深水拋石整平船聲吶檢測系統(tǒng)及技術(shù)應(yīng)用

劉太剛

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

聲吶技術(shù)至今已有超過100 a歷史，它是1906年由英國海軍的李維斯·理察森發(fā)明。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展進(jìn)步，聲吶技術(shù)不斷改進(jìn)，它被廣泛應(yīng)用到水下監(jiān)測的各個領(lǐng)域與行業(yè)。如今，聲吶早已在工程建筑行業(yè)應(yīng)用成熟，尤其在水下檢測和水下地形方面應(yīng)用廣泛。崔凱興[1]研究了多普勒聲吶系統(tǒng)原理及應(yīng)用，并成功應(yīng)用于多種水下載體導(dǎo)航；王久[2]等人闡述了側(cè)掃聲吶和多波束系統(tǒng)的成圖原理和誤差控制，成功應(yīng)用在失事沉船掃測打撈等多項(xiàng)任務(wù)上。張小平[3]提出了一種基于并行互連拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的實(shí)時高分辨率多波束成像聲吶系統(tǒng)方案，并圍繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開了一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，對多波束聲吶成像的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。

在港珠澳大橋島隧工程中，我國自主建造的第1艘大型深水碎石整平船采用了以PDR-2200型聲吶為主要組成部分的水下碎石基床整平聲吶檢測系統(tǒng)，對水下施工和碎石壟成型檢測發(fā)揮了極其重要的作用[4-6]。

1 整平船聲吶組合系統(tǒng)簡介

1.1 PDR-2200型聲吶

PDR-2200型聲吶是為在外海深水工程施工設(shè)計(jì)的近距離測量組合式、熱敏類型的精密回聲測深設(shè)備。通過采用耐水壓型的T17型送受波器，利用時間差收發(fā)方式，可以在相同頻率的2個頻道進(jìn)行近距離測量。其主要由記錄器、耐水圧型送受波器CH1、CH2等部件組成，其系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 PDR-2200型聲吶系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of PDR-2200 sonar system

1.2 PDR-2200型聲吶系統(tǒng)的工作原理

1）送受波器的指向角

PDR-2200型聲吶送受波器的指向角是由送受波器的形狀、超聲波的頻率、音速度等決定的理論值，一般用半減全角幾度來進(jìn)行表達(dá)。半減全角與受傳波器的垂直方向（0毅方向）的聲波強(qiáng)度，可用半減全角一半的角度來進(jìn)行表示，PDR-2200型聲吶的半減全角為6毅，如圖2所示。

圖2 送受波器的指向角示意圖Fig.2 Diagram of thedirection angle of wave receiver

受波器垂直向下方向（6毅方向范圍）的波束稱為主波束，測出的數(shù)值最準(zhǔn)確。從受波器中發(fā)出的波束，除了主波束外還有多個側(cè)波束（副波束）存在。側(cè)波束發(fā)射的角度加大，波束強(qiáng)度較弱，測量數(shù)值不準(zhǔn)確，會對主波束測出的數(shù)值產(chǎn)生不良的影響，所以應(yīng)該特別注意。如果要提高測量精度，需要避免在側(cè)向波束測量范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物。本機(jī)的側(cè)波束會向8毅、15毅、30毅的角度范圍發(fā)射波束。側(cè)波束是對稱存在的，發(fā)射角度越大，波束強(qiáng)度就越弱，測量誤差就越大。

2）送受波器的測控范圍

本機(jī)的送受波器向8毅、15毅、30毅方向側(cè)旋轉(zhuǎn)發(fā)射波束（如圖3所示），如果從送受波器端到30毅以內(nèi)有結(jié)構(gòu)物，對測量結(jié)果是有較大影響。因此，為提高整平船聲吶測控系統(tǒng)的測量精度，在聲吶30毅范圍內(nèi)不可以增加任何遮擋物。

