海洋技术▏三维全景成像声呐系统在水下细部结构检测中的应用
一、引言
目前水工建筑物或水下细部结构检测的主要技术手段有水下目视检测、水下激光成像、水下声呐成像等。其中，水下目视检测方法是利用目力、水下照相或录像等进行检测的方法，该方法虽操作方便、简单、应用面广，但其检测结果依赖于相机的成像效果及潜水员的业务素质，且存在一定的人身安全风险。水下激光成像方法是利用激光对水下建筑物进行扫描成像分析的检测方法，因激光在水中产生严重散射且能量损耗很大，因而检测的范围较小、成像质量较差。水下声呐成像是通过发射和接收声波进行测距定位的检测方法，分为单波束与多波束；单波束的声波发射角较大，其测量的精度相对较差；多波束可同时发射和接收多个波束，按其功能和扫描方式又分为多波束测深系统、侧扫声呐、三维成像声呐，多波束是近年发展的一种探测新技术，具有高效率、高精度、高分辨率、全覆盖的明显特点。三维成像声呐系统，借助三维显示技术，可提供水下目标外形轮廓的更多细节描述，是目前水下细部结构检测比较先进的手段。为此，本文以水下三维全景成像声呐系统（BV5000-1350）为例，介绍了其组成部分、工作原理、技术要点和应用范围，并通过工程检测实例，说明了其适用性和推广价值，为水下建筑物的探测提供了重要的技术手段。
二、BV5000-1350三维声呐系统简介
BV5000-1350是由美国BlueView公司研制开发的一款用于水下探测的三维声呐系统，其功能类似于陆地上的三维激光扫描仪，可生成类似光学全息效果的水下目标三维图像。系统采用旋转二维面阵方式，直接获取目标物外形轮廓的水平（X）、垂直（Y）、高度（Z）三个方向上的数据，同时获得目标物材质（属性）等更多的细节描述，生成目标的实时三维立体图像。该系统能在含沙量大、能见度低、水下地形复杂的水域环境中工作，且系统尺寸小、质量轻，可装载到各种AUV、ROV上进行水下作业，可用于水下三维场景的勘察和水下三维结构物、堤坝、管道等检查。
⒈ 系统组成
系统包括硬件部分及软件部分。其中硬件部分主要包括声呐头、云台、接线盒及数据传输电缆等，软件部分主要包括仪器研发团队自主开发的Proscan、Meshlab和第三方软件Cyclone及若干驱动程序。其中声呐头和云台通过专用线缆连接到接线盒上，接线盒又通过以太网电缆和USB传输线与计算机连接，从而实现计算机与声呐和云台之间的通信，系统示意图见图1。
图1 系统连接示意图
声呐头包含发射器、接收器及收发转换器，同时控制波束形成的电路，Proscan是实时检测控制软件，可控制云台转动及声呐的参数，Meshlab软件可进行点云数据査看和距离、角度等的量测，第三方软件Cyclone可进行点云数据编辑处理。
⒉ 工作原理
水下三维全景成像声呐系统（BV5000-1350）进行水下扫描的原理为基本的声学测距原理，系统工作时，首先通过声呐头发射一个频率为1.35MHz的脉冲信号（发射频率为40Hz），形成一个45°×1°的扇形扫描区域，每个脉冲包含256个声学波束，以相同间隔排列在垂直方向上，即每个波束的间距为0.178°，系统接收到目标物反射的信号后，结合波束形成、波束指向、振幅及相位检测等技术，得到扇形区域256个点与换能器的位置信息，生成1个2D图像（帧），再通过计算机控制云台在水平方向上360°旋转，实现检测目标物不同部位的位置信息，最终生成3D结构图像，见图2。
图2 扫描过程形成的三维声学图像
现场作业时，BV5000-1350有单角度扫描和球形扫描两种扫描方式，其中，单角扫描指声呐只在水平方向旋转扫描，旋转速度可设置为0.5°/s或1°/s，旋转角度可设置为45°、90°、180°或360°，即系统一次扫描成像最快需1.5min，最慢需12min；球形扫描则使声呐依次向上或向下倾斜一定的角度之后再进行水平方向的旋转扫描，扫描的区域是一个球形，倾斜的角度有＋45°（向上倾斜45°）、＋15°（向上倾斜15°）、－15°（向下倾斜15°）、－45°（向下倾斜45°）。球形扫描比单角度扫描范围更广，且有部分扫描区域重叠（如图3所示黑色区域），点云的密度更大，精度更高，但由于是多个倾斜角度依次扫描，扫描时间是单角度扫描的若干倍。
图3 球形扫描示意图
⒊ 技术参数及应用要点
