探究三维声呐技术在水下结构探测中的应用问题

李硕 刘晓英

（1.国防大学 北京市 100856 2.武汉第二船舶设计研究所 湖北省武汉市 266102）

声呐又被称作“声纳”，是根据英文缩写“SONAR”经过中文音译而来的，这是一种借助声波在水下环境中表现出的放射性和传播性，结合信息处理与电声转换来实现导航与测距的现代技术[1]。另一种含义就是借助声呐技术探测水下目标的位置、性质、运行方向等信息的通讯电子设备，在水声学中属于应用范围最广的一种重要装置。声呐技术在近20 年的时间里不断进步，即便是在非接触情况下也能快速测量获水下目标的尺寸信息，获得相对于声呐的方位信息，在水下结构探测中实现了越来越深入的应用。声呐技术可根据探测成果不同的表现形式分为二维和三维，前者只能生成基于二维平面的图像，应用较多的是避碰声呐、侧扫声呐、剖面声呐这几种；后者可以生成三维点云，应用较多的是三维扫描声呐、多波束测探声呐和三维实时声呐。

1 水下结构探测难点

水下结构探测往往分为人工探测和设备探测两种：水下结构人工探测很容易受到各种客观条件的限制，比如作业条件限制，水下能见度低、水流过急等；作业时间限制，大面积探测任务所需时间与潜水作业不相符；作业深度限制，大坝、水库等有一定蓄水深度的任务就无法通过人工探测完成；主观因素限制，潜水员的专业知识水平以及对水下结构的熟悉度，最终成像的准确性与可靠性都将受到主观因素影响。

水下结构探测使用到声学、光学设备的时候，主要应用于裂缝、锈蚀、渗漏、淤积、冲坑这类问题的探测，但往往只能给出定性层面的结果，给不来精确的定量结果。比如操作简单的水下摄像最终的探测结果全依赖于相机成像效果，并且会直接受到水质情况影响；比如激光成像法，由于激光的散射能量在水下环境会出现较大的损耗，因此不能大范围成像，只能定点检查。多波束声信号到达垂直面后，换能器将吸收小部分原路反射的信号，绝大部分信号将因为垂直面的不平整而直接反射到底面，经过二次反射的声信号会再次捕捉到接受换能器中，所以垂直面就有空白的声信号区域，干扰探测判断，不能断定这就是因为冲刷淘蚀引起的[2]。侧扫声呐获得的地貌声图是二维平面的，无法精准的量化淘蚀范围和冲刷缺陷的尺寸 。本文的研究主要围绕三维声呐技术展开，这是一种具有安装便捷、操作简单、实时性观察的水下结构三维图像探测技术。

2 三维声呐系统

三维声呐系统是一种水下全景扫描成像检测技术，通过发挥声呐可穿透表面附着物的优势，最终生成分辨率更高的3D 全景图像。工作原理是围绕三维成像声呐系统，在既定探测区域内向外发射声信号，通过声成像方法来处理接收到的回波信号，从而生产各个方位的二维图像，以探测目标为中心采集代表其外形轮廓的方向性数据，即水平（X）、垂直（Y）和高度（Z）[3]。每一次成像过程都能一并获得距离信息和振幅信息，将这两个信息生成的图像通过计算合成，然后形成三维图像，见图1。

图1：三维声呐检测原理示意图

2.1 BV5000-1350三维声呐系统介绍

BV5000‐1350 这款主要用于水下探测的三维声呐系统在功能上与陆地三维激光扫描仪相似，能够生成像光学全系效果的水下目标三维图像。该系统对目标物外形轮廓三个方向数据的获取是通过旋转二维面阵实现的，还能一并获得目标物相关的材质信息，实时的最终生成目标物的三维立体图像[4]。即便在地形复杂、含沙量大、能见度低的水域环境中也能正常工作，加之质量轻、体积小，可与多种ROV、AUV进行装载结合，用于水下三维结构物、管道、堤坝的探测。