圖3 送受波器的測控范圍Fig.3 Rangeof measurement and control for wavereceiver

1.3 GNSS（BDS）+聲吶組合測控技術(shù)

利用特殊剛性載體和聲吶技術(shù)將地面某空間點(diǎn)GNSS快速靜態(tài)測量獲取的高程精密傳遞至水下，整個定位系統(tǒng)由GNSS流動站接收機(jī)、聲吶、全站儀及適配棱鏡、姿態(tài)監(jiān)測和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等部分組成。

將GNSS流動站接收機(jī)與全站儀適配棱鏡固定在長度已知的剛性載體頂部，在載體底部安裝聲吶和姿態(tài)儀；將載體固定在支架上垂直沉放水中（GNSS和棱鏡露出水面，底部距離水底高度固定），借助于剛性載體抗撓度強(qiáng)與變形小的連接特點(diǎn)，采用快速靜態(tài)測量方法獲取剛性載體頂部的高程，便可精確得到剛性載體底部高程；然后通過載體底部聲吶采用脈沖測距法精確測量距水底距離，從而反算出水底的實(shí)時高程；同時為了檢校GNSS高程輸出精度穩(wěn)定性，通過全站儀自動照準(zhǔn)功能跟蹤測量適配棱鏡；最后將全站儀和GNSS觀測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)水下高程實(shí)時定位和監(jiān)測。

整平船上的聲吶采用脈沖測距法實(shí)現(xiàn)距離精確計(jì)算，脈沖測距是利用接收回波和發(fā)射脈沖信號間的時間差來確定距離的。

水中物體之間的距離S與時間t的關(guān)系為S=1/2ct，c為聲音在水中的傳播速度。測點(diǎn)的實(shí)際高程H就是通過拋石管上的GNSS天線測得的實(shí)際高程h，減去GNSS相位中心到拋石管底部距離L1，得到拋石管底部高程；拋石管底部高程減去聲吶的回送聲吶長度L2，得到聲吶發(fā)射裝置處的實(shí)時高程，最后聲吶高程減去聲吶測量值CH1水深值D，最終得到測點(diǎn)的實(shí)時高程值，即H=h-L1+L2-D=h-L1+L2-1/2ct。聲吶系統(tǒng)工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 聲吶系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the working principle of sonar system

1.4 拋石管傾斜修正技術(shù)

港珠澳島隧工程施工區(qū)域潮流主要為漲落潮流，方向?yàn)槟媳狈较?，與拋石管的行走方向相同，其中海水流速過大引起的拋石管傾斜占主要因素。在鋪設(shè)作業(yè)施工時，拋石管已下放至海面以下，由于拋石管受到海流影響會發(fā)生傾斜。通過自主研發(fā)的拋石管傾斜仿真計(jì)算，可以得到不同工況下拋石管各個位置的撓度變化。

1.5 聲吶系統(tǒng)修正技術(shù)

聲吶會受水深、水溫、鹽分濃度、渾濁度等因素的影響使測量值產(chǎn)生誤差，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)修正。聲吶修正時，先在水面上安裝施工聲吶的反射板，用激光測距儀直接測量施工聲吶和校核聲吶到各自反射板的距離，并在反射板上固定塔尺，如圖5所示。再將拋石管降至水下（聲吶入水即可），塔尺露出水面，利用水準(zhǔn)儀可以測出反射板的高程。通過調(diào)節(jié)校準(zhǔn)聲吶的發(fā)射聲速，使聲吶測得高程和水準(zhǔn)測量高程值一致，然后將此聲速應(yīng)用到施工聲吶修正參數(shù)中。

