三维成像技术在大坝水下垂直结构面缺陷检测中的应用

朱 俊，张洪星

(上海遨拓深水装备技术开发有限公司，上海 201306)

1 背景介绍

国内现有9万多座水库大坝，在进行大坝安全检测和维护过程中，需要探明水下混凝土冲刷缺陷与淘蚀、坝体渗漏、表面裂缝、金属腐蚀和底部淤积等安全运行隐患[1]。对于坝后消力池(塘)、尾水渠和海墁等水下结构的检测，现有技术是采用多波束和侧扫声呐，沿着预先规划的测线进行扫测，对整个水下区域进行快速扫描。

多波束测深系统也称声纳阵列测深系统(如图1所示)，是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过处理，形成多个波束，获得最多几百个海底条带上采样点的水深数据，进而快速地测出沿航线一定宽度内水下结构体的形状、大小和高低变化，并且描绘出水下地形的三维特征[2]。

图1 船载多波束系统组成和扫描示意图

随着多波束测深技术逐渐成熟，波束数增加到100多个，波束宽度减到10度上下，总扫描宽度增大至1800度[3]。依靠GPS，多波束测深系统不仅在海洋测绘中，还在江河湖泊测绘中广泛应用，进行扫描成像，提供直观水下地貌特征，类似“水下CT”[4]。

侧扫声呐一般搭载在水下拖体中，拖体左右各安装一条换能器线阵。其基本原理与侧视雷达类似，换能器发射声脉冲，碰到海底或水中物体产生散射，其反向散射波(也叫回波)会按原传播路线返回换能器被接收，在换能器内直接处理转换成一系列电脉冲(如图2所示)[5]。将每次接收的数据按时间次序纵向排列并显示，从而形成二维水下地形地貌声图。声图平面和水底面呈逐点映射关系，声图的亮度包含了水底的特征。

图2 侧扫声呐工作原理示意图

然而，现有多波束测深系统在消力池和海墁等坝后过流面检测时，对于垂直面的混凝土缺陷是有困难的，而侧扫声呐只能获得二维地貌声图，对冲刷缺陷，例如淘蚀等的尺寸参数获取也有难度。根据多波束发射换能器的工作原理，多波束的声信号传播到垂直面时，小部分原路反射被换能器接收到，大部分会由于垂直面的不平整导致反射到底面，然后部分声信号经过二次反射，再被接收换能器捕捉(图3显示了声信号的第一次反射)。这样在多波束检测作业时，就会在垂直面出现声信号空白区域，而且无法判断是否是由于冲刷淘蚀导致的声信号反射的数据空白区域。

图4显示了某次利用船载多波束进行消力池检测的结果，在垂直的导墙和水平底板之间出现了明显的数据空白区域(黑色部分显示无多波束数据)。图5显示了边墙的垂直面由于冲刷导致的混凝土淘蚀。对于混凝土重力坝，由于坝后发电机组尾水的冲刷，淘蚀也会出现在消力池的部分导墙水下部分，这对于导墙的结构安全造成潜在的危害。

图3 多波束换能器的声信号反射示意图

图4 消力池底板和边墙的多波束扫描结果

图5 边墙冲刷后形成的混凝土淘蚀

水下机器人(Remote Operational Vehicle，ROV)，是一种人为操纵作业的潜水设备，可搭载观察、检测及作业的仪器设备和机械手。ROV本体包含浮力材料、框架、推进器及相应的电子舱，水上的控制系统通过脐带缆下传电力和控制信号，并上传数据信号到控制系统。改变浮力材料或者增减配重可调整ROV的载荷；可搭载的仪器包括高清摄像头、广角/微光摄像头、图像声呐、三维扫描声呐、超短基线信标、多功能机械手、采样仪器等设备。

作为水利水电水下设施的现场检测技术手段之一，适合采用观测型电动ROV作为检测平台，该设备尺寸不大，适应水电站现场作业环境；同时可以搭载光学摄像和三维成像声呐，足够对导墙的垂直面缺陷进行水下精细扫描检测，并对重点部位近距离“驻足”观测和高精度测量。从而弥补多波束扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用。

