關(guān)于三維成像聲納技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用

蘭泰安

摘? 要：文章首先簡(jiǎn)要介紹了三維成像聲納技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及具體功能，然后分析了該技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測(cè)工作中的應(yīng)用情況，最后提出了技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中需要注意的幾點(diǎn)問(wèn)題，以備相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：三維成像聲納技術(shù);水下結(jié)構(gòu)探測(cè);應(yīng)用;分析

引言

發(fā)展水下工程是我國(guó)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑之一，隨著我國(guó)科技發(fā)展水平的逐步提高，先進(jìn)的專(zhuān)項(xiàng)科技被應(yīng)用于水下工程建設(shè)工作中，促進(jìn)了技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。三維成像聲納技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探測(cè)方法的漏洞，能夠?qū)崟r(shí)成像，圖像相對(duì)清晰，并且可以在能見(jiàn)度水平較低的水域進(jìn)行探測(cè)作業(yè)，進(jìn)一步提高水下結(jié)構(gòu)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與作業(yè)的安全性，目前已經(jīng)成為我國(guó)水下結(jié)構(gòu)探測(cè)的重要手段。

1.三維成像聲納系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及具體功能

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。三維成像聲納技術(shù)系統(tǒng)主要由聲納頭、電腦終端、電源和設(shè)備支架組成，聲納頭包括聲納陣與接受陣，前者聲波信號(hào)沿著錐形方向發(fā)射出去，然后由后者的傳感器接受，將聲波信號(hào)顯示在終端界面中，其探測(cè)的有效距離在1-150米范圍，圖像更新頻率可達(dá)20次/秒。聲納頭的布局有兩種形式，分別是靠岸加固與隨船移動(dòng)，實(shí)際布局方式還需結(jié)合探測(cè)對(duì)象及作業(yè)環(huán)境而定。水下結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)探測(cè)作業(yè)通常采用二維聲納技術(shù)，聲納頭基本都是固定在水下機(jī)器人上，然后通過(guò)控制水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)聲納頭的操控，進(jìn)行水下探測(cè)。隨著我國(guó)水下工程建設(shè)水平的提高，對(duì)于水下探測(cè)技術(shù)也提出了更加個(gè)性化的要求，三維成像聲納技術(shù)憑借聲波信號(hào)的收集并將其形成高分辨率的圖像，不但將水下情況以圖像的形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)還可以對(duì)圖像進(jìn)行靈活移動(dòng)、縮放以及旋轉(zhuǎn)，為水下水下工程的建設(shè)工作提供更多可靠依據(jù)。

1.2系統(tǒng)功能。在水下工程建設(shè)過(guò)程中，技術(shù)人員可憑借對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的設(shè)置搜集圖像對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離及坐標(biāo)等信息，同時(shí)也可結(jié)合具體探測(cè)要求對(duì)聲納頭的角度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，沖破傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)的束縛，提高探測(cè)效果。系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中一定要確保設(shè)備的靜止?fàn)顟B(tài)，如果設(shè)備是需要隨著平臺(tái)移動(dòng)，那么一定要將其固定在平臺(tái)邊緣，然后再停止移動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行探測(cè)。如遇較大的風(fēng)浪，平臺(tái)狀態(tài)不穩(wěn)定，那么系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果也會(huì)受到相應(yīng)的影響，對(duì)此，需在三維成像聲納系統(tǒng)中增加GPS 定位系統(tǒng)與姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，這樣不但能夠更加準(zhǔn)確地定位目標(biāo)位置，同時(shí)還能夠確保系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)連續(xù)探測(cè)[1]。