圖5 聲吶修正Fig.5 Correction of field sonar

1.6 拋石管傾斜儀歸零校正

整平施工前通過傾斜儀調(diào)平船體，確保拋石管垂直。同時通過調(diào)平作業(yè)，保證了整平船船體水平和傾斜儀的正常工作，從而使得拋石管在下放過程中處于自然垂直狀態(tài)。采用掃平儀對整平船傾斜儀測量校正，在頂甲板開闊地架設(shè)掃平儀，分別在船體行車道表面的4個角點(diǎn)上安放固定有接收器的水準(zhǔn)塔尺，以掃平儀視線高度為參考面，并對其掃平，讀取各水準(zhǔn)尺的讀數(shù)，比較數(shù)值，通過調(diào)整樁腿將4點(diǎn)高差互差調(diào)整小于2 mm，最后將整平船傾斜儀歸零，完成校準(zhǔn)。

2 整平船聲吶系統(tǒng)的優(yōu)越性

聲吶記錄器是整個聲吶系統(tǒng)的“指揮部”，所有的命令和操作都需要有它發(fā)出。所有工程數(shù)據(jù)參數(shù)、功能選擇、聲速模式、聲吶的靈敏度以及數(shù)據(jù)記錄等，都集成在了記錄器。

整個聲吶系統(tǒng)的工作狀態(tài)和和普通的聲吶面板有很大的區(qū)別，操作比較方便、靈活，并且所占用的面積比較小，大大節(jié)省了聲吶控制系統(tǒng)的空間，使得聲吶系統(tǒng)輕便、實(shí)用。

整平船聲吶系統(tǒng)較其他聲吶系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）記錄篇幅采用216 mm的熱敏記錄機(jī)，小型輕量、低功率化，內(nèi)置鎳鎘電池最長連續(xù)使用約4 h以上；

2）具有自動靈敏度調(diào)整的功能，可以獲得前模擬記錄的水深值，呈現(xiàn)液晶顯示，用RS232C將數(shù)據(jù)直接輸出；

3）送受波器耐水壓、性能穩(wěn)定；

4）測量精度高，經(jīng)過多項(xiàng)修正后，測量精度控制在依1 cm以內(nèi)；

5）聲吶系統(tǒng)附在拋石管上，可直接放到碎石壟上方1.5～2 m范圍內(nèi)，受海流環(huán)境影響??；

6）聲吶系統(tǒng)智能化，可直接指導(dǎo)施工。

3 整平船聲吶檢測系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

此聲吶檢測系統(tǒng)是首次在國內(nèi)應(yīng)用，應(yīng)用工程只有港珠澳大橋島隧工程，下文便以港珠澳大橋項(xiàng)目為例，對整平船聲吶檢測系統(tǒng)施工技術(shù)進(jìn)行說明。

運(yùn)行PDR-2200型聲吶工作時，首先要檢查一下聲吶有無受損或者有無雜物等遮住，確定完畢后開啟控制開關(guān)，進(jìn)入工作狀態(tài)。應(yīng)該注意的是，當(dāng)聲吶暴露在空氣中時，切莫打開開關(guān)，容易將電元器件燒壞損傷。

3.1 確定工作參數(shù)

操作“FUNCT”選擇的畫面中的項(xiàng)目，逐項(xiàng)選擇輸入?yún)?shù)，需要注意的是每個管節(jié)對應(yīng)的參數(shù)均不同，需要工前調(diào)整。

例如在E1-E10管節(jié)屬于淺水區(qū)（水深小于20 m），聲吶測量模式需要調(diào)整為S1，相反在深水區(qū)模式應(yīng)切換為D1。CH1水深值是校正聲吶距離反射板的距離，它要根據(jù)每次施工時標(biāo)定的參數(shù)值來實(shí)時調(diào)整。同樣聲速的輔正值在每個管節(jié)施工時也會有差別，需要根據(jù)每次施工前標(biāo)定的參數(shù)值來實(shí)時調(diào)整。本步驟它是施工的關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，不能有任何差錯。一旦出現(xiàn)錯誤，CH2水深值（實(shí)測水深值）就會出錯，從而導(dǎo)致鋪設(shè)碎石壟的高程出現(xiàn)差錯。

3.2 聲吶檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)

