三維成像聲吶在排體搭接檢測中的應用

程智慧 許吉羊

摘 要：本文介紹了三維成像聲吶的系統組成和工作原理，以及其在航道整治工程水下軟體排搭接檢測中的應用。實際應用結果表明，三維成像聲吶能夠很好的獲取水下軟體排當前位置的搭接情況，通過三維立體呈現，獲得更加直觀、準確的檢測數據，并且能夠提取檢測區域內和河床信息和排體邊緣變化趨勢，為后續鋪排提供技術參考。

關鍵詞：三維成像聲吶;軟體排;搭接寬度檢測

中圖分類號：U61? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）11-0072-04

1 緒論

1.1引言

長江是貨運量位居全球內河第一的黃金水道，長江航道是我國國土空間開發最重要的東西軸線，在區域發展總體格局中具有重要戰略地位，“十三五”期間，航道工程建設規模、投資力度將達到歷史新高度，建設速度明顯加快，通航能力將得到極大的提高。然而航道工程建設中，涉及到大量的水下隱蔽工程，其質量的好壞是決定整個工程成敗的關鍵環節。護底工程是航道整治的一項重要內容，而水下軟體排鋪設是各項航道整治工程的基礎，足夠的沉排搭接寬度則是保證護底質量的關鍵。

1.2傳統的排體檢測方法

傳統的航道整治工程中對水下鋪排檢測采用的最為成熟的手段為水下探摸攝像檢測。水下探摸攝像檢測是采用潛水員水下探摸的方式進行水下鋪排的檢測。由潛水員攜帶水下電視進行水下攝像，通過判別排體上的彩色檢測條來判定搭接寬度。

但水下探摸攝像檢測作為事后質量控制手段，只能起到事后檢驗施工質量的作用;為了對鋪排施工質量進行實時監控，實時反應鋪排過程中的搭接情況，可以對沉排質量進行動態跟蹤，實現水下工程的事中質量控制。一旦發現沉排質量出現問題，可以即時根據鋪排狀況進行現場調整，采取有針對性的措施，改善鋪排施工質量，達到事中質量控制。

三維成像聲吶系統能夠獲取目標精細的三維點云數據，從而可以對水下軟體排搭接區域進行掃測，以提供直觀、精確的排體搭接情況。本文闡述了三維成像聲吶的基本組成和原理，并結合武安段II標實際工程，對三維成像聲吶在排體搭接檢測中的應用進行了分析。

2 三維成像聲吶

三維成像聲吶可生成水底地形、建筑物和目標物的高分辨率三維點云圖像。聲吶采用緊湊型低重量設計，既可以在三腳架或ROV上進行安裝，也可以根據需要自行設計支架安裝。掃測時，只需在控制端進行相關參數設置，并觸動按鈕，聲吶就會生成水下景象的三維點云。掃描聲吶頭和集成的云臺可以生成扇區掃描和球面掃描數據。

2.1系統組成

三維成像聲吶系統包括硬件和軟件兩部分。以BV5000型3D機械掃描聲吶為例，其中硬件部分主要包括聲吶頭、云臺、甲板單元及數據傳輸電纜等;軟件部分主要包括儀器研發團隊自主開發的Proscan、BlueViewer和第三方軟件Cyclone及相關驅動程序。其中聲吶頭和云臺通過專用線纜連接到接線盒上，接線盒又通過以太網電纜和USB傳輸線與計算機連接，從而實現計算機與聲吶和云臺之間的通信，系統示意圖見圖1。聲吶頭發射并接收聲吶信號，云臺控制聲吶頭的旋轉和俯仰角度，Proscan是實時控制軟件，可控制云臺轉動及聲吶的相關參數，BlueViewer軟件可進行點云數據査看和基本量測，第三方軟件Cyclone可進行點云數據編輯處理。

