水工建筑物多波束水下監(jiān)測技術(shù)研究

摘要：多波束測深系統(tǒng)若采用常規(guī)安裝（垂直）方式，受其波束開角的限制，對淺水區(qū)域水工建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集難度大，且邊緣波束精度可靠性存在持續(xù)下降等問題。為此，結(jié)合多波束測深系統(tǒng)的工作原理及特性，提出了一種全新多波束測深系統(tǒng)傾斜安裝方案，即制作一個轉(zhuǎn)換法蘭盤，上端與安裝桿平行安裝，下端傾斜與換能器對接，隨后選擇三峽大壩壩前泄洪孔、縱向圍堰及二者交界區(qū)域開展現(xiàn)場試驗，對垂直安裝常規(guī)測量、垂直安裝高密度測量、傾斜安裝常規(guī)測量、傾斜安裝高密度測量4種模式下數(shù)據(jù)采集精度進行統(tǒng)計與分析。結(jié)果表明：在與被掃測水工建筑物保持相同距離的條件下，換能器傾斜安裝方法在高密度測量模式下的絕對精度、相對精度、相對點云密度、相對最淺水深分別為0.092 m，0.068 m，9.56個/m2，2.41 m；在保證測量精度的前提下，傾斜安裝能夠獲得更全面的掃測數(shù)據(jù)，在一定程度上消除了垂直安裝時必須盡量靠近水工建筑物的弊端，能夠極大保障人員、船舶、設(shè)備安全；高密度測量模式能更有效地提高測量點位密度，成果精度更加可靠。相關(guān)成果可供類似水電工程水工建筑物水下部分安全監(jiān)測。

關(guān) 鍵 詞：多波束測深系統(tǒng)； 水下監(jiān)測； 傾斜安裝； 邊緣波束； 三峽大壩

中圖法分類號： P217；TV61 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.020

0 引 言

近年來，隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大量大壩、堤防、橋梁等水工建筑物的建成和使用給社會、經(jīng)濟等帶來了便利和高速發(fā)展，但同時也帶來了一定的安全隱患。國內(nèi)外學者針對水工建筑物安全監(jiān)測開展了大量技術(shù)研究，并取得了豐碩的研究成果，尤其是針對大壩、跨江跨海大橋等重點工程，在建設(shè)之初就設(shè)計布設(shè)大量安全監(jiān)測設(shè)施，定期開展建設(shè)期、運行期的應力、應變、形變等監(jiān)測［1-2］。以三峽工程為例，李珍照針對三峽工程水工建筑物的特點闡述了安全監(jiān)測相關(guān)要求和內(nèi)容，提出了監(jiān)測分析設(shè)想［3］。鄭守仁院士曾詳細闡述了三峽水庫大壩穩(wěn)定、泄洪消能、混凝土耐久性、大壩抗震及防護安全、水庫泥沙淤積等問題的設(shè)計方案及后期監(jiān)測成果分析情況［4］。針對典型寒區(qū)，魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張總結(jié)了一套針對低壓水工建筑物結(jié)構(gòu)的監(jiān)測體系［5］。黃濤等針對大壩及其他水工建筑物壩體強震、爆破動效應、行水過程的水力參數(shù)及流體誘發(fā)振動等動態(tài)監(jiān)測方法做了詳細介紹［6］。許全喜等針對三峽水庫泥沙淤積特點及原因進行分析，為三峽水庫科學調(diào)度提供了強有力的技術(shù)支撐［7］。蔣鵬飛就跨海大橋局部沖刷對結(jié)構(gòu)動力特性的影響進行了分析研究，提出了多種模型對橋墩沖刷情況進行預測［8］。趙海培提出了一種適用于水下柱狀結(jié)構(gòu)的沖刷監(jiān)測方法［9］。周豐年等利用多波束測深系統(tǒng)監(jiān)測蘇通大橋主塔墩防護工程施工前后微地形變化，為蘇通大橋沖刷防護工程的實施提供了技術(shù)支撐［10］。

目前對于水工建筑物水下部分的安全監(jiān)測，主要通過水下微地形變化監(jiān)測、聲吶技術(shù)和ROV水下檢測技術(shù)實現(xiàn)。聲吶技術(shù)又分為側(cè)掃聲吶技術(shù)和三維聲吶技術(shù)，其技術(shù)特點有所不同，最主要特點是獲取水工建筑物水下部分高分辨率的影像資料［11-12］，但側(cè)掃聲吶技術(shù)定位精度較低；三維聲吶技術(shù)掃測距離短，工作效率低。ROV水下檢測技術(shù)以水下機器人為作業(yè)平臺，能夠獲取水工建筑物水下部分細節(jié)影像［13-14］，但成本較高、作業(yè)風險大且適用范圍較小。水下微地形變化監(jiān)測是利用多波束測深系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域進行精細掃測，其適用范圍廣泛，獲得的點云成果精度高，隨著波束數(shù)和聲波發(fā)射頻率的增加，對水下建筑物立體影像效果日漸增強，是目前較為行之有效的監(jiān)測手段［15］。但水工建筑物多為高大型建筑，傳統(tǒng)的多波束垂直安裝方式雖然可以通過調(diào)整波束扇面開角來盡可能獲取詳細的建筑物立面點云數(shù)據(jù)，但受其波束開角的限制，淺水區(qū)域水工建筑物數(shù)據(jù)采集難度大，且邊緣波束精度可靠性逐漸下降，測量精度難以保證［16］。

