多波束檢測技術(shù)在水下隱蔽工程中的應(yīng)用

熊榮軍 孫杰 孫愛國 唐正濤

摘 要：將多波束系統(tǒng)引入到水下隱蔽工程安全檢測領(lǐng)域中，在對多波束系統(tǒng)工作原理進行論述的基礎(chǔ)上，探討了借助多波束系統(tǒng)進

行水下隱蔽工程檢測的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和解決方法；并依托某壩體工程，研究了多波束系統(tǒng)的具體工程檢測效果。

關(guān)鍵詞：水下隱蔽工程檢測多波束

水下隱蔽工程的質(zhì)量一直是水運工程檢測行業(yè)關(guān)注的焦點，其檢測工作中主要存在著地質(zhì)復(fù)雜，水流紊亂以及檢測范圍狹小等難題。作為常規(guī)檢測方法的水下探摸、側(cè)掃聲納、水下機器人等均存在測試范圍狹小、精度低、速度慢等缺陷，影響了水下檢測的質(zhì)量。因此，有必要引進一種新的技術(shù)，提高水下隱蔽工程的檢測效果。

多波束檢測技術(shù)采用了廣角度和多信道定向接收技術(shù)，能夠精確快速測出沿航線一定寬度范圍內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，從而比較可靠地描繪出水下物體的精細特征。因此研究如何把多波束系統(tǒng)應(yīng)用于水下隱蔽工程檢測具有十分重要的意義。

多波束系統(tǒng)

多波束系統(tǒng)的工作原理主要是利用水下聲納模塊發(fā)射和接受脈沖聲波。多波束系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組合而成的綜合系統(tǒng)，多波束系統(tǒng)大體上可分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助傳感器和成果輸出系統(tǒng)五個部分。

工程實例應(yīng)用

某混凝土面板堆石壩于2007年建成后，壩體一直在沉降，個別面板處滲流比較大，因此需檢查面板是否存在空洞和不均勻沉降。但是由于地質(zhì)條件復(fù)雜，檢測的手段有限。因此考慮嘗試?yán)枚嗖ㄊ到y(tǒng)對面板水下部分進行檢測，以判斷面板是否存在不均勻沉降變形。

本次檢測采用丹麥Reson公司SeaBat7125多波束系統(tǒng)。

1、測區(qū)布置

主要從橫向和縱向全方位對主板面板進行大范圍的立體掃測。主壩面板檢測主要集中在面板周圍30m，該區(qū)域即為測線布置區(qū)域。

2、多波束系統(tǒng)調(diào)試

多波束系統(tǒng)調(diào)試最主要是進行船體坐標(biāo)系統(tǒng)的建立、設(shè)備安裝和校準(zhǔn)，該環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量將直接影響最終的檢測精度。

在儀器安裝定位后，進行船體坐標(biāo)系的建立，以確定水底測點的空間關(guān)系，實現(xiàn)多波束的空間位置轉(zhuǎn)化。并建立一個當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，實現(xiàn)水深數(shù)據(jù)到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

坐標(biāo)系建立后，分別量取GPS天線、羅經(jīng)、聲納探頭相對于參考點的位置，往返各量一次，取其中值。

船體坐標(biāo)系建立完成后，還需對Seabat7125多波束系統(tǒng)進行安裝校準(zhǔn)，即測定聲納測頭、羅經(jīng)和運動傳感器的安裝偏差（roll，pitch，yaw）。

3、多波束原始數(shù)據(jù)的采集和選取

根據(jù)主壩面板特點，對面板進行區(qū)域劃分。將整個面板沿壩體長度方向劃分縱斷面，并以某確定斷面為起點，右邊面板依次標(biāo)記為R1～R5，左邊面板依次標(biāo)記為L1～L9；將整個壩面沿與壩體垂直方向劃分橫斷面，于基準(zhǔn)高程為10m、20m、30m、40m、50m處依次標(biāo)記為H1～H5（見圖1）。

圖1某大壩主面板分塊標(biāo)記示意圖

本次檢測共采集到3345個側(cè)掃剖面的原始數(shù)據(jù)，每個剖面均包含某處面板由江側(cè)至壩側(cè)的256個數(shù)據(jù)。選擇具有代表性的第2015側(cè)掃剖面數(shù)據(jù)進行分析，其中每個側(cè)掃剖面含有256個數(shù)據(jù)，獲得側(cè)掃剖面數(shù)據(jù)的水深與波束序號的關(guān)系如圖2所示。