每次碎石檢測驗(yàn)收時都需要進(jìn)行聲吶檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時，將拋石管降至施工深度，通過調(diào)節(jié)修正聲吶的發(fā)射音速，直至將測量出接收發(fā)送器和反射盤之間的距離調(diào)至校正聲吶的標(biāo)定值（約1 500 mm），然后將基床鋪設(shè)使用聲吶的音速調(diào)至上述值。聲吶布置示意圖如圖6所示。

圖6 聲吶布置示意圖Fig.6 Sonar layout sketch map

1號和4號聲吶為校準(zhǔn)聲吶，2號和3號聲吶為基床鋪設(shè)使用聲吶，通過調(diào)整校準(zhǔn)聲吶的音速，調(diào)整旋鈕將屏幕上的測量長度調(diào)至標(biāo)定數(shù)值，如1 500 mm，然后將基床鋪設(shè)施工聲吶的音速調(diào)至與校準(zhǔn)聲吶相同。

3.3 成型壟驗(yàn)收

當(dāng)碎石鋪設(shè)完成后，采用聲吶檢測系統(tǒng)對成型壟進(jìn)行驗(yàn)收，將施工管理界面切換至測量界面，操作拋石管按壟中心線路進(jìn)行測量，測量完成后系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)自動生成成果圖，包括縱向和橫向的成果圖。為更直接反映壟平整度，采用實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的差值生成驗(yàn)收最終成果，如圖7所示。

同樣聲吶檢測系統(tǒng)上的記錄功能也可以實(shí)現(xiàn)此功能。在驗(yàn)收開始時，將聲吶記錄器上的CHANT（紙傳送開關(guān)）打開，系統(tǒng)會自動將碎石壟的相對形狀記錄在打印紙上，驗(yàn)收的壟軸線會出現(xiàn)一條近似直線，如果異常高點(diǎn)和低點(diǎn)很容易看出具體位置，方便后期處理。這樣做可以和施工管理系統(tǒng)之間做對比，以防在驗(yàn)收時出現(xiàn)差錯。

圖7 碎石壟驗(yàn)收成果圖Fig.7 Gravel ridgeinspection results

4 應(yīng)用效果及分析

目前，港珠澳大橋島隧工程沉管安裝及后續(xù)工程已全部完成，安裝后的貫通測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了深水整平船碎石基床的高精度鋪設(shè)，高程控制能夠滿足依4 cm的偏差要求，每一條壟的驗(yàn)收合格率都能達(dá)到90%以上，依2 cm的合格率可以達(dá)到70%以上。其中，E23管節(jié)安裝時的高程精度達(dá)到毫米級。

聲吶檢測系統(tǒng)將單一聲吶進(jìn)行了組合，將4個聲吶捆綁式應(yīng)用，這是以往工程所不具備的。這樣可以最大限度的減小聲吶在工作時因自身和周圍環(huán)境所產(chǎn)生的誤差，同時聲吶和聲吶之間還可以形成一個互補(bǔ)、互檢的作用，從而降低了產(chǎn)生誤差的幾率，使得精度得到保障。另外，本工程設(shè)定聲吶和碎石壟的間距縮短為1.5～2.7 m之間，測控精度控制在1 cm以內(nèi)。

5 結(jié)語

深水拋石整平船聲吶檢測系統(tǒng)在港珠澳大橋碎石基床鋪設(shè)施工中的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了該聲吶檢測系統(tǒng)的超高性能，達(dá)到了高精度控制施工的設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)使用時方向性強(qiáng)、能量易于集中，適用于各種不同條件的海洋環(huán)境。聲吶發(fā)出的聲波傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，能夠高精度計(jì)算出它與障礙物之間的距離，實(shí)時有效的控制施工精度。

本文以實(shí)際工程為例，對深水拋石整平船聲吶檢測系統(tǒng)做了詳細(xì)的梳理和研究，也為后續(xù)類似工程項(xiàng)目提供一些借鑒。

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