海洋测绘技术手段在水下隐蔽工程结构检测中的应用——以水下三维全景声呐为例

◎ 林斌 福建省港航勘察科技有限公司

1.引言

海洋测绘是研究海洋、江河等水域及毗邻陆地区域各种几何、物理、人文等地理空间信息采集、处理、表示、管理和应用的科学与技术[1]，主要以海洋地球物理探测技术手段为主，海洋测绘发展历程经历了模拟化、数字化初期阶段，正向信息化、智能化新阶段转型[1]，提供的技术服务也向预测、决策等服务方向拓展。

我国海洋测绘技术研究的进展主要在卫星测高、卫星遥感反演、多元数据融合分析、机载LiDAR测量技术等方面有进一步完善和成熟。我国海洋测量平台由单一的岸基、海基测量平台逐步向天基、空基和潜基平台延伸，海洋装备向无人化、智能化、便携化和多功能化方向发展。

在“一带一路”的引领下，水运工程发展迅速，为确保水运工程正常履行使用功能，需按一定的时间对其进行相应的结构检测工作，以评估判断该工程是否能继续提供安全可靠的使用功能，其中水运工程水下部分的结构处于隐蔽环境，检测主要通过水下摄像、人工潜水探摸等方式进行[2]，数据结果受采集条件及人为影响因素较大，且无法判断数据的可靠性。

随着技术的进步，海洋测绘装备不断优化升级，具有越来越多的优势和更多的应用场景，利用海洋测绘技术手段对水运工程水下部分进行检测，是一种更加客观、可靠的方法，主要的技术为水下激光扫描成像、声波扫描成像，其中激光的应用环境相对严苛，受水体浊度影响较大，信号衰减严重，数据质量不稳定，相反声波具有较强的穿透能力，具有较广的应用场景。本文以Teledyne Blueview5000-1350三维全景声呐系统为例，探讨海洋测绘技术手段在水下隐蔽工程结构检测中的应用，主要检测的内容为水下结构的外观破损情况、地形冲淤情况，提供三维点云数据和相关的尺度、规模参数等。

2.Blueview5000-1350声呐系统探测原理及系统组成

2.1 探测原理

Blueview5000-1350声呐系统利用束控技术，可使声呐探头发射1.35MHz固定频率和特定指向性的256个声波波束，并且沿垂直方向均匀分布。声波波束在水体中传播到达物体表面时发生反向散射被声呐探头接收，根据发射及接收声波的时间差∆t及声速来计算物体到探头的距离S，满足关系式：S=。

三维全景声呐系统坐标示意图如图1所示，各“波束脚印”根据此坐标系可进行位置计算，例如点m的坐标计算公式为：

图1 三维多波束扫描声呐点云位置坐标示意图

表1 Blueview 5000-1350声呐系统技术参数

其中，α为波束俯仰角度，可根据探头扫描时设置的俯仰角度及波束间的夹角计算得到各波束在某一时刻的俯仰角度；β为波束水平旋转角度，可根据探头云台旋转速度计算得到各波束在某一时刻的水平旋转角度[3]。

因此，三维全景声呐系统各个波束在每一时刻的“脚印”与探头之间的相对位置关系已确定，即可获得相对位置关系的三维点云数据图像[4]。

2.2 系统组成

Blueview 5000-1350三维全景声呐系统主要由多波束扫描声呐探头、云台、电缆、控制单元、电源、计算机等组成，水下作业时可选三角架、ROV及测量船等平台上进行。声呐探头可通过技术人员对云台的控制，实现探头以45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度进行旋转扫描[5]，旋转角度范围为-180°～180°，在应用过程中可根据工程实际情况，对这些参数进行选择，以提高工作效率。

2.3 探测方式

Blueview 5000-1350三维全景声呐系统的探测方式可分为固定式和走航式[6]。目前应用最多的是固定式探测，主要用搭载平台固定声呐探头，投放至指定位置后进行扫描，该方法相对简单，搭载平台可根据项目情况进行定制修改，灵活性较高，缺点是数据质量受平台的影响较大，如平台倾倒、滑动、抖动等因素。

走航式探测需与姿态传感器、Teledyne PDS软件联合使用，探头采用支架固定安装于测量船上进行走航测量，该方法涉及的硬件、软件设备较多，现场使用相对复杂，且受限于声呐探头的有效测量距离为30米以内，对测量船的航行要求较为严苛。优点是该方法数据质量相对稳定，且采用走航式探测，作业效率相对较高。

3.实际应用

本文以某地沿海陆岛交通码头、内河桥梁水下隐蔽工程结构检测的项目为例，探讨了Blueview 5000-1350三维全景声呐系统的适用性及实际使用过程中需要注意的问题，具体应用详见如下。

3.1 沿海陆岛交通码头水下隐蔽工程结构检测

本案例是对陆岛交通码头水下部分的外观及冲刷情况进行检测，为码头结构的整体稳定性提供基础数据。本码头采用重力式沉箱结构，检测目标为码头基床是否存在冲刷、淘空、滑坡等现象；沉箱前趾及箱体、护底块破损、沉降、淘空情况。根据检测发现的问题进行尺度和规模描述，并与工程竣工验收资料等对比分析，为整体码头结构修护提供依据。

本次检测作业方式是将三维全景声呐探头固定安装于三角支架上，通过测量船进行定点投放扫描，采用45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度进行旋转扫描拼接，获取了码头水下部分的外观及冲刷情况的检测数据，如图2、图3所示。

