三維成像聲吶在排體搭接檢測(cè)中的應(yīng)用

程智慧 許吉羊

摘 要：本文介紹了三維成像聲吶的系統(tǒng)組成和工作原理，以及其在航道整治工程水下軟體排搭接檢測(cè)中的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，三維成像聲吶能夠很好的獲取水下軟體排當(dāng)前位置的搭接情況，通過(guò)三維立體呈現(xiàn)，獲得更加直觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且能夠提取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)和河床信息和排體邊緣變化趨勢(shì)，為后續(xù)鋪排提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：三維成像聲吶;軟體排;搭接寬度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U61? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）11-0072-04

1 緒論

1.1引言

長(zhǎng)江是貨運(yùn)量位居全球內(nèi)河第一的黃金水道，長(zhǎng)江航道是我國(guó)國(guó)土空間開(kāi)發(fā)最重要的東西軸線，在區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位，“十三五”期間，航道工程建設(shè)規(guī)模、投資力度將達(dá)到歷史新高度，建設(shè)速度明顯加快，通航能力將得到極大的提高。然而航道工程建設(shè)中，涉及到大量的水下隱蔽工程，其質(zhì)量的好壞是決定整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。護(hù)底工程是航道整治的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而水下軟體排鋪設(shè)是各項(xiàng)航道整治工程的基礎(chǔ)，足夠的沉排搭接寬度則是保證護(hù)底質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.2傳統(tǒng)的排體檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的航道整治工程中對(duì)水下鋪排檢測(cè)采用的最為成熟的手段為水下探摸攝像檢測(cè)。水下探摸攝像檢測(cè)是采用潛水員水下探摸的方式進(jìn)行水下鋪排的檢測(cè)。由潛水員攜帶水下電視進(jìn)行水下攝像，通過(guò)判別排體上的彩色檢測(cè)條來(lái)判定搭接寬度。

但水下探摸攝像檢測(cè)作為事后質(zhì)量控制手段，只能起到事后檢驗(yàn)施工質(zhì)量的作用;為了對(duì)鋪排施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)反應(yīng)鋪排過(guò)程中的搭接情況，可以對(duì)沉排質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)水下工程的事中質(zhì)量控制。一旦發(fā)現(xiàn)沉排質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，可以即時(shí)根據(jù)鋪排狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，采取有針對(duì)性的措施，改善鋪排施工質(zhì)量，達(dá)到事中質(zhì)量控制。

三維成像聲吶系統(tǒng)能夠獲取目標(biāo)精細(xì)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)水下軟體排搭接區(qū)域進(jìn)行掃測(cè)，以提供直觀、精確的排體搭接情況。本文闡述了三維成像聲吶的基本組成和原理，并結(jié)合武安段II標(biāo)實(shí)際工程，對(duì)三維成像聲吶在排體搭接檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 三維成像聲吶

三維成像聲吶可生成水底地形、建筑物和目標(biāo)物的高分辨率三維點(diǎn)云圖像。聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計(jì)，既可以在三腳架或ROV上進(jìn)行安裝，也可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)支架安裝。掃測(cè)時(shí)，只需在控制端進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，并觸動(dòng)按鈕，聲吶就會(huì)生成水下景象的三維點(diǎn)云。掃描聲吶頭和集成的云臺(tái)可以生成扇區(qū)掃描和球面掃描數(shù)據(jù)。

2.1系統(tǒng)組成

三維成像聲吶系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。以BV5000型3D機(jī)械掃描聲吶為例，其中硬件部分主要包括聲吶頭、云臺(tái)、甲板單元及數(shù)據(jù)傳輸電纜等;軟件部分主要包括儀器研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的Proscan、BlueViewer和第三方軟件Cyclone及相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。其中聲吶頭和云臺(tái)通過(guò)專用線纜連接到接線盒上，接線盒又通過(guò)以太網(wǎng)電纜和USB傳輸線與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與聲吶和云臺(tái)之間的通信，系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。聲吶頭發(fā)射并接收聲吶信號(hào)，云臺(tái)控制聲吶頭的旋轉(zhuǎn)和俯仰角度，Proscan是實(shí)時(shí)控制軟件，可控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)及聲吶的相關(guān)參數(shù)，BlueViewer軟件可進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)査看和基本量測(cè)，第三方軟件Cyclone可進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯處理。

2.2 工作原理

三維成像聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下掃測(cè)的基本原理為聲學(xué)測(cè)距，通過(guò)聲學(xué)閃耀陣列將不同頻率聲波按一定的角度輻射形成扇面，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的輻射角度，聲波經(jīng)目標(biāo)反射后被聲學(xué)接收器所接收，聲學(xué)接收器也是一個(gè)聲學(xué)閃耀陣列。后期通過(guò)短時(shí)傅里葉變換（STFT）等方式通過(guò)不同頻率形成不同方向波束，進(jìn)而形成扇面圖。聲波接收器閃耀陣列被布置成能夠使得目標(biāo)反射的聲場(chǎng)分量產(chǎn)生具有與被重現(xiàn)的聲場(chǎng)成分的入射角對(duì)應(yīng)頻率的聲波。其基本的形成過(guò)程如圖2所示。

