三維成像聲納在水下工程中的應(yīng)用研究

程顯皓　駱承樹

摘 要：所謂的三維成像聲納技術(shù)，就是利用聲納設(shè)備發(fā)射聲波，這些聲波觸及到目標(biāo)物以后會反射回來，系統(tǒng)可以根據(jù)回波對目標(biāo)物進(jìn)行定位和成像，這種方式與常規(guī)的旁掃有所不同，它能夠直接獲取水下結(jié)構(gòu)的三維圖像，不僅及時，而且準(zhǔn)確，將這種技術(shù)應(yīng)用于水下工程中，可以順利完成水下探測工作。文章簡述了三維成像聲納系統(tǒng)的構(gòu)成及功能，并分析了其在水下工程中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維成像聲納；水下工程；應(yīng)用

前言

影響海洋工程質(zhì)量安全的因素有很多，一般將這些因素分為兩種，一種是水上結(jié)構(gòu)部分，使用一些常規(guī)技術(shù)即可排除水上部分的安全隱患，包括觸摸、觀察、NDT檢測等，另一種是水下結(jié)構(gòu)部分，受到環(huán)境的限制，使用常規(guī)技術(shù)無法排除水下部分的安全隱患，這部分隱患不僅難發(fā)現(xiàn)、難處理，而且隨著日積月累，微小缺陷可能會逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致極大的破壞，三維成像聲納技術(shù)就能夠有效解決這一問題，高效檢測海洋工程水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的安全隱患，保證海洋工程水下施工的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 三維成像聲納系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成與具體功能

三維成像聲納系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，其一是聲納頭，其二是電腦終端，其三是電源和設(shè)備安裝支架，其中聲納頭有兩個陣，一個是聲納陣，聲波信號沿著錐形方向發(fā)射出去，另一個是接收陣，該陣由若干個水聽器傳感器組成，接收返回來的聲波，最終目標(biāo)物的三維圖像會在電腦終端顯示出來，測距的范圍一般在1米至150米，圖像更新的速度可以達(dá)到每秒20次。聲納頭的布局有兩種形式，一種是靠岸加固，另一種是隨船移動，具體布局形式根據(jù)周圍環(huán)境以及檢測對象的特征確定。而在一般的海洋工程中，經(jīng)常使用的是二維聲納Seaking DFS，聲納頭的布局有所不同，一般都是固定安裝在ROV（水下機(jī)器人）上，通過對水下機(jī)器人的操控實(shí)現(xiàn)對聲納頭位置的控制，隨著海洋工程的進(jìn)一步發(fā)展，人們對聲吶技術(shù)提出更高要求，將三維聲納應(yīng)用于海洋工程中，通過聲波信號的發(fā)射與收集，形成具有較高分辨率的圖像，不僅能做到實(shí)時成像，圖像還可以被縮放、旋轉(zhuǎn)和移動，為水下施工過程提供準(zhǔn)確、完整的信息[1]。

實(shí)際操作過程中，技術(shù)人員可以通過調(diào)節(jié)軟件參數(shù)來獲取每組圖像對應(yīng)的坐標(biāo)和距離等具體信息，為了做到實(shí)時觀察，獲得更好的探測效果，可以根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)節(jié)聲納頭的角度，可以調(diào)節(jié)發(fā)射角，也可以調(diào)節(jié)接收角，這樣就打破傳統(tǒng)探測系統(tǒng)的探測局限性。但是要注意的是，三維成像聲納系統(tǒng)在工作時要保證設(shè)備靜止，該系統(tǒng)在獨(dú)立工作時不能做到行進(jìn)過程中的連續(xù)探測，因此即使設(shè)備隨船移動，也要將其固定在船舷上，并且不在行船時探測，如果風(fēng)浪較大，船體不穩(wěn)定，探測質(zhì)量就會受到影響，為了解決這一問題，最好在系統(tǒng)中加入另外兩個系統(tǒng)，一個是GPS定位系統(tǒng)，另一個是姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)探測，有效提升系統(tǒng)在使用過程中的穩(wěn)定性。因此，將GPS定位系統(tǒng)以及姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)安裝在ROV上，就能夠解決探測穩(wěn)定性、連續(xù)性差的問題，實(shí)現(xiàn)ROV三維聲納深水探測。

1.2 二維成像聲納與三維成像聲納的對比

二維聲納技術(shù)主要用于水下目標(biāo)的探測、定位以及識別，該技術(shù)的基礎(chǔ)也是聲波學(xué)，但是最終獲得的是目標(biāo)物在距離和方向上的二維圖像，與二維聲納技術(shù)相比，三維成像聲納具有以下特征：首先，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水下實(shí)時探測，并將復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)完整、準(zhǔn)確的呈現(xiàn)在電腦終端上，圖像比二維結(jié)構(gòu)更加立體、清晰；其次，系統(tǒng)將水下探測、跟蹤以及成像三項(xiàng)工作融為一體，只要沒有超出探測范圍，就能夠?qū)崟r獲取三維圖像；最后，該系統(tǒng)利用聲波原理，因此不會受到水質(zhì)的影響，即使水下能見度為零，系統(tǒng)也可以正常工作，且成像質(zhì)量完全不會受到影響[2]。