2.2 BV5000-1350三维声呐系统组成

系统组成主要包括软件与硬件两个部分，前者指的是第三方软件及相关驱动程序，后者指的是云台、接线盒、声呐头、数据传输缆线等，专用缆线将声呐头和云台连接到接线盒中，基于以太网和USB传输线建立接线盒与计算机之间的联系，让计算机保持与声呐和云台通信畅通。

BV5000‐1350 水下三维声呐系统仪器设备见图2，表1为设备主要技术参数。

图2：BV5000-1350 水下三维声呐系统

表1：BV5000‐1350 关键技术参数

在处理BV5000‐1350 水下三维声呐数据的过程中，可借助软件设定功能，让同一站位所采集的点云数据智能化合并，提升三维点云数据的可靠性；针对相邻站位采集到的三维点云数据匹配工作，可将不同检测数据之间的特征物作为参考标准，从不同站位去合并三维点云数据[5]。借助专业点云软件的数据处理功能，来请除错点，删除噪点，还能有效融合不同测站点之间的检测数据，通过浏览、判读最终的点云数据来再次核实精确测量的异常情况。

2.3 应用要点

BV5000‐1350 系统整体稳定性较好，反复测试后确定其能在30m 检测范围中的最大长度误差为4cm，最大角度误差为1°，现场检测操作步骤主要有三：

2.3.1 设置测站

BV5000‐1350 系统只有30m 的有效探测范围，要想获得清晰的结构物三维图像就要从不同方位多设立几个扫描站，采集多幅扫描图像后再将其合成为一个完整的目标物[6]。测站设置依据通常包括目标物形状、探测目的和目标物尺寸，为了更顺利的拼接图像，最好每个测站多设置几个标靶，设置标靶和测站的原则是最近的两个测站扫描范围内保证至少有3 个不撞线的同名标靶。

2.3.2 设置参数

需要设置的参数主要涉及待检测水域的声速值、水平层面的声呐旋转角度与转速、扫描方式、输出文件信息的存储路径等。

2.3.3 编辑点云图像

经过扫描获得的点云数据在采用放大、旋转、平移等方式处理后，可以得到不同角度的目标图像，借助软件功能对图像进行拼接、去杂、建模处理。

2.4 适用性及应用范围

相较于传统的多波束声呐，BV5000‐1350 声呐系统最明显的不同就在于分辨率更高，所以能更加细节化的描述水下目标结构。

适用范围有以下四个方面：一是探测水下结构，通过声呐系统探测水下桥墩、码头等水工建筑物的水下结构，形成水下目标的三维全景图像。二是检测水底地貌，快速测量水下地形，生成分辨率极高的河道地形图，基于对河床冲淤情况的掌握来科学的指导防洪加固工作。

三是水下测量工具，在有效测量范围内可将误差控制在4cm 内，可作为一种水下测量工具应用于工程方位与尺寸测量中。四是搜索残骸，提供详细的信息给水下沉船搜救工作，明确排除不明物体，提高探测效率。

为了确保三维全景成像声呐系统在结构探测应用中获取更为精准的数据，最终合成图像达到理想的效果，有以下两点需要注意：

2.4.1 声呐固定

考虑到系统输出的坐标是以水下目标表面为准的相对性数据，所以在扫描过程中要尽可能的避免声呐受到各种干扰从而发生位移或者晃动，只要存在数据偏差就会影响最终的图像成像[9]。在具体实践过程固定声呐系统所使用到的设备有ROV、AUV、三脚架和船载等，固定方式的选择要根据具体的检测环境与检测目标物情况而定。

2.4.2 声速值测定

BV5000‐1350 声呐系统成像主要依赖于声波原理，有声波传动来测量目标点和测站点的相距值，所以必须先获取水下环境中声波的传播速度，要综合考虑水的密度、水的温度、水中压力值等因素，通常情况下设置1500m/s 的声波速度[10]。不过在水质很差或者含沙量高的环境中，声波传播速度就会受到影响变得参差不齐，这种情况下最好参照声速仪给出的水域声速值。