扇面內(nèi)中央波束的頻率可以為1.35MHz和2.25MHz兩種，當(dāng)聲波遇到物體時(shí)會(huì)發(fā)生散射，散射回波沿入射路徑返回至接收裝置處，接收裝置按等時(shí)間間隔進(jìn)行回波信號(hào)采樣，其采樣時(shí)間間隔為10-5秒。

通過(guò)扇面內(nèi)不同波束的回波序列分別進(jìn)行底質(zhì)檢測(cè)，選取每個(gè)波束中回波強(qiáng)度最大的點(diǎn)作為感興趣點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)提取。如圖4所示。

三維圖像掃描聲吶發(fā)射一次脈沖可測(cè)量256個(gè)點(diǎn)云坐標(biāo)，即1ping點(diǎn)云數(shù)據(jù)在探頭云臺(tái)改變水平指向和垂直傾角的過(guò)程中不斷重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，便可獲得多ping點(diǎn)云坐標(biāo)。

2.3 檢測(cè)方式

在鋪排船鋪完一段排體后綁系砼塊期間，三維成像聲吶系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取水下排體實(shí)時(shí)情況，完成數(shù)據(jù)采集工作，然后經(jīng)過(guò)軟件的初步自動(dòng)處理后在PC端顯示生成的水下三維圖像，分析軟體排搭接情況[4]。

該套三維成像聲吶系統(tǒng)對(duì)鋪排施工過(guò)程的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)沉排搭接的質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了水下施工的事中質(zhì)量控制。在檢測(cè)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)問(wèn)題的情況，可以及時(shí)預(yù)警，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，采取針對(duì)性措施，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證鋪排質(zhì)量。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)江干線武漢至安慶段6米水深航道整治工程建設(shè)范圍為長(zhǎng)江干線天興洲長(zhǎng)江大橋至安慶皖河口，全長(zhǎng)約386.5公里。航道建設(shè)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為6.0米×200米×1050米（水深×航寬×彎曲半徑），部分重點(diǎn)礙航灘段航寬不低于110米（滿足設(shè)計(jì)代表船型的單船雙向通航、船隊(duì)單向通航），設(shè)計(jì)最低通航水位年保證率為98%。主要建設(shè)內(nèi)容包括：自上而下整治湖廣-羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張家洲、馬當(dāng)、東流等7個(gè)礙航灘段;建設(shè)護(hù)灘帶24道、護(hù)底帶4道，壩體10道，高灘守護(hù)15.4公里，護(hù)岸加固13.3公里，基建疏浚477萬(wàn)方，配套建設(shè)航道整治工程建筑物助航標(biāo)志63座，改造現(xiàn)有航行標(biāo)志和已有航道整治工程建筑物助航標(biāo)志147座，并實(shí)施生態(tài)建設(shè)工程。

為了保護(hù)長(zhǎng)江河道的河床地質(zhì)，避免水流沖擊導(dǎo)致航道整治工程的護(hù)底、護(hù)腳出現(xiàn)掏空損壞，對(duì)航道整治工程的水下建筑物均采取了鋪排的處理措施。水下護(hù)底的檢測(cè)，主要也是針對(duì)水下軟體排搭接的檢測(cè)，我們?cè)谖浒捕蜪I標(biāo)段航道整治工程的水下建筑物采取了三維圖像聲吶。

水下工程的施工質(zhì)量，目前主要是靠施工過(guò)程中的管理以及水下地形測(cè)圖來(lái)進(jìn)行控制。受測(cè)量精度限制，水下地形測(cè)量也不能完全反映工程實(shí)際施工質(zhì)量，因此施工質(zhì)量難以得到保證。

為準(zhǔn)確掌握航道整治水下隱蔽工程質(zhì)量狀況，特在武安段航道整治工程水下護(hù)底建設(shè)過(guò)程中推廣應(yīng)用水下實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)，確保了航道整治工程的施工質(zhì)量，可以為水下隱蔽工程質(zhì)量控制、質(zhì)量驗(yàn)收提供了科學(xué)依據(jù)。

鋪排船在鋪完一段排體后，在綁系砼塊期間，通過(guò)圖像聲吶進(jìn)行掃描，對(duì)水底鋪排質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，搭接狀況將直接在鋪排船操作室顯示屏上顯示出來(lái)，技術(shù)員將鋪排情況向現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人報(bào)告，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人根據(jù)鋪排搭接情況通知船長(zhǎng)調(diào)整船舶動(dòng)向，進(jìn)而達(dá)到鋪排施工中過(guò)程控制的目的。