圖2側(cè)掃剖面深度與波束關(guān)系圖

圖2反映了水深和波束序號的關(guān)系，從圖中可以看出測船是沿著大壩面板斜面在航行，曲線的形狀表示的是大壩面板形狀，從測船發(fā)射的波束掃描范圍為水下6m到1m左右。

4、數(shù)據(jù)的聲速改正

利用多波束系統(tǒng)測得的聲速數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進行改正。根據(jù)聲速跟蹤法進行聲速改正，既可得出相應(yīng)的聲速改正曲線圖。其聲速改正圖如圖3所示。

圖3剖面聲速改正后對比圖

從圖3可以看出，聲速改正后的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)略微要小一點，而且這個特點在深度越深的地方越明顯，由此可以得知，隨著水深的增加，原始數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偏差。

5、數(shù)據(jù)的涌浪改正

涌浪改正主要是修正涌浪對多波束系統(tǒng)的影響。涌浪改正選用GPS驗潮的線性內(nèi)插值法，進行涌浪數(shù)據(jù)插值，然后對各水深值進行涌浪改正。

將聲速改正后的數(shù)據(jù)進行涌浪改正，涌浪改正后剖面與深度關(guān)系圖如圖4所示。

圖4剖面涌浪改正后對比圖

由圖4可知，經(jīng)過涌浪改正和聲速改正后的剖面深度數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相差不大。

圖5中兩兩曲線之間的空隙即為聲速和波浪對多波束系統(tǒng)檢測時造成的影響。由圖可知，聲速的改變和涌浪的誤差較小。

圖5剖面深度波束關(guān)系圖

藍色表示原始數(shù)據(jù)波束曲線

紅色表示聲速改正后波束曲線

綠色代表涌浪改正后的波束曲線

6、斷面結(jié)果分析

將采集到的數(shù)據(jù)，全部通過聲速改正和涌浪改正之后，各水深數(shù)據(jù)將不再與時間有關(guān)而是與坐標(biāo)系相關(guān)，并且將船坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到了大地坐標(biāo)系，然后再進行多波束探頭的橫搖、側(cè)搖以及縱搖的修正，就可以得出斷面圖（見圖6）。通過深度和高程坐標(biāo)的關(guān)系可以得出14個檢測斷面的斜率，根據(jù)斜率情況，既可判斷大壩的面板是否發(fā)生了變形和沉降。

圖6 斷面深度距離關(guān)系圖

由14個斷面的斷面圖可直接得出每一塊面板的高程與水深深度關(guān)系。根據(jù)高程與水深深度關(guān)系可直接計算出14個斷面的斜率，結(jié)果見表1所示。

表1 斷面斜率結(jié)果

由于該面板的設(shè)計斜率為1：1.4，由表3可知，壩體面板測試區(qū)域內(nèi)的14個斷面的斜率與設(shè)計斜率基本一致。

7、三維圖像分析

為更直觀反映檢測結(jié)果，可利用檢測數(shù)據(jù)直接生成三維成像圖，如圖7所示。

圖7 某大壩三維投影平面圖

該圖反映了該壩上游面板及水下地形情況，從圖7中可以看出，面板測試范圍內(nèi)（L9斷面到R5斷面）均未出現(xiàn)大的變形及空洞現(xiàn)象，面板深度方向變化均勻，未見不均勻沉降現(xiàn)象。因此可判定該壩面板表面并未發(fā)生變形、沉降及空洞，滿足設(shè)計及使用要求。

結(jié)論

通過多波束檢測，可精確得出各類水下物體的深度坐標(biāo)，進而得出物體尺寸、形狀、高度等參數(shù)，并能形成高精度三維圖像，從而具備對水下隱蔽工程的質(zhì)量檢測功能，并具備以下優(yōu)點：①以帶狀方式檢測，覆蓋范圍大，精度高；②可進行環(huán)境影響因素修正，使外界不利因素對檢測結(jié)果的影響降到最低；③可繪制成直觀的斷面圖和三維立體圖。 （作者單位：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院）