激光测量技术在沉管隧道水下沉放对接监测中的应用研究

王兆卫，沈永芳

（1.上海交大海科检测技术有限公司，上海 200231；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

0 引言

沉管隧道管节沉放对接是施工关键工序之一，管节对接后如偏差过大，会引起服役期间接头渗漏水[1-2]。由于水下施工属于隐蔽工程，肉眼不可见，水下智能监测技术对于保障管节沉放对接具有至关重要的作用。管节沉放对接主要监测方法有测量塔定位法、水下声呐测量定位法和水下拉线法等[3-5]。测量塔法一般用于浅水区管节的沉放定位，管节在浮运沉放全过程中，测量塔的顶端始终露出水面，由于测量塔和管节被视为一个刚体，因此通过跟踪测量塔的位置就可以换算水中管节的姿态。声呐定位测量系统用于测量已待管节和已沉管节两个对接面的精确位置，属于相对定位法，通过发射端换能器把电信号变成声信号，在水中传递直至被接收端捕获，根据水中传递时间计算确定相对距离。拉线法也属于相对定位方法，拉线测量单元固定在待沉沉管的连接端，伸出一根金属线盒与已沉管节相连接，金属线由恒压工作的恒张力电动机牵引，金属线一旦松弛或释放过快，系统都会发出报警。

无论声呐法还是拉线法，在近距离位移监测时都会出现强烈的信号干扰，导致测量精度较低。测量塔法则适用于浅水区域，在外海建造的沉管隧道由于水深大而无测量塔。开发高精度的基于灰度重心算法原理的水下激光测量技术，作为水下工程重要技术之一，有助于提升沉管隧道对接效率、提高对接精度，对保障施工安全质量和促进沉管法隧道的发展具有重要作用。

1 灰度重心算法原理

灰度重心法是一种亚像素精度的光斑中心提取算法，其原理是计算图像中光线灰度分布的重心位置[6]。对于亮度不均匀的目标（如光斑，光条纹），灰度重心法可按目标光强分布求出光强权重质心坐标作为跟踪点。当图像光带灰度值成高斯分布时，灰度重心法提取光带中心效果最理想，且对光带截面横向平移不敏感，计算速度较快。灰度重心法把每一行计算出的光带灰度重心的横坐标作为其光带中心位置，利用灰度为权值的加权型。在大小为M·N的灰度图像中，设光斑的灰度权值为S（i，j），对于超过阈值T的均参与重心处理，则灰度重心法计算的光斑（x0，y0）为：

采用灰度重心法不需要对图形进行二值化，在目标和背景具有较大的灰阶差距时具有很好的定位效果，若目标灰度值较大、背景灰度值较小，使用灰度重心法可以计算得到较为精确的光斑中心坐标。

2 激光位移监测系统与模型试验

2.1 系统设计

根据沉管沉放对接方案，在已沉放管节或暗埋段结构物对接端面上设计布置4个激光发射器，在待沉放管节移动端上布设4个摄像水箱，激光发射器与摄像水箱一一对应。固定端激光发射器采用蓝绿激光，并确保安装垂直。安装移动端之前，将水箱充满清水并完全密闭，以提高水箱内摄像系统读数效果。水箱激光靶采用透光性和聚光性较高的材料。

用电缆连接水箱和计算机，工程人员在测量塔上方接收数据，监测管节对接姿态。为减小淤泥对激光光束的影响，激光发射器和水箱布置在管节端面腰线以上，沿中轴线对称布置。为方便安装和布线，需提前在钢封门焊接穿舱件，并满足水密性要求。电缆从水箱之中的摄像系统引出，经穿舱件进入管节内部，再通过管节上方人孔引出至测量塔。

2.2 模型试验研究

模型试验研究目的是验证激光摄像系统在水下位移监测功能和测量精度。试验分为两部分，第一部分在1.5m×3.5m水槽中进行试验，研究激光光源距离对测量精度影响、实际移动距离与测量值偏差以及光学折射对测量精度的影响。第二部分是水池联合调试试验，验证激光-摄像水箱和测距声呐组成的近距离姿态监测系统的功能性和精度，为实际工程应用提供依据。

2.2.1 水槽激光位移监测试验

如图1所示，在水槽一端放置激光发射器，激光发射器安装在可水平和垂直移动的导轨上，导轨标记有刻度。水槽另一端布置水箱，水箱尺寸40cm×40cm×40cm的立方体，表面是带有刻度的透光板，水箱安装在可以前后移动的导轨上。

图1 激光-摄像水箱位移监测精度试验（a）试验装置；（b）数显系统

试验采用控制变量法，首先水箱距离激光发射器3m，激光光束打在水箱中心，保持激光发射器y向（垂向）不变，移动x方向。同理，保持x方向不变，移动y方向。分别试验3m、2m和1m距离。

除了精度试验外，还针对透光板材料选型进行试验。透光板主要有两种材料，一种是聚酯板（PC板），另一种是有机玻璃板。PC板对光源的聚集效果更好，但是刚度小，在水压或温度作用下，容易发生变形。有机玻璃板透光性较好，但是在光斑容易发散，导致识别光斑时出现误差。

基于灰度重心算法的激光位移监测技术可以计算得到较为精确的光斑中心坐标。该方法对背景对比要求高，选择颜色较深、透光性弱、聚光型强的水箱激光靶材料，可与激光光斑形成鲜明对比，提高监测效果。

2.2.2 水池调试试验

制作管节移动端和固定端缩尺模型，在移动端管节模型上安装4个摄像水箱和1个测距声呐，在固定端管节模型上安装4个激光发射器。移动端管节模型固定在试验水池面移动桁车上，固定端模型固定在水池壁水面以下，通过桁车水平移动和定滑轮吊放管节垂直运动，模拟管节沉放对接过程。如图2所示，（a）是管节移动端模型，（b）是四个摄像水箱显示系统。

图2 试验现场（a）移动端模型；（b）显示系统

从水箱中摄像系统中不难发现，有一个摄像水箱显示较暗，读数不明显，主要原因是未在该水箱边缘安装光带。在试验中发现，激光发射器距离水箱5m以上，如果激光发射器安装存在的微小偏差，光束未水平发射，将导致激光光束发生较大的偏转，无法与水箱十字中心完全对中。

3 结语

本文针对沉管法隧道沉放对接监测的高标准要求，提出了采用激光位移测量方法，并对该方法原理、监测系统设计、模型试验进行研究分析，主要有以下结论：

（1）沉管隧道管节沉放对接监测技术一直是技术难点，设计并制作了激光位移监测系统，通过合理的安装和布线，提高实际管节沉放对接监测中操作性和便捷性。

（2）经水槽试验发现，原本可监测水平和垂向40cm范围的位移变化量，由于光在水中折射的影响，x方向和y方向量程均发生了不同程度缩小。其中，x方向缩小了20%，y方向缩小了近40%。激光光源距离对监测精度的影响不大，数显系统的读数变化与激光发射器实际移动距离基本保持线性关系。

（3）经水池联合调试试验可以分析得到，监测设备的安装效果对结果影响很大。激光发射器的安装微小角度偏差，激光光束将不再水平，会随着距离的增加，发射偏离的距离也越大，甚至水箱无法接收到激光信号。

清水、浑水、静水、动水等复杂水下环境下激光的穿透能力以及对摄影位移测量精度影响还有待进一步研究。