3 三维声呐技术联合多波束的应用实例分析

以某个码头工程为例，使用三维声呐联合多波束技术测量工程基床前肩构造以及安放沉箱的施工效果，以图像化的形式呈现水下隐蔽工程，形象直观的反映出整个工程面貌，从而为检验隐蔽工程与后期维护缺陷的顺利开展提供可视化的可靠资料。

多波束测量技术应用于码头工程中有着精确度高的优势表现，可以对海床面地形情况作出准确直观的判断，这种功能可谓是港池、航道以及基床施工后最主要的检测手段。三维声呐系统水下目视检测方法的选择项包括水下照相、借助目力、录像检测等，总的来说目视检测基于三维声呐技术能够在能见度低 、含沙量大或地形复杂的地区真实的呈现水下结构和周围场景。下面将围绕工程实例，探究三维声呐技术联合多波束应用于水下结构检测的效果，分析可视化施工对检测和修复码头水下结构的具体应用。

3.1 工程概况

位于某弯口东侧的15 万吨级通用泊位工程，总长度为349m，码头基床顶标高有‐19.50m，连片式方沉箱是主要的结构形式，共计有18 个沉箱，每个沉箱尺寸的长宽高分别是18.75m、19.1m 和22.2m，趾长度为1m。完成沉箱安装后，该工程因为外部客观因素影响而停工1 年，停工前的进度刚刚止步于安装码头前沿栅栏板。正式复工前，使用三维声呐联合多波束探测技术来全面检查基床前肩以及沉箱安装情况啊， 以便为展开后续施工和修复工程缺陷提供可视化资料。

3.2 工作原理

3.2.1 三维声呐系统

水下三维声呐系统（BV5000‐1350）第一步会借助声呐头将一个1.35MHZ 频率的脉冲信号发射出去，在附近新成一个扇形扫描区域，面积范围为45°*1°，单个脉冲中的声学波束数量为265，按照相同的间隔将其统一的排列在垂直方向，最终形成固定的波束间距0.178°，把目标物的所有反射信号合成获得一个2D 平面图，计算机基于控制功能让云台进行360°旋转收集数据，得到针对目标物的全方位细节位置信息，生成最终的3D 图像。

三维系统的构成主要包括云台、声呐头、数据传输电缆、接线盒等 。

3.2.2 多波束扫测

水深扫测中的动态定位所使用的设备是 产于美国的Trimble SPS461 信标机，所有数据的采集配合使用SeaBat T50‐P 宽带多波束探测系统，采集所得数据将自动存储于计算机中。在进行水深扫测的过程中要一并完成临时潮位站，以便同步开展人工潮位观测，在结束多波束探测后提供更正潮位的参考数据，保证水深扫测全覆盖测量范围。

3.3 探测内容

基床前肩：对暗基床的标高、宽度和坡度等情况进行检查，根据规范要求来判断前肩宽度是否合理，有没有出现局部欠抛或超高的情况。

沉箱安装：对沉箱是否存在安装碰损以及沉箱接缝宽度进行检查，从定性层面分析沉箱接缝破损度，再从定量层面分析较大的接缝，逐一排查有着明显异常的裂缝。

3.4 数据分析

3.4.1 沉箱安装接缝

从北到南对18 个沉箱接缝宽度进行编号，通过分析BV5000‐1350 获得数据，联合对比实际测量尺寸，确定沉箱设计高度为22.2m，根据《水运工程验收标准》规定的内容判断，超过10m 的沉箱高度最大的接缝宽度是8H/1000=177.6m[11]。