針對這一難題，本文結(jié)合多波束測深系統(tǒng)的工作原理及特性，提出了一種多波束傾斜安裝方案，確保在一定測量精度、點云密度的條件下，可以達到獲取水工建筑物淺水區(qū)域更加詳盡水下細微點云數(shù)據(jù)的目的。

1 多波束測深系統(tǒng)簡介

1.1 多波束測深原理

多波束測深系統(tǒng)工作原理和單波束測深一樣，即利用超聲波原理進行工作，不同的是多波束測深系統(tǒng)信號接收部分由n個呈一定角度分布的相互獨立換能器完成，根據(jù)回波信號到達換能器的時間不同，測量和記錄回波的相位差，利用相干法計算回波角度。接收換能器通過密集采樣進行相位測量以確定回波反射角，再通過每個Ping的聲波往返傳播時間計算水深，因此多波束測深系統(tǒng)每次能采集到n個水深點信息。多波束與單波束水下覆蓋對照示意如圖1所示，單波束測深沿測線方向有很多數(shù)據(jù)，但在測線之間沒有數(shù)據(jù)；多波束測深是按帶狀方式進行，其水下覆蓋是一個面。

1.2 Echo Queen多波束測深系統(tǒng)技術(shù)特點

本文使用的Echo Queen是基于第五代聲吶結(jié)構(gòu)的多波束測深儀。Echo Queen多波束測深系統(tǒng)主要由多波束測深儀及其輔助設(shè)備組成，包括多波束聲吶探頭、聲吶控制模塊（SIM）及表面聲速探頭（選配），輔助設(shè)備有姿態(tài)傳感器、GNSS定位設(shè)備、聲速剖面儀和計算機控制臺，如圖2所示。

該系統(tǒng)可發(fā)射波束256個，接收波束數(shù)最多可達1 024個，條帶覆蓋寬度可實時選擇，范圍在10°～160°，整個條帶扇區(qū)還可以實時旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)內(nèi)插計算得到更多偽波束不同，Echo Queen通過橫向搜索波束腳印，利用先進信號處理極優(yōu)角度分辨率來精確定位每個水深點。該技術(shù)基于海底回波聲學信號的聲學屬性，提供更高密度更為詳盡的真實海底水深點，非常適合水工建筑物水下部分監(jiān)測工作，其主要技術(shù)指標如表1所列。

此外，Echo Queen多波束測深系統(tǒng)具有等角測量、等距測量、高頻測量、超高密度測量等多種測量模式，頻率和波束角度也實時可調(diào)，支持傾斜安裝，為不同類型水下目標物監(jiān)測提供了便利。

2 水工建筑物多波束水下監(jiān)測流程

2.1 安裝與校準

多波束測深系統(tǒng)由多波束測深儀、GNSS和運動傳感器組合協(xié)調(diào)作業(yè)，其中多波束測深儀以聲學中心為原點，記錄每個回波波束的波束角度和水底地形點的相對位置，GNSS以地理坐標的形式記錄天線相位中心的空間位置，運動傳感器是以其參考重心為原點記錄測船的橫搖、縱搖和艏偏。因涉及多個系統(tǒng)的融合，為了實現(xiàn)坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，獲得高精度的水下地形數(shù)據(jù)，多波束測深系統(tǒng)的安裝和調(diào)試非常重要。各設(shè)備必須與船體剛性連接，運動傳感器安裝在船舶重心，多波束換能器安裝在測船側(cè)舷，GNSS安裝于多波束換能器正上方，并精確測量出各傳感器之間的相對位置關(guān)系，建立船體坐標系。船體坐標系一般以運動傳感器的參考重心為平面原點，換能器安裝桿與水面的接觸面為垂直方向起算面，左舷為X軸正向，船艏向為Y軸正向，向下為Z軸正向，具體空間關(guān)系如圖3所示。

由于各傳感器的時間同步性、安裝位置和角度等均會對測量成果產(chǎn)生影響，因此需要對這些偏差進行校準，校準的方法是采集一系列特定測線的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)后處理軟件校正功能進行計算，得到系統(tǒng)的整體時延以及多波束換能器的縱搖、橫搖、艏偏等安裝偏差。校準要求及方法如表2所列。