水下三维全景成像声呐系统（BV5000-1350）整体性能较为稳定，经试验测试，在30m检测范围内，其长度误差在4cm之内，角度误差在1°之内，其各项关键技术指标见表1。现场检测的主要操作步骤如下。
表1 BV5000-1350的关键技术参数
参数名称 | 单位 | 取值 |
声呐视角 | ° | 1×45 |
扫描的范围 | ° | 45～360 |
倾斜的角度范围 | ° | －65～65 |
更新频率 | Hz | 40 |
声波频率 | MHz | 1.35 |
最大的扫描距离 | m | 30 |
波束的数量 | 256 | |
波束的宽度 | ° | 1×1 |
波束间距 | ° | 0.178 |
时间分辨率 | m | 0.031 |
大小（长×宽×高） | cm | 10.5×9.2×15.4 |
重量 | kg | 12（空气中）、 4.5（水中） |
功耗 | W | 45 |
步骤1：测站布置。BV5000-1350声呐系统有效探测范围只有30m，为获得结构物体或整个区域内的三维图像，通常需设立多个扫描测站，从不同的方位进行观测，获取若干幅扫描图像，然后经过拼接形成一个完整的目标物。一般根据检测目的、目标物形状、尺寸设置一个或多个测站，为完成图形的拼接，每个测站必须设置多个标靶，测站和标靶设置的原则是相邻两个测站，各自的扫描范围内均包含3个以上不共线的同名标靶，且相邻两个测站必须有不少于整个图像的10％扫描重叠部分。
步骤2：设置参数。参数的设置包括检测水域的声速值、扫描方式、声呐在水平方向上的旋转角度和旋转速度以及系统所输出文件的保存路径等。
步骤3：点云图像的查看和编辑。扫描获得的点云数据，可使用软件Meshlab进行图像平移、旋转、放大等操作，从不同的角度对目标物进行观察，并可测量包括点、线、面间的距离；还可使用软件Cyclone，对点云图像进行去杂、拼接和建模等。
为保证三维全景成像声呐系统获得准确的探测数据，达到最佳的图像效果还需注意以下事项。
⑴声呐固定。由于系统输出的是水下目标表面的相对坐标，因此在扫描时要确保声呐在水中不会因受水流或其他因素的影响而产生晃动或位移，从而避免因数据偏差而引起的图像变形。在实际应用中声呐的固定方式主要有三脚架、ROV、AUV、船载等，具体应用时应根据检测环境和检测对象，选择适当的固定方式。
⑵声速值测定。BV5000-1350声呐系统成像的原理是利用声波来测量目标点到测站点的距离，因此首先要获取声波在水中的传播速度，声波的传播速度与水的温度、密度和压力等因素有关，一般设为1500m/s。但对于高含沙或水质较差的水域，声速的大小会略有不同，应根据声速仪所测定的水域声速值。
⒋ 适用性及应用范围
BV5000-1350声呐系统与传统的多波束声呐的区别，在于它具有更高的分辨率，从而可提供水下目标外形轮廓的更多细节描述，而不是将水下目标视为一个点目标。与传统基于声呐原理的探测系统相比，具有以下明显优势：①能够对水下目标物（如桩、闸门、桥墩）进行实时监测，获得高密度的点云数据，生成符合人眼规律的类似光学全息成像效果的目标三维声图像。②可在含沙量大、能见度低的环境中实现三维全景扫描，获得大量的细节信息。③通过计算机软件控制监测过程，操作简便。④无需导航器等辅助设备，即可输出相对的X、Y、Z数字坐标，测量效率高。⑤可与陆地三维激光扫描仪测量的目标物水上部分的数据集成，从而得到目标物的整体三维模型。
其适用范围主要包括：
⑴水下结构安全检查。通过水下三维全景成像声呐系统对码头、潜坝、水下桥墩等水工建筑物水下结构进行扫描检测，可获得水下目标的三维全景图像，从而掌握水下建筑物当前的运行工况。
⑵水底地貌检测。水下三维全景成像声呐系统可快速完成水下地形的测量，获得高分辨率的河道地形图，从而了解河床的冲淤情况，对防洪加固工作起到指导作用。
⑶水下测量。水下三维全景成像声呐系统在有效的探测范围的误差在4cm之内，在工程应用中完全可作为一种水下测量工具为我们提供水下目标物的尺寸和方位信息。
⑷残骸搜索。为水下沉船搜救和考古提供详细信息、探测和排除水下不明物体（如炸弹、航道障碍物等），帮助工作人员更好更快地完成水下作业。
三、应用研究
本文利用该系统对南京市红山窑水利枢纽泵站、镇江市谏壁河口码头、长江下游和畅洲汊道崩窝水下岸坡等进行了检测应用研究。
⒈ 泵站检测
