側掃聲吶在水下軟體排檢測中的應用與改進

于 剛

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230009）

1 概述

在航道整治、護岸治理、圍海造地等工程中，護底軟體排的鋪設是施工中的重要工序， 同時也是工程的難點之一。在鋪設過程中，常常會出現排體位置偏移、搭接處不夠平順、搭接寬度不合格等現象，使得該處成為整個工程質量相對較薄弱的環節， 因此如何檢測排體的鋪設質量顯得尤為重要。

2 主要檢測手段

目前護底軟體排常用的檢測方法主要有人工潛水探摸法、浮標倒垂法、掃描聲吶法、超短基線法。隨著施工要求的提高， 這些方法均不能完全滿足施工需要，主要存在以下缺點：

（1）人工潛水探摸法。 受天氣和潮流影像較大，作業時間受限制，潛水員下水作業的危險性大，潛水員主觀性強，檢測結果無法驗證。

（2）浮標倒垂法。精度低、效率差、大批量的排體檢測較難實施。

（3）掃描聲吶法。 掃描精度和掃描范圍有關，范圍大變形大；水體渾濁影響聲吶影像；晃動導致圖像模糊影響分辨率，量測困難；安裝使用繁瑣。

（4）超短基線法。定位精度高，實時檢測效率高，但產品價格高昂，使用成本高。

3 側掃聲吶技術

側掃聲吶是一種非接觸、主動聲吶探測技術，已在海底障礙物探測領域得到了廣泛應用， 隨著成像效果和定位精度的提高， 在水下工程中的應用也越來越廣泛。

側掃聲吶在工作時通過發射聲脈沖向外傳播，傳播方向為球面形狀，聲波碰到水中障礙物或者水底會產生散射，其中的反向散射波會按原傳播路線返回換能器，根據不同部位的返回時間計算障礙物形狀。 一般情況下，硬的、粗糙的、凸起的泥面，回波強；軟的、平滑的、凹陷的泥面回波弱，被遮擋的海底不產生回波，距離越遠回波越弱。根據回波的強弱和時間，經過數據分析，就可以形成二維的水下地貌聲圖。 聲圖平面和水下地形成映射關系，聲圖的亮度包涵了泥面特征。如圖1，2點位于聲吶的正下方，回波是很強的正發射波；4，5，6回波較強，6的回波先到換能器，然后是第5點，第6點。 6，7點沒有回波，產生陰影區。

圖1 側掃聲吶工作原理示意圖

根據此原理，對排體鋪設區域進行掃測，如圖2，當排體位置出現偏移，堆積或缺失現象時，圖像對應位置會產生陰影，搭接位置處會產生連續陰影，結合RTK定位，可以判斷出排體異常處位置，經過后期軟件處理可以計算出排體搭接的寬度， 從而準確反映出水下軟體排的鋪設情況，指導施工。

圖2 側掃聲吶排體檢測示意圖

4 誤差分析

側掃拖魚一般安裝在船體側面，RTK安裝在船體中心位置， 根據聲吶和RTK的相對位置可以推算出拖魚的實時位置，如圖3。

圖3 側掃聲吶工作示意圖

側掃聲吶位置改正如圖4，A點為RTK相位中心，B點為聲吶支撐點位置，F點為聲吶中心位置。AB點距離S1可在船上量取，BF點 距 離S2 是 固 定的已知值。 根據AB和BF之間的夾角β， 和測量時船體的坐標方位角α，可以計算出拖魚F的實時坐標：

圖4 側掃聲吶位置改正圖

XF=XA-S1cosα+S2cos（α+β）

YF=YA-S1sinα+S2sin（α+β）

但在實際工作過程中，由于現場風浪、潮流、航向和航速的不確定性，α和β的數值也時刻在發生變化，對聲吶位置的計算精度產生了較大影響， 為了提高測量精度，確保排體檢測的精度，采用以下改進方式。

（1）布設測線時，沿平行于排體方向布設，并采取往返方式，取兩次測量的平均值作為最終數據，以抵消潮流和風向的影響； 在排體搭接處附近加密布設平行于排體的測線，沿測線測量時選取20m的小量程進行測量，從而更加準確地判定搭接寬度。

（2）儀器安裝時，在船體的側舷安裝一個垂直的可拆卸固定支架，RTK安裝在支架頂部，側掃聲吶安裝在支架底部。 這樣可以避免聲吶在測量過程中的擺動，從而提高測量精度和圖像清晰度，如圖5。

圖5 改進后的側掃聲吶安裝

改進前后的側掃圖像如圖6，圖7，對比可見，改進前圖像模糊扭曲，改進后清晰穩定，更加符合實際成果。

圖6 改進前的側掃圖像

圖7 改進后的側掃圖像

5 工程實例

選取工程為長江南京以下12.5m深水航道二期工程福姜沙標段，該工程為航道治理工程，共需要鋪設軟體排367萬m2，鋪排工作量大，質量要求高。 選取2015年8月15—20日之間剛鋪設好的3張軟體排進行檢測，排體編號分別為301-47，301-48，301-49。

5.1 現場檢測

5.1.1 測線布設平行于軟體排布設5條測線，主要用于檢測軟排體搭接寬度， 每條長度為180m， 測線間隔為40m；垂直于軟體排布設2條測線，主要用于檢測軟排體排頭與排尾鋪設情況， 每條測線長度100m， 測線具體布設如圖8。

圖8 測線布設示意圖

5.1.2 現場測量

側掃聲吶選用Klein 3900型，如圖9，RTK選用使用Trimble SPS 855型，測量過程中航速保持低于4節。

圖9 Klein 3900型側掃聲吶

5.2 數據分析

根據Klein 3900自帶的專業分析軟件對圖像進行處理，工作參數如表1，將圖像進行糾正，并提取排體特征點坐標。

表1 Klein3900工作參數

從圖10可看出，301-48號排體中間部分有聯鎖塊缺失。排體的搭接情況側掃圖像如圖11，從圖中可分辨出，搭接部分特征明顯，有一條明顯的疊加帶，提取特征點的坐標如表2。

表2 側掃成像軟體排搭接寬度統計 單位：m

圖10 301-48號排體掃測

圖11 軟體排側搭接處掃測

根據圖表統計數據可知，最大搭接寬6.8m，最小搭接寬3.2m，從數據可直觀看出，排體搭接寬度滿足設計要求，但排體搭接寬度不均勻，說明排體在鋪設過程中有一定傾斜。

6 結語

結果表明，經過改進后，側掃聲吶影像不僅可清晰反映出軟體排狀態的鋪設， 還可通過軟件提取軟體排特征點坐標，準確計算出軟體排搭接的寬度，該方法安全高效、準確度高，可以全天候作業，有效提高了工作效率。