2.三維成像聲納技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)的應(yīng)用方式主要有四種，第一：固定式平臺(tái)布放。技術(shù)系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，聲納的位置、旋轉(zhuǎn)、傾斜等都是固定的，因此對(duì)于水下靜置目標(biāo)的探測(cè)效果較好。第二，安裝在ROV 上的布放。在ROV 上安裝聲納頭，使技術(shù)人員可以在船載安裝傳感器無(wú)法觸及的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。第三，船載式布放。該方法通常應(yīng)用于近岸區(qū)域以及淺水區(qū)域，通常將聲納頭安裝在艦船上，從繪制海底地圖到檢查水體中復(fù)雜結(jié)構(gòu)都可應(yīng)用。第四，大型設(shè)備式布放。在挖掘機(jī)設(shè)備的挖斗或者吊車(chē)吊臂上安裝聲納頭，通過(guò)機(jī)械設(shè)備對(duì)聲納頭探測(cè)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，常用于投放防洪堤壩石料作業(yè)工作中?，F(xiàn)階段三維成像聲納技術(shù)在我國(guó)水下結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用范圍較廣，如河道疏浚、橋墩及沖刷情況檢測(cè)以及水下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、水下不明物體探測(cè)以及海洋油氣勘探等方面。

2.1水下安全監(jiān)測(cè)。應(yīng)用三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像聲納技術(shù)可以水庫(kù)庫(kù)底、對(duì)港口碼頭、以及水閘室等工程水下結(jié)構(gòu)實(shí)施全面性的三維檢測(cè)，并將工程水下情況以圖像的形式直觀地展示出來(lái)，有效促進(jìn)了相關(guān)工作安全管理水平的提高。應(yīng)用終端系統(tǒng)上的UIS軟件能夠?qū)y(cè)目標(biāo)的維坐標(biāo)、直徑、距離等信息準(zhǔn)確顯示出來(lái)， 為工程施工方案的設(shè)計(jì)以及工程水下結(jié)構(gòu)情況的判定提供可靠數(shù)據(jù)信息。

2.2沖刷檢測(cè)。三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像聲納技術(shù)系統(tǒng)還可以應(yīng)用在水閘、護(hù)堤以及橋墩等水利工程主要結(jié)構(gòu)部分的沖刷檢測(cè)， 對(duì)防洪加固工作起到及時(shí)、有效的檢測(cè)探明作用。

2.3河道疏浚。將GPS定位設(shè)備與三維成像聲納技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合使用還能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域水下地形進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算機(jī)處理技術(shù)進(jìn)行地形的繪制，準(zhǔn)確顯示目標(biāo)區(qū)域水下地形圖和開(kāi)挖斷面圖， 有效促進(jìn)水下工程作業(yè)水平的提高，及時(shí)為疏浚工程提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)， 從而確保水下工程開(kāi)挖作業(yè)安排的合理性與科學(xué)性。

3.應(yīng)用三維成像聲納技術(shù)需注意的幾點(diǎn)問(wèn)題

以全面確保三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像聲納技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用效果，提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，一定要對(duì)如下幾點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)格把握：首先，作業(yè)過(guò)程中需將收納頭的額定電壓控制在24-32VDC的范圍內(nèi)，并將接收電源電壓控制在24VDC范圍內(nèi)。其次，聲納頭部分每次通電時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，以免由于內(nèi)部熱度過(guò)高而造成內(nèi)壓過(guò)低，是設(shè)備及系統(tǒng)受損。再次，若需重復(fù)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的聲納頭， 一定要在聲納頭回到冷卻狀態(tài)下進(jìn)行，保證其完全放電。最后，炎熱環(huán)境下應(yīng)避免聲納頭直接暴曬， 且不可將聲納頭面向地面放置[2]。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維成像聲納技術(shù)的研發(fā)是我國(guó)科技發(fā)展的必然成果，將其應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)的探測(cè)工作中有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)存在的弊端，更好地滿足了水下探測(cè)作業(yè)的需求，實(shí)現(xiàn)了水下目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)成像以及圖像的放大及旋轉(zhuǎn)的靈活操作，測(cè)降低了探測(cè)作業(yè)受外部環(huán)境因素的影響，為水下工程建設(shè)工作提供了更加有效的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1]程顯皓，駱承樹(shù).三維成像聲納在水下工程中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（06）：300.

[2]李斌，金利軍，洪佳，何愷愷，陸小蕾.三維成像聲納技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2015，26（03）：184-188+192.