目前對水下垂直結構的無損檢測方法基本分為兩類：其一，利用光學原理，包括潛水員目測、水下機器人攝像、三維激光檢測等，存在受水環境的清濁程度、水流大小的影響，且水下定位困難、安全風險較大；其二，利用聲學原理，主要為聲吶檢測，包括二維側掃聲吶、三維多波束聲吶等。

聲吶探測不受水質及水流影響，可以結合水下機器人的攝像系統，代替潛水員下潛作業，有效地降低水下作業的安全風險，快速得到被測物體的準確位置信息和外觀特征信息等，測繪水下地形、地貌，已經逐步在眾多領域得到廣泛的應用。

普通的多波束聲吶系統，對水下垂直結構的無損檢測效果不理想，主要原因為本身波束較窄，受水流和障礙物遮擋影響，對垂直復雜結構反應不敏感并易產生數據盲區，因此引入3D Echoscope系統。

3D Echoscope系統，采用革命性創新的“面狀”波束發射與采集方式，增強抗水流干擾能力，增加障礙物遮擋后方的采集數據，并實現實時觀測功能，對垂直結構物的現狀特征反應敏感，有效地解決該方面的無損檢測空白，為其運行安全評價提供數據依據。

1 垂直結構檢測難點分析

側掃聲吶只能獲得二維地貌聲圖，無法獲取結構的三維尺寸參數。現有的多波束測深系統(窄波束)對于垂直面的結構檢測存在基本理論缺陷。

(1)垂直結構面的數據缺失

根據多波束(條帶狀窄波束)發射換能器的工作原理，條帶狀多波束的聲音信號正射傳播到垂直結構面時，大部分會反射向底部水平面(如圖1所示)，然后經過二次反射，被接收換能器捕捉。二次反射后的聲吶信號現有數據處理技術無法進行還原處理，通常被視為噪音，在去噪過程中進行剔除。

圖1 “條帶狀窄波束”正射聲吶垂直面反射圖

在多波束(條帶狀窄波束)正常安裝作業時，無論其波束開角有多大，總會在垂直面出現波束反射信號缺失引起大量的空白區域(如圖2所示)，造成數據解譯方面的困難，因此設備原因或掏蝕原因引起的數據異常的爭議也無法解決。

圖2 條帶狀窄波束垂直結構面檢測典型圖

(2)障礙物后的數據缺失

在對垂直結構面進行檢測時，經常遇到突出的遮擋物或建筑物本身結構的遮擋(如基樁等)，因此對于多波束聲吶技術提出了更高的要求。

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統，對于復雜的水下垂直立體結構，不能檢測遮擋物后方結構的三維立體現狀，形成檢測數據遮擋陰影區域(如圖3所示)，而通常遮擋物后方的淘刷區域，潛水員探摸安全系數較低、危險性大，但對建筑物本身的安全影響又較大，因此在運行安全評價方面造成了極大的困難。

圖3 “條帶狀窄波束”多波束測試

2 3D Echoscope系統

3D Echoscope系統是目前國際最先進的一款三維多波束實時圖像聲吶觀測系統。

2.1 獨特的換能器系統

3D Echoscope系統，采用獨特的“面狀”脈沖信號發射換能器及接收換能器，將傳統的多波束“條帶狀”工作模式升級為“面狀”(如圖4所示)，增大了發射機采集的數據點量。單次聲吶信號一般為50°50°區域(如圖5所示)，可根據工作需求進行調整，減小數據采集面積。

“面狀”聲吶脈沖信號不僅對垂直結構面發射正射的聲吶信號，還可以通過水平和斜向的聲吶信號來獲得垂直建筑的表面三維特征，有效地彌補了數據缺失的難題，是一個多波束聲吶探測系統根本性的突破和升級。

圖4 3D Echoscope系統換能器

圖5 面狀圖像測試方式

2.2 抗水流干擾

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統，在水流沖擊情況下，會因船只搖晃，在兩個相鄰的采集數據之間產生空白盲區(如圖6所示)。

3D Echoscope系統由于單次脈沖為特定體積的“面狀”信號，始終在兩個相鄰的數據采集信號之間存在重疊區域，保證了數據完整性，極大地保證了船只抗水流沖擊能力。

因此對垂直結構面區域，3D Echoscope系統采集數據密集，對于同一測點可進行多次重復性測試，然后選取在同一測點有多次采集信號的數據進行保留，由此剔除垂直結構反射中的多次反射異常噪音干擾，大大節省了數據處理時間，提高了三維聲吶對于垂直結構面數據采集的精度。

圖6 “條帶狀”數據盲區示意圖

2.3 抗障礙物遮擋

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統，對于復雜的水下垂直立體結構，不能測試遮擋物后方結構的三維立體現狀(如圖7所示)，而形成測試數據陰影區域。

3D Echoscope系統的“面狀”脈沖信號，可以保證對換能器前、后一定范圍內的目標進行側方位測試，拼接后的數據對垂直結構的側面及遮擋后面的結構物反應敏感，有效消除在復雜結構后產生的陰影。

圖7 “面狀”多波束測試現場

2.4 實時成像技術

3D Echoscope系統的單“ping”波束數據量為128128個，保證了數據的豐富準確性，并且每秒可更新12次，保證了數據更新的時速有效性，因此可作為實時聲吶對水下目標物進行觀察測試，實現瞬時拼接讓整個場景實時地可視化顯示出來。

實時成像技術可以在水下安裝工程、疏浚作業及搶險工作中降低安全風險，指導工作進度可量測超欠挖等。

3 工程實例

某工程庫區邊坡在一期護岸工程坡腳被洪水沖刷而形成的脫空部位，為保證護岸邊坡穩定和上部邊坡安全，探明河水沖蝕的現狀，全面掌握測試區域水下結構現狀，采用3D Echoscope系統對該區域水下部位進行水下三維聲吶檢測。

測試淘刷區域枯水期照片如圖8所示，3D Echoscope系統水下三維聲吶檢測成果圖如圖9所示。

由圖8、圖9可見，該區域淘刷區域明顯，寬度范圍較大，最大寬度約13m。

圖8 淘刷區域照片

圖9 淘刷區域水下三維點云俯視圖

對淘刷區域做剖面1- 1、剖面2- 2、剖面3- 3，剖面位置分別位于淘刷區域20m、40m、60m處，測試剖面地形圖如圖10—圖12所示。由圖10可見，1-1剖面位置水底高程在1686m左右，淘刷區域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約5.95m。

圖10 1- 1剖面地形線圖

圖11 2- 2剖面地形線圖

圖12 3- 3剖面地形線圖

由圖11可見，2- 2剖面位置水底高程在1689m左右，淘刷區域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約12.94m。

由圖12可見，3- 3剖面位置水底高程在1686m左右，淘刷區域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約6.25m。

4 結論

3D Echoscope系統采用獨特的換能器系統，每“ping”的數據呈面狀模式，抗水流干擾及抗障礙物遮擋能力強，并革命性地實現了實時觀測及監測功能。

該系統在公路護岸沖蝕情況的探測工作中，得到了淘刷區及河床的大地坐標三維點云圖像。三維點云數據密集，測量精度高，能從三維圖像中能直接觀察到淘刷區域的立體情況。將三維點云數據進行處理繪制出的河床剖面與原河床地形的對比，可對剖面上沖蝕三維現狀進行準確測量并定量評價沖蝕程度，實現了對垂直結構面沖蝕情況的準確探測。