基于数据对比得知，18 个沉箱接缝中合格的有16 个（合格率89%），其中有明显错位的是9#接缝相邻的沉箱，有长达20cm 的错位。

确定了8#沉箱安装接缝宽度，上半部位实际测量使用直尺即可完成，水下部分则应用三维声呐系统获得立体的图像化结构，由此来反映沉箱安装质量。经过分析8#沉箱安装数据可知，在未夯实的情况下，基床所发生的不均匀沉降可能导致沉箱之间出现较大的缝宽，甚至超出了规范所允许的偏差值。针对不合格的沉箱缝宽现象，要在后续后沿棱体抛石环节给予特殊处理。

3.4.2 沉箱前趾

三维声呐系统探测沉箱前趾所获得的3D 结构图像，能够将沉箱前趾周围各种堆积物清晰直观的反映出来，显示结果为整个前趾均被覆盖，不管是从定量层面还是定性层面都无法分析施工效果，需要清除淤垢后再进行二次扫测。

3.4.3 基床前肩

完成多波束扫测后借助系统的数据分析与处理功能就能知晓基床前肩所淤积的淤泥情况，由于淤泥的阻挡导致无法探测到具体的宽度和高程，所以要清除淤泥后进行二次扫测。将实测断面与设计断面进行对比可知，不存在欠抛的问题。

3.5 岸坡检测

自然灾害现象中的崩岸有着极大的危害性，该普遍存在于我国各大江河地带，特别是长江中下游地区。水下三维声呐系统在这种自然灾害预防、监测、治理中有着很大的应用价值，下面就围绕长江中下游和畅州左汊口门崩窝处的崩岸岸坡形态展开水下结构检测应用研究。

以球形扫描模式展开针对岸坡形态的检测，设置3 种倾角，分别是+45°、+15°和‐15°，水平方向进行全角度360 旋转，转速设定为每秒1°，仪器完成扫描后将自动进行图像合成，同一个测试点所有倾角获得的点云图像最终呈现为一个三维图像。就是出崩窝窝底临近测试点最后合成的岸坡三维图像，从中我们可以看到一个清晰度相对较高且完整的岸坡形态，经测量得知这一岸坡崩塌后的岸坡坡比，最小为1:5，最大为1:10；另外因为崩岸滑坡检测到的坡脚处还有一些从水面滑落下来的树木和块体。经过检测应用分析，水下三维声呐系统能够高效获取崩岸前后岸坡的水下形态信息，让岸坡监测和治理工作变得更加顺利。

3.6 总结

（1）BV5000‐1350 三维声呐系统有着成像分辨率高、数据精度高等优势，以可视化方式直接呈现水下结构情况，在实际工程应用中被视为检查水下结构质量以及修复缺陷的核心技术手段。

（2）SeaBat T50‐P 多波束测量技术具有覆盖广、精度高的优势，在水下地形地貌探测应用中具有极高的准确性，与三维声呐系统成像结果相比，各方面数据都大致吻合。

（3）本次实践测量中三维声呐系统的应用有一些不足之处暴露了出来，比如水流因素、环境因素、操作方式以及设备自身功能缺陷等都有可能影响探测结果的准确性，导致无法直观反映一些微小缺陷。不过结合三维显示技术就能细节化的描述水下目标物的外形轮廓，算是当前探测水下结构较为有效且先进的手段之一。

（4）BV5000‐1350 三围全景成像声呐系统相比其他检测设备，在探测效率、探测精度、点云密度等方面都有明显的提升，是今后全面开展水下结构探测的重要技术手段，拥有广阔的应用前景。

（5）有待改进的地方除了提升性能避免一些客观影响因素以外，建议该系统今后选择的工作方式是固定测站式，比如配套罗经仪和船只传感器，用走航式探测模式来提高实现更高的探测效率。另外，在当下系统有效探测距离30m的基础上尝试向上提升探测量程，让系统检测拥有更广的应用空间。

4 结语

本文所分析的新探测技术在实际应用中能够有效、精准的提供水下目标物的结构数据，很大程度上解决当前水下扫描数据采集受阻、效率不高、数据偏差等难题，为水下结构信息采集提供了有力技术支撑，对于优化水下结构探测与开展相关治理工作奠定了夯实的基础。