2 三维成像技术

随着声学和三维显示技术的进步，三维成像技术可以用于解决二维声呐无法满足的水下复杂结构的成像难题。三维成像声呐可以获得高分辨率的三维实时成像，可缩放、移动、转动图像。它可应用于海洋石油行业中的导管架、海底管道、管汇等的检测，水下声视觉导航，水下桥墩探伤，河道的堤坝检测及其他的辅助应用[6]。

三维声呐配置类似于多波束的声呐探头，包括发射/接收换能器；用于发射波束，在碰到障碍物反射声信号，再接收声信号并转换成电信号传输至声呐控制盒，最后通过处理软件将扫描到的信息以图像的形式显示在电脑显示屏上。

表1列举了多种类型声呐对比。

表1 多种类型声呐

3 三维声呐系统

对比国内外现有的三维声呐产品，为了能在现有观测型电动ROV上安装，考虑了产品的尺寸参数、重量和检测作业方式，特别选定了一款用于水下探测的三维声呐系统BV5000-1350，它由美国BLUEVIEW公司研制开发。该款声呐满足电动ROV改装需求，同时该声呐在低能见度或者零能见度的水下环境中，可以获得陆地三维激光扫描获得类似的点云图，点云图精度最小达到1.2cm(软件技术手册)。

该声呐是把一个多波束探头(发射/接收换能器)集合在一个机械旋转云台上，结合角度传感器和姿态传感器，形成一个旋转二维面阵系统。它能通过扫描生成扇区扫描和球面扫描数据；直接获取水平、垂直和高度三个方向上的数据，生成实时三维立体图像。该系统可以安装在三脚架或ROV上，能在复杂水域环境中工作，通过获取一系列测点的三维点云数据，就能获取检测区域的所有扫描图像数据，如图6所示。

图6 三维声呐安装在水下机器人(ROV)上

4 工程应用研究

三维声呐搭载观测型电动ROV可获得在三脚架安装上的许多优势。

(1)适合作业水深由浅水向中深水扩大。

(2)放松水下定点作业的限制要求，例如三脚架的定点就要求平坦、可在水下固定的水下地形，对水下流速敏感；而ROV就没有这个限制，而且推进器能提供一定的抗流性。

(3)应用范围大为扩大。利用ROV水下自由航行能力和定点的灵活性，可广泛应用于水利水电的水下结构三维扫描作业，包括了大坝过流面的冲刷缺陷和两侧导墙淘蚀的检测作业。

4.1 搭载三维声呐的ROV作业流程

(1)三维声呐机械旋转云台在ROV上的安装。考虑到三维声呐包括探头和云台有5kg重量，在ROV上的安装要综合考虑ROV的有效载荷，重心和浮心的改变，浮力材料的补充和布置位置，声呐探头的安装及数据线缆的连接。

(2)ROV上电调试及三维声呐的功能测试。ROV上电后，要连接三维声呐软件，机械云台要能水平180°旋转和上下检测仰角的实现，确保进行水下水平扫描和360°球形扫描。

图7 ROV对垂直面的检测成果(正面和侧面)图8 ROV对结构垂直面的检测成果(整体)

(3)对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测。ROV的定点位置和个数很关键，通过比较三维声呐的最优扫描范围和冲刷淘蚀的检测范围的大小，确定测点的数量和位置。

(4)ROV下水，航行到各个测点进行三维扫描成像。

(5)作业完成后，回收ROV。

4.2 作业案例和成果

实际作业中，利用三维声呐可以获取混凝土重力坝的消力池两侧导墙由于发电组尾水冲刷形成的垂直面淘蚀的三维点云图。通过软件处理，可以获得淘蚀的水下定位、淘蚀面的向内深度和范围大小如图7、图8所示。

5 结论

水下检测是水利工程日常管理、应急抢修、水库大坝安全评估不可或缺的重要技术手段。作为水利水电水下设施的现场检测技术手段之一，利用ROV搭载三维成像声呐，可对大坝水下结构垂直面，如导墙的冲刷缺陷，进行水下精细扫描检测，从而弥补多波束和侧扫声呐扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用。