图2 码头前沿冲刷坑

根据上述检测结果可以得出，通过三维全景声呐系统可以较好的获取码头水下隐蔽工程的外观破损情况及冲刷情况，获取的数据可以比较立体、直观地对目标部位进行分析，并可以定量描述冲刷及外表破损程度，更好地为码头后期的加固改造方案提供客观详实的数据支撑。

3.2 桥梁水下隐蔽工程结构检测

本次检测桥梁为石拱桥，建设年代稍久，缺乏相关的检测基础数据，为保证桥梁的通行安全，现需对桥梁进行水下基础的检测。本次检测的目标为桥墩水下部分的外观破损情况检测，桥墩底部结构是否有冲刷、淘空现象，若存在需提供尺度、规模等参数。

本次作业方式采用定点投放式，针对桥梁桥墩的结构及形状，布设相应扫描站位，确保相邻站位有共同的靶体及部分重合区域用于数据拼接，由于内河水深较浅且站位距离桥墩较近，本次探头以45°、15°和-15°的球形扫描方式（见图4所示），对目标体进行检测。布设站位满足对目标体360°覆盖。

图4 桥墩检测扫描示意图

本次检测是针对桥梁水下部分的桩柱、桥墩进行外观检测，明确外观是否有破损、底部有无淘空等影响桥梁安全的因素存在。为了对桥梁桩柱、桥墩水下结构部分进行360°覆盖，每个桥墩或承重桩柱需布设4个站位，相邻两个站位之间的扫测数据满足大于10%的重叠数据及共同的靶体，以便将不同站位扫测数据拼接成一个完整的检测体。

检测处理后的典型数据如图6所示，从图中可以看出桥墩整体结构完整、底部墩台轮廓完整清晰、未见破损、桥墩迎流方向附近有一定程度的冲刷现象，但桥墩根部未发现淘空。

图6 桥梁水下桥墩

3.3 实际应用中的问题

从上述两个应用案例可以看出，三维全景声呐系统在水下隐蔽工程结构检测项目中可以获得较好的效果，检测的结果可以直观、立体地展示出来，对外观破损及冲刷淘空地程度提供定量分析，使结构检测的结果更加客观、丰富，有利于制定最优的后期解决方案。同时，三维全景声呐系统在应用过程中也存在一些问题，具体如下所述。

3.3.1 固定探头支架的要求

1）支架高度要求。本次检测的桥梁属于内河桥梁，水深相对较浅，一般3～4m最浅处仅2.3m左右，由于仪器探头安装于三角支架上，因此要求支架与探头的总高度要小于水深深度，保证探头没入水中才能进行检测。

2）支架开角要求。Blueview 5000-1350三维全景声呐系统扫描距离最大为30m，本次内河泥沙含量较大、水体浑浊，为保证扫描数据的效果，需保持探头距目标体距离为5～10m，桥墩附近区域地形一般坡度都比较大、地形倾斜严重，为了保证仪器扫描过程中探头稳定且不发生倾倒，需要三角支架的支杆开角尽量呈钝角，可提高检测站位布设的成功性。

3）支架稳定性要求。在水体流速较大的情况下，三角支架若稳定性不好，容易发生倾倒或抖动，导致检测工作无法开展或检测数据质量不佳。

3.3.2 准确识别虚假数据的要求

本次检测的内河桥梁水深较浅，当声呐探头采用仰角45°进行扫测时，声波波束遇到水面时会发生较强的反射，反射后的声波遇到目标体或河床时发生反向散射，反向散射声波被声呐探头接收后，会按照声波波束单路径传播的算法进行计算，进而生成虚假的三维点云数据，虚假点云数据与真实点云数据关于河面呈“镜像关系”，图7为本次实际检测的虚假反射三维全景声呐点云数据图像，从图中可以看出，桥墩底部墩台与桥墩上部呈“镜像关系”，正是由于虚假反射造成的，在实际处理数据时要准确地将虚假数据识别出来，避免发生错误。

图7 检测数据中的虚假反射图像

4.结论建议与未来展望

4.1 结论建议

本次利用Blueview 5000-1350三维全景声呐系统对沿海陆岛交通码头、内河桥梁水下隐蔽工程结构检测，可以给出如下结论及建议：

（1）三维全景声呐系统，可以在竖直平面内多个角度对目标体进行扫测，通过合理布设测站对目标体在水平平面内进行360°覆盖扫测，是沿海陆岛交通码头、内河桥梁水下隐蔽工程结构检测的重要技术手段，可以满足检测的实际要求；

（2）根据检测目标体周围的水深地形、作业条件等，合理选择作业方式，根据实际情况定制安装声呐探头的三角支架或其他形式可以满足作业需求的支架；

（3）根据三维全景声呐系统的探测原理，应能准确判断出噪声信息和虚假反射信息，保证处理拼接后的三维点云数据真实可靠，满足检测要求；

（4）在水深地形条件受限的环境下，定点检测会产生检测盲区时，可以考虑采用走航式的作业方式；对于水下结构有平台等凸出结构时，探头安装高度过低时会产生检测盲区可以考虑将探头倒置安装进行检测。

4.2 未来展望

（1）目前Blueview 5000-1350三维全景声呐系统主要以三角架定点投放测量方式进行，对于管道等特殊项目需搭载ROV平台，对于小型探测项目成本难以承受，若降低ROV的成本门槛，将会在更多的场景下应用。

（2）充分利用海洋测绘技术手段的优势，加强在水下隐蔽工程结构检测中的应用，可以双向促进相关技术的发展，加强多专业融合。