2.2 工作原理

三維成像聲吶系統進行水下掃測的基本原理為聲學測距，通過聲學閃耀陣列將不同頻率聲波按一定的角度輻射形成扇面，不同頻率對應不同的輻射角度，聲波經目標反射后被聲學接收器所接收，聲學接收器也是一個聲學閃耀陣列。后期通過短時傅里葉變換（STFT）等方式通過不同頻率形成不同方向波束，進而形成扇面圖。聲波接收器閃耀陣列被布置成能夠使得目標反射的聲場分量產生具有與被重現的聲場成分的入射角對應頻率的聲波。其基本的形成過程如圖2所示。

扇面內中央波束的頻率可以為1.35MHz和2.25MHz兩種，當聲波遇到物體時會發生散射，散射回波沿入射路徑返回至接收裝置處，接收裝置按等時間間隔進行回波信號采樣，其采樣時間間隔為10-5秒。

通過扇面內不同波束的回波序列分別進行底質檢測，選取每個波束中回波強度最大的點作為感興趣點進行目標提取。如圖4所示。

三維圖像掃描聲吶發射一次脈沖可測量256個點云坐標，即1ping點云數據在探頭云臺改變水平指向和垂直傾角的過程中不斷重復上述測量過程，便可獲得多ping點云坐標。

2.3 檢測方式

在鋪排船鋪完一段排體后綁系砼塊期間，三維成像聲吶系統開始對目標區域進行掃描，獲取水下排體實時情況，完成數據采集工作，然后經過軟件的初步自動處理后在PC端顯示生成的水下三維圖像，分析軟體排搭接情況[4]。

該套三維成像聲吶系統對鋪排施工過程的質量進行實時監控，對沉排搭接的質量進行動態跟蹤，實現了水下施工的事中質量控制。在檢測過程中，一旦發現可能出現問題的情況，可以及時預警，根據現場狀況進行相應地調整，采取針對性措施，規避風險，保證鋪排質量。

3 應用實例

3.1 項目概況

長江干線武漢至安慶段6米水深航道整治工程建設范圍為長江干線天興洲長江大橋至安慶皖河口，全長約386.5公里。航道建設等級為Ⅰ級，建設標準為6.0米×200米×1050米（水深×航寬×彎曲半徑），部分重點礙航灘段航寬不低于110米（滿足設計代表船型的單船雙向通航、船隊單向通航），設計最低通航水位年保證率為98%。主要建設內容包括：自上而下整治湖廣-羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張家洲、馬當、東流等7個礙航灘段;建設護灘帶24道、護底帶4道，壩體10道，高灘守護15.4公里，護岸加固13.3公里，基建疏浚477萬方，配套建設航道整治工程建筑物助航標志63座，改造現有航行標志和已有航道整治工程建筑物助航標志147座，并實施生態建設工程。

為了保護長江河道的河床地質，避免水流沖擊導致航道整治工程的護底、護腳出現掏空損壞，對航道整治工程的水下建筑物均采取了鋪排的處理措施。水下護底的檢測，主要也是針對水下軟體排搭接的檢測，我們在武安段II標段航道整治工程的水下建筑物采取了三維圖像聲吶。

水下工程的施工質量，目前主要是靠施工過程中的管理以及水下地形測圖來進行控制。受測量精度限制，水下地形測量也不能完全反映工程實際施工質量，因此施工質量難以得到保證。

為準確掌握航道整治水下隱蔽工程質量狀況，特在武安段航道整治工程水下護底建設過程中推廣應用水下實時監控檢測技術，確保了航道整治工程的施工質量，可以為水下隱蔽工程質量控制、質量驗收提供了科學依據。

鋪排船在鋪完一段排體后，在綁系砼塊期間，通過圖像聲吶進行掃描，對水底鋪排質量數據實時采集，搭接狀況將直接在鋪排船操作室顯示屏上顯示出來，技術員將鋪排情況向現場負責人報告，現場負責人根據鋪排搭接情況通知船長調整船舶動向，進而達到鋪排施工中過程控制的目的。