2.2 數(shù)據(jù)采集

水工建筑物水下監(jiān)測與傳統(tǒng)的多波束掃海測量數(shù)據(jù)采集的不同之處在于測線布設(shè)形式和掃測重疊率。傳統(tǒng)的掃海測量一般為平行布設(shè)測線，掃測重疊率超過30%，水工建筑物水下監(jiān)測一般采用“井”字形布設(shè)，且盡可能保證高重疊率（一般在80%以上），從而獲取更加密集的點云數(shù)據(jù)和更加清晰的目標物細節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Caris、Hypack等專業(yè)的多波束后處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行姿態(tài)、聲速場、水位等各項修正后進行噪聲剔除、點云編輯，最終形成點云、三維立體圖等展示成果。

3 多波束傾斜安裝試驗

3.1 實驗設(shè)計

3.1.1 傾斜安裝設(shè)計

為了實現(xiàn)多波束傾斜安裝，制作一個轉(zhuǎn)換法蘭盤，如圖4所示，用于連接換能器安裝桿與換能器。法蘭盤上端與安裝桿平行安裝，下端傾斜，傾斜角為α（約為25°）與換能器對接。設(shè)置多波束的波束開角為130°，以確保邊緣波束精度的可靠性，則最邊緣波束1可達到與水面近似平行的角度進行掃測的效果。由于多波束換能器是傾斜安裝，因此其相對于船體坐標系發(fā)生了位置變化，變化量為X改=Lsinα，Z改=L（1-cosα），在量取多波束安裝參數(shù)時，需要將計算得到的位置變化量代入到相應參數(shù)中，包括調(diào)整換能器的安裝位置、角度和高度等。角度變化量α在多波束控制軟件中輸入，并通過多波束校準精確標定出因傾斜安裝而引起的姿態(tài)變化參數(shù)，用于數(shù)據(jù)后處理改算。

3.1.2 試驗內(nèi)容

為檢驗本文多波束傾斜安裝裝置對水工建筑物立面數(shù)據(jù)采集的改進效果，選擇三峽大壩壩前泄洪孔與縱向圍堰交界區(qū)域開展試驗，掃描范圍包括三峽大壩壩前泄洪口、縱向圍堰等水工建筑物及交界處水下地形。

分別采用垂直安裝和傾斜安裝兩種方式，設(shè)置不同的作業(yè)模式對試驗區(qū)域進行掃測，測量船速均控制在4節(jié)，測量模式如表3所列。其中700 kHz測量模式下波束開角最大，為70°，且水深測量量程較淺（一般不超過35 m）。在三峽庫區(qū)高水深區(qū)域掃測效果較差，試驗成果不做分析。

3.1.3 精度統(tǒng)計

各組試驗數(shù)據(jù)經(jīng)參數(shù)校準、姿態(tài)改正、水位改正、聲速改正等修正后輸出LAS格式點云數(shù)據(jù)，校準參數(shù)見表4，點云成果見圖5，最后利用點云成果分別進行精度、相對最淺測深、相對點云密度等統(tǒng)計分析。

3.2 實驗結(jié)果與分析

（1） 絕對精度。以縱向圍堰頂部平臺設(shè)計高程為真值，在縱向圍堰頂部點云數(shù)據(jù)中均勻選擇一定數(shù)量的測點與設(shè)計高程比對，統(tǒng)計分析如表5及圖6所示。

根據(jù)以上統(tǒng)計分析：4種測量模式中誤差最大為0.092 m，滿足測量規(guī)范要求，其中垂直安裝常規(guī)測量模式精度最優(yōu)，傾斜安裝常規(guī)測量模式和高密度模式存在0.12 m左右的系統(tǒng)誤差，懷疑是轉(zhuǎn)接法蘭盤制作工藝不夠造成：① 計劃制作轉(zhuǎn)換傾角為25°，實際為21°左右；② 計劃安裝為正左舷，由于法蘭盤螺絲孔對位有偏差，實際為左舷前轉(zhuǎn)角10°左右。

（2） 相對精度。

在距離泄洪孔壩體約25 m，距離縱向圍堰約10 m處的平坦水域選擇5 m×5 m正方形區(qū)域，如圖7所示。選擇不同模式下最靠近壩體（約30 m）的單一測線點云成果，以垂直安裝常規(guī)模式測量成果為基準建立三維模型，采用模型內(nèi)插的方法內(nèi)插其余測量模式三維成果，比較內(nèi)插值與測量值之間的誤差，檢驗其相對精度，統(tǒng)計分析如表6及圖8所示。