红山窑水利枢纽工程是滁河流域重要枢纽控制性建筑物，位于六合区南部。枢纽由泵站、节制闸、船闸三部分组成。其中，泵站的灌溉设计流量为50m3/s，排涝设计流量为15m3/s；泵站抽引进水闸为单孔尺寸3.5m×4.5m的涵洞，抽排进水闸为单孔4.0m×4.0m箱涵。根据防汛要求，每年的汛前均需对水利枢纽的各建筑物进行安全检查，以排除隐患，从而确保防汛工作的万无一失，以往检测均采用水下目视检测（潜水员探摸），本文使用BV5000-1350三维全景成像声呐系统对抽引进水闸水下部分进行结构安全检测。
根据现场勘查，检测区域内的水深、流速均较小，水下地形也较平整，故采用三脚架作为固定平台，但因水闸长度较大，超过了仪器的最大扫测量程，故设置2个测站，测站布置在闸门正前方4m左右，分别从水闸的左、右两侧采用单角度扫描方式进行检测。声呐的旋转速度设置为1°/s，水平旋转角度采用180°，扫描完成后，对两个测站图像数据进行去噪拼接，形成一个完整的水闸水下三维结构图，泵站抽引进水闸左、右侧单角度扫描结果及拼接后完整的三维结构见图4。
图4 水闸检测结果
由图4可清晰看到泵站进水闸的闸底板、闸墩及后面的拦污栅，通过系统内置的测量工具可测出所生成的图像中两个闸墩之间的间距为4.448m，高度为3.50m，与设计尺寸基本一致，误差较小。检测研究结果表明拦污栅、水下闸门形态完整，无破损，无不明物体堆积阻挡，安全性良好。
通过该项检测实践表明，该仪器系统生成的三维结构图直观清晰，测量方法快速简便，可实现水下结构安全全方位、多角度即时的动态观测。
⒉ 码头桩柱检测
待检的码头位于长江镇扬河段和畅洲右汊的谏壁河口，为当地某企业的生产运营码头，码头长30m，由于已运行20余年，码头上部已见多处船舶撞击的痕迹。为了解码头水下建筑物的状况，采用水下三维全景成像声呐系统进行检测。
码头检测与水闸检测的步骤大致相同，仍采用三脚架作为固定平台，现场设置一个测站，采用单角度扫描方式，声呐的水平旋转角度和速度分别设置为360°和0.5°/s，扫描结果见图5。
图5 码头水下部分三维结构图
由图５可直观、清晰地看到码头桩柱的水下三维结构轮廓，通过软件的测距功能，测量得到相邻两个桩柱的距离为5m，与岸上量测及设计尺寸一致。根据检测研究结果表明：①所检测的码头桩水下结构基本完好，其中两个桩柱之间的连系梁断裂缺失。②水下部分的各个尺寸与原设计尺寸相符，无明显变形。③该码头整体结构虽尚还完整，但存在局部缺陷，造成了一定的安全隐患，建议进行加固，以确保码头的安全运行。
⒊ 岸坡检测
崩岸是一种危害性较大的自然灾害现象，一般我国各大江河均存在这种现象，长江中下游崩岸现象尤为严重。本文利用水下三维全景成像声呐系统针对长江下游和畅洲左汊口门崩窝处的崩岸岸坡形态进行了检测研究。
岸坡检测采用球形扫描方式，倾角设置为＋45°、＋15°和－15°，水平旋转角度为360°，旋转速度为1°/s，扫描完成后，仪器自动完成同一测站的不同倾角的点云图像的融合，图6为出崩窝窝底附近的一个测站获取的岸坡三维图像。由图6可看到完整、清晰的岸坡形态，通过量测该处崩塌后的岸坡坡比在1:5～1:10之间；同时由于崩岸滑坡，导致坡脚处残留大量的从水面滑落块体和树木。检测测试表明，该系统可快速获取崩岸前后岸坡水下形态图像，可为崩岸监测和治理提供第一手资料。
图6 崩岸段水下岸坡检测结果
四、结论
①BV5000-1350三维全景成像声呐系统在精度、效率、点云密度方面相比其他检测设备均有较大提升，为全面、系统地进行水下细部结构检测提供重要的技术手段，具有广阔的应用前景。
②有以下方面值得进一步改进，该系统工作方式是采用固定的测站式，如配套船姿传感器、罗经仪等，实现走航式探测，可进一步提高探测效率；系统的有效探测距离为30m，如能进一步提高检测量程，将具有更广泛的应用空间。
【作者简介】本文作者/杨志 王建中 范红霞 朱立俊 洪思远，来自南京水利科学研究院和河海大学水利水电学院，本文为水利部“948”基金项目（201303）；第一作者杨志，1989年出生，男，硕士研究生，南京水利科学研究院，从事航道工程及水下测绘方向研究；本文来自《水电能源科学》（2015），参考文献略，用于学习与交流，版权归出版社与作者共同拥有。
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