3.2 檢測水下軟體排搭接寬度

實時掃描完成后形成的圖像能夠展示掃描區域水下的真實情形，尤其是上排體和下排體各自的排布邊線。通過量取兩排布邊的距離，確定重疊度，也就是搭接寬度。

從圖6中可以直觀、清晰的識別出當前排體和下排體，以及當前位置的搭接寬度，判斷搭接是否符合設計要求。

3.3 提取當前排體軌跡區域內的河床信息

雖然施工區域都有相應的水下地形圖，但是水流的沖刷會時刻改變河床地形，拋枕位置的不準確也會形成不夠平整的地形。在掃描得到的圖像上，能夠獲取當前位置到排尾方向約30m范圍內的水下地形信息，包括護岸坡度、沉排區域內的坑洼、暗溝、凸起、坡坎等。

在圖7中，軟體排邊緣位置有一個4×5米，深度約1.5米的坑，在鋪排過程中，該聲吶圖可以為施工人員提供參考，采取對應的措施，確保該區域軟體排搭接寬度滿足要求。

3.4 觀察下排體邊界的變化趨勢

水下軟體排的搭接情況，除了與當前排體的鋪設有直接關系外，還與下排體的著床狀態息息相關。從掃描得到的聲吶圖像上，還可以獲取到下排體邊界的狀態，分析其是呈直線延伸，抑或是向上游或下游漂移、彎曲，從而預判搭接情況，為當前沉排提供參考。

上圖8中，下排體邊界呈彎曲狀，向內凹縮，故當前排體鋪設到該位置時，若未采取一定措施，則會導致該區域搭接寬度變小，可能會小于設計最小搭接寬度。通過該聲吶圖提取下排體邊界的變化趨勢，可以指導當前沉排維持原軌跡或作出適當調整[5]。

自2018年10月開始，水下沉排實時監控檢測方法在長江中下游蘄春航道整治工程鋪排施工中進行了運用，共完成鋪排檢測與監測面積為1009252 ㎡，施工方通過應用該水下沉排實時監控檢測方法，獲得水下鋪排質量信息，為指導鋪排作業施工，提高鋪排施工質量提供了很好的技術支持。同時，在確保工程質量的前提下，節約了工程成本。

4 總結

三維圖像聲吶水下沉排實時監控技術能夠實時檢測水下軟體排搭接寬度，提取當前排體軌跡區域的河床信息，觀察下排體邊界的變化趨勢，獲得更加直觀、準確的檢測數據，并能全面客觀的反映水底工程狀況，使業主和檢測人員更加直觀的掌握水下隱蔽工程質量狀況。

目前該技術已成熟運用在長江中下游蘄春水道航道整治工程護底沉排施工控制中，解決了水下沉排實際沉排數據“可獲取性”難題，實現了水下沉排施工中軟體排的軌跡和搭接數據的準確采集。三維成像聲吶可以進行全方位的掃描，不受水下能見度的影響，且能夠獲得高分辨率的點云圖像。而且它是對一定區域內進行的全掃測，可以同時獲取排體搭接寬度、水下地形情況等多方面的信息，對于控制水下排體排施工質量具有積極的意義，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 查文富，畢文煥等，三維成像聲吶在水下沉船掃測中的應用[J].長江航運研究，2017（04）：0-63;

[2] 時振偉，劉翔，張建峰，李騰等，三維成像聲吶BV5000在水下測繪領域中的應用[J].氣象水文海洋儀器，2013（3）：6248-52;

[3] 楊志，王建中，范紅霞等，三維全景成像聲吶系統在水下細部結構檢測中的應用[J].水電能源科學，2015，33（6）：59-62 ;

[4] 吉同元，李鵬飛，徐亮，三維成像聲吶在重力式碼頭工程中的應用[J].水運工程，2018（5）：105-108;

[5] 黃建明 進港航道水下地形的空間監測分析[J].海洋測繪 2005（5）：43-45