2 三維成像聲納在水下工程中的具體應(yīng)用

2.1 三維成像聲納的常規(guī)應(yīng)用范圍

目前，三維成像聲納技術(shù)在水下工程中的應(yīng)用非常廣泛：第一，可以利用該技術(shù)進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)安全檢測，排除安全隱患；第二，可以檢查水下的堤防護(hù)坡，根據(jù)圖像判斷防護(hù)坡是否被破壞；第三，檢查河道底部積淤狀況，為后續(xù)清淤工作做好準(zhǔn)備；第四，可以為沉船事故的搜救工作提供支持；第五，可以利用該技術(shù)開展水下考古工作。總而言之，系統(tǒng)可以完成所有水下探測工作，使人們準(zhǔn)確掌握水下工程現(xiàn)狀，做到工程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取，同時，系統(tǒng)可以利用繪圖軟件繪制出工程結(jié)構(gòu)的斷面圖，這樣水下施工作業(yè)的準(zhǔn)確性就大大提高了，總而言之，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于各類水下工程探測中，有效保證水下工程建設(shè)和運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]。

2.2 三維成像聲納在海洋工程中的應(yīng)用拓展

隨著三維聲納、ROV水下機(jī)器人、工程船DP系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在海洋工程領(lǐng)域，三維成像聲納的應(yīng)用越來越廣，為安裝施工帶來了更大的便利。具體可歸納為以下幾方面。

2.2.1 海洋工程結(jié)構(gòu)安裝施工中的應(yīng)用

在進(jìn)行海洋工程水下結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)時，由于水下環(huán)境的能見度不高，通過ROV水下機(jī)器人攝像頭監(jiān)控往往效果不佳，不能實(shí)時掌握吊放狀態(tài)。如采用三維聲納成像技術(shù)對作業(yè)過程進(jìn)行觀察，作業(yè)位置及機(jī)械裝備會反射系統(tǒng)發(fā)射出的波束信號，并將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，這些電信號傳輸?shù)铰暭{控制單元以后，操作軟件就會將信息轉(zhuǎn)換成圖像，顯示吊放作業(yè)全景過程，把握結(jié)構(gòu)物吊放姿態(tài)，并通過計(jì)算機(jī)的模擬功能，與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，指揮人員可以以此為依據(jù)對作業(yè)過程進(jìn)行指揮，提高安裝施工的效率和精度。

2.2.2 海洋工程海底線纜路由探查中的應(yīng)用

在安裝水下工程中的附屬管線時，要對安裝環(huán)境進(jìn)行檢查，利用三維成像聲納技術(shù)檢查水下環(huán)境，可以清晰的看到海底地形以及各個岸坡的分布情況，明確該地區(qū)的海底環(huán)境是否適合鋪裝海底線纜，并可依據(jù)三維數(shù)據(jù)提前進(jìn)行挖溝及懸跨處理的方案設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期。安裝結(jié)束以后，仍可使用該技術(shù)對安裝結(jié)果進(jìn)行檢查，確保安裝位置正確，安裝結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)錯誤，如果三維圖像與設(shè)計(jì)不符，說明安裝存在問題，要找出問題所在并及時調(diào)整，問題解決以后重新探測，直到合格為止[4]。

2.2.3 海洋工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查中的應(yīng)用

為了保證海洋工程的質(zhì)量，一般要定期對海洋工程中重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，主要包括導(dǎo)管架、海底管道、電纜、管匯、基盤等。例如導(dǎo)管架，每隔一段時間就要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)外觀檢查，對于簡單結(jié)構(gòu)，往往是通過ROV水下機(jī)器人的攝像頭進(jìn)行查看即可。對于較復(fù)雜的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，ROV為防止臍帶電纜纏繞，不能進(jìn)入內(nèi)部檢查，都是通過潛水員進(jìn)行人工檢查，不僅效率低而且成本高。使用由ROV搭載的三維成像聲納，對導(dǎo)管架進(jìn)行外圍探測，根據(jù)探測結(jié)果獲得原始掃描數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際需要對這些數(shù)據(jù)做出處理，得出相關(guān)信息，包括長度、寬度以及深度等，將這些信息與原始設(shè)計(jì)資料對比，判斷這些結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是否滿足要求。

3 結(jié)束語

三維成像聲納技術(shù)應(yīng)用了聲學(xué)的基本原理，利用聲波的發(fā)射和收回獲取目標(biāo)物的三維圖像，同時能夠?qū)崟r讀取坐標(biāo)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不會受到水質(zhì)以及風(fēng)浪等外界因素的影響，因此被廣泛應(yīng)用于水下工程中。文章簡單介紹了三維成像聲納系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、優(yōu)勢以及應(yīng)用范圍，并分析了其在海洋工程安裝及質(zhì)量檢查的具體應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌，金利軍，洪佳，等.三維成像聲納技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報，2015，8（11）：184-188+192.

[2]戴林軍，郝曉偉，吳靜，等.基于三維成像聲納技術(shù)的水下結(jié)構(gòu)探測新方法[J].浙江水利科技，2013，12（15）：62-65.

[3]時振偉，劉翔，張建峰，等.三維成像聲納BV5000在水下測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2013，10（14）：48-52.

[4]戴林軍，姜宇強(qiáng)，朱振華.三維成像聲納技術(shù)及其在水利工程中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2013，11（13）：54-56.