3.2 檢測(cè)水下軟體排搭接寬度

實(shí)時(shí)掃描完成后形成的圖像能夠展示掃描區(qū)域水下的真實(shí)情形，尤其是上排體和下排體各自的排布邊線。通過(guò)量取兩排布邊的距離，確定重疊度，也就是搭接寬度。

從圖6中可以直觀、清晰的識(shí)別出當(dāng)前排體和下排體，以及當(dāng)前位置的搭接寬度，判斷搭接是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 提取當(dāng)前排體軌跡區(qū)域內(nèi)的河床信息

雖然施工區(qū)域都有相應(yīng)的水下地形圖，但是水流的沖刷會(huì)時(shí)刻改變河床地形，拋枕位置的不準(zhǔn)確也會(huì)形成不夠平整的地形。在掃描得到的圖像上，能夠獲取當(dāng)前位置到排尾方向約30m范圍內(nèi)的水下地形信息，包括護(hù)岸坡度、沉排區(qū)域內(nèi)的坑洼、暗溝、凸起、坡坎等。

在圖7中，軟體排邊緣位置有一個(gè)4×5米，深度約1.5米的坑，在鋪排過(guò)程中，該聲吶圖可以為施工人員提供參考，采取對(duì)應(yīng)的措施，確保該區(qū)域軟體排搭接寬度滿足要求。

3.4 觀察下排體邊界的變化趨勢(shì)

水下軟體排的搭接情況，除了與當(dāng)前排體的鋪設(shè)有直接關(guān)系外，還與下排體的著床狀態(tài)息息相關(guān)。從掃描得到的聲吶圖像上，還可以獲取到下排體邊界的狀態(tài)，分析其是呈直線延伸，抑或是向上游或下游漂移、彎曲，從而預(yù)判搭接情況，為當(dāng)前沉排提供參考。

上圖8中，下排體邊界呈彎曲狀，向內(nèi)凹縮，故當(dāng)前排體鋪設(shè)到該位置時(shí)，若未采取一定措施，則會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域搭接寬度變小，可能會(huì)小于設(shè)計(jì)最小搭接寬度。通過(guò)該聲吶圖提取下排體邊界的變化趨勢(shì)，可以指導(dǎo)當(dāng)前沉排維持原軌跡或作出適當(dāng)調(diào)整[5]。

自2018年10月開(kāi)始，水下沉排實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)方法在長(zhǎng)江中下游蘄春航道整治工程鋪排施工中進(jìn)行了運(yùn)用，共完成鋪排檢測(cè)與監(jiān)測(cè)面積為1009252 ㎡，施工方通過(guò)應(yīng)用該水下沉排實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)方法，獲得水下鋪排質(zhì)量信息，為指導(dǎo)鋪排作業(yè)施工，提高鋪排施工質(zhì)量提供了很好的技術(shù)支持。同時(shí)，在確保工程質(zhì)量的前提下，節(jié)約了工程成本。

4 總結(jié)

三維圖像聲吶水下沉排實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)水下軟體排搭接寬度，提取當(dāng)前排體軌跡區(qū)域的河床信息，觀察下排體邊界的變化趨勢(shì)，獲得更加直觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并能全面客觀的反映水底工程狀況，使業(yè)主和檢測(cè)人員更加直觀的掌握水下隱蔽工程質(zhì)量狀況。

目前該技術(shù)已成熟運(yùn)用在長(zhǎng)江中下游蘄春水道航道整治工程護(hù)底沉排施工控制中，解決了水下沉排實(shí)際沉排數(shù)據(jù)“可獲取性”難題，實(shí)現(xiàn)了水下沉排施工中軟體排的軌跡和搭接數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集。三維成像聲吶可以進(jìn)行全方位的掃描，不受水下能見(jiàn)度的影響，且能夠獲得高分辨率的點(diǎn)云圖像。而且它是對(duì)一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的全掃測(cè)，可以同時(shí)獲取排體搭接寬度、水下地形情況等多方面的信息，對(duì)于控制水下排體排施工質(zhì)量具有積極的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 查文富，畢文煥等，三維成像聲吶在水下沉船掃測(cè)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江航運(yùn)研究，2017（04）：0-63;

[2] 時(shí)振偉，劉翔，張建峰，李騰等，三維成像聲吶BV5000在水下測(cè)繪領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2013（3）：6248-52;

[3] 楊志，王建中，范紅霞等，三維全景成像聲吶系統(tǒng)在水下細(xì)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2015，33（6）：59-62 ;

[4] 吉同元，李鵬飛，徐亮，三維成像聲吶在重力式碼頭工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2018（5）：105-108;

[5] 黃建明 進(jìn)港航道水下地形的空間監(jiān)測(cè)分析[J].海洋測(cè)繪 2005（5）：43-45