（3） 相對點云密度。

選擇圖7區(qū)域所示正方形區(qū)域，以4種測量模式同一測線單次測量點云成果統(tǒng)計其點云密度。考慮統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀性及合理性，4種模式均選擇無漏點的區(qū)域，分別以4.5 m×4.5 m，5 m×5 m，5.5 m×5.5 m正方形選擇點云成果參與統(tǒng)計，其中平均點數(shù)以4.5 m×4.5 m，5.5 m×5.5 m正方形點數(shù)平均值與5 m×5 m正方形點數(shù)取平均，統(tǒng)計結(jié)果如表7及圖9所示。

根據(jù)以上統(tǒng)計分析：可知高密度模式相較與常規(guī)測量模式點云密度有較大增加，垂直安裝和傾斜安裝時增大倍數(shù)分別為2.27倍和3.59倍。由于傾斜安裝改變了多波束中央波束位置，同一條測線相同位置聲波波束角不同會造成其相同模式下的點云密度不同，因此垂直安裝和傾斜安裝之間點云密度不做比較。

（4） 相對最淺水深。

選擇同一條測線（距壩體約30 m）不同測量模式下壩體立面的最大高程點云統(tǒng)計，結(jié)果如表8所列。

根據(jù)以上統(tǒng)計可知：在距離水工建筑物相同距離條件下，傾斜安裝能夠獲得更淺測量成果，避免了垂直安裝必須盡量靠近水工建筑物以獲得更加詳細監(jiān)測成果的弊端，能夠極大地保障人員、船舶、設(shè)備的安全。

4 結(jié) 論

針對水工建筑物水下立面數(shù)據(jù)獲取困難的問題，本文通過對多波束換能器傾斜安裝的方式改進了水工建筑物多波束水下監(jiān)測技術(shù)方法，取得了良好的效果。通過多波束不同測量模式下監(jiān)測精度的比較分析，得出結(jié)論如下：

（1） 垂直安裝常規(guī)測量、垂直安裝高密度測量、傾斜安裝常規(guī)測量、傾斜安裝高密度測量4種模式的相對精度符合性良好，絕對精度亦能夠滿足相關(guān)測量規(guī)范規(guī)定要求。

（2） 無論是垂直還是傾斜安裝，高密度測量模式下均能有效提高測量點位密度且成果精度可靠，可為獲取水工建筑物更加詳盡的水下細微點云提供技術(shù)支撐。

（3） 相同條件下傾斜安裝能夠獲得更淺的測量成果，給水工建筑物淺水區(qū)域監(jiān)測帶來了極大便利，同時保障了測量人員、船舶、設(shè)備的安全。

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（編輯：胡旭東）

Research on multi-beam underwater fathoming technology for hydraulic structures in shallow water area

WANG Baocheng，XU Yi

（Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Yichang 443000，China）

Abstract：

If a multi-beam sounding system is installed in a conventional way （vertical），it is difficult to collect data from hydraulic structures in shallow water areas due to the limitation of the beam opening angle，and the reliability of the edge beam accuracy is gradually decreasing.Therefore，combined with the working principle and characteristics of multi-beam sounding system，a new installation scheme of multi-beam sounding system was proposed，that is，a conversion flange was made，with its upper end installed in parallel with the installation rod，and the lower end connected with the transducer in a tilted way.In addition，field tests were carried out in the spillway holes，longitudinal cofferdam and the junction areas of the Three Gorges Dam.The data acquisition accuracy of four modes of conventional measurement with vertical installation，high-density measurement with vertical installation，conventional measurement with inclined installation and high-density measurement with inclined installation were analyzed.The results show that under the condition of keeping the same distance from the scanned hydraulic structure，the absolute accuracy，relative accuracy，relative point cloud density and relative shallowest water depth of the results obtained by the new transducer tilt installation mode were 0.092 m，0.068 m，9.56 m2 and 2.41 m respectively.On the premise of ensuring the measurement accuracy，the inclined installation can obtain more comprehensive scanning data.To a certain extent，it eliminates the disadvantage that the vertical installation must be as close as possible to the hydraulic structure to obtain more detailed scanning data，which can greatly ensure the safety of personnel，ships and equipment.The high-density measurement mode can more effectively improve the density of measurement points，and the accuracy of the results is more reliable.The relevant results can be used for safety monitoring of underwater parts of similar hydropower projects.

Key words：

multi-beam sounding system； underwater monitoring； inclined installation； edge beam； Three Gorges Dam

收稿日期：2024-07-03 ；接受日期：2024-09-12

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目“多源信息融合的崩岸險情智能篩查技術(shù)研發(fā)與示范”（2023YFC3209502）；長江水利委員會水文局科技創(chuàng)新基金項目（SWJ-CJX23Z04）

作者簡介：王寶成，男，高級工程師，主要從事水文水資源、河道勘測方面的研究。E-mail：1043535448 @qq.com

通信作者：許 怡，女，工程師，碩士，主要從事河道勘測方面的研究。E-mail：1510927549@qq.com