论文专区▏侧扫声纳在护底工程软体排检测中的应用
沈立祥 陈 浩 严文晗
宁波上航测绘有限公司
【摘要】介绍了EdgeTech 4100-P型侧扫声纳系统的技术指标和工作原理。根据水下潜堤护底工程软体排的铺排特点，侧扫声纳系统可以高效地探测出海底面以上相邻的软体排结构物的拼接和叠加情况，同时还可以根据侧扫声纳图像判断软体排有无破损及破损后填充物流失情况，评估水下潜堤护底工程的安全系数。通过实例说明了侧扫声纳在软体排检测的外业工作流程，及内业图像识别与分析，探讨侧扫声纳系统在水下水工结构物探测的应用前景。
【关键词】海洋测绘；侧扫声纳；软体排检测；声纳影像判读；水下施工质量监测
一、引言
砂肋软体排具有良好的整体性、柔韧性、保沙性，它通过自身抗冲能力和反滤作用，在一定范围内可形成连续覆盖式防护，能够有效防止砂土颗粒冲刷流失，达到保护岸坡、河床的目的[1-3]，加之兼具不影响行洪、造价低廉等诸多优点，已广泛应用于航道整治工程及部分防洪水利工程中[4]。
砂肋软体排施工时通常采用逐条搭接方式施工，相应施工质量的好坏直接影响到排体的稳定性和护底效果，加之软体排铺设部位多为强水动力区域，后期往往存在一定的水毁受损问题[5]，因此在工程施工期间和后期养护阶段通常需要开展定期检测工作，以根据检测结果实施必要的工程修复和补充防护措施。
当前工程实践中，超声非接触式探测原理的侧扫声纳系统因其具备操作便捷、足够下潜深度条件下分辨率较高、条带扫描方式作业效率高、可耐受一定浊度的水体环境等优点，已成为一种较为有效的水下软体排检测技术手段[6]。本文拟以EdgeTech 4100型侧扫声纳系统为例，对基于侧扫声纳系统开展水下软体排检测的技术流程和图像识别方法展开探讨，以期为相关工程施工检测提供一定的方法论参考和理论依据。
二、声纳成像及图像判读原理
⒈声纳成像原理
EdgeTech 4100型侧扫声纳系统由拖鱼、线缆和处理器三部分组成，其工作原理为：由侧扫声纳拖鱼的发射单元两侧同时向海底发射一定频率声波脉冲，声波传播至海底或遇障碍物时发生反射和散射，其接收单元接收反射和散射到侧扫声纳拖鱼接收单元的声纳信号，声纳数据处理单元根据海底地物的散射和反射信号强度大小转换成不同灰度像素影像来呈现待探测目标相对海底的状态，并形成侧扫影像图[7-9]。内业处理时，通过侧扫声纳图像，结合测量GPS坐标，对水底软体排搭接位置进行定位，并计算出软体排的搭接宽度[10]。
⒉声纳图像判读分析原理
如图1所示，侧扫声纳扫测成果主要以图像形式为主，通过换能器发射声波，传递到水底然后被反射再通过换能器接收反射声波信号，不同的海底地貌对声波的反射强度是不一样的，这样就会被记录为明暗不一的图像，反射波越强的，图像越淡，反射越弱的越深[12]。
图1 侧扫声纳图像解译示意图
如图1所示真实侧扫声纳图像实际可以区为如下几部分：①中央有一条灰黑色的线，此处为换能器所在位置；②两侧均有一部分是没有声波反射的空白区，如上图水体左右箭头间区域，该区域为水体，宽度即当时换能器在海底面的深度；③水体边线外是实时海底表面反射识别区。上图向前箭头及S表示扫测航迹线方向向南。
扫描声纳图像的明暗和形状是判读水下结构物或地貌的最重要特征信息。侧扫声纳对裸露于海底面上的沙袋进行扫测时，通常会得到如图2所示的记录。声纳记录海底面平整沙袋时，声波折射较强，其反射较弱，反应到图像上颜色较浅，而在重叠隆起的部分因反射和散射较强会在记录的图像上形成黑色条状目标物，因重叠沙袋边缘凸起的沙袋对声波的屏蔽作用下，在重叠末端的背面形成声影区，在记录的图像上显示为白色。
图2 侧扫声纳检查软体排重叠区声波反射示意图
在设备安装可靠，定位数据质量较好的基础上，经拖鱼入水深度和斜距改正，根据图2中强反射区到声影区的距离值，其距离在扫测影像上可以直接量取，可以认定为相邻沙袋重叠区宽度。
三、案例分析
⒈项目背景及探测要求
因南京以下12.5m深水航道二期工程某标段项目海底铺排施工结束，需验证软体排铺设情况，主要检测相邻软体排拼接的重叠度是否达到相关要求，已经铺设的软体排是否存在泄漏，分析泄漏点对整个护底工程的影响。2016年1月16日，采用EdgeTech 4100型侧扫声纳系统，对施工区重要部位抽查15条扫测线，外业扫测测线长度约9.8km，扫测效果良好。
⒉现场扫测实施
⑴投入设备性能
EdgeTech 4100-P型侧扫声纳系统的主要技术指标如下：
①高精度模式频率：100/500KHz双频；
②工作范围（最大）：100KHz时每侧500m,500kHz时每侧150m；
③最大安全拖曳速度：8kn；
④横向分辨率：100kHz时为8cm, 500kHz时为2cm；
⑤纵向分辨率：100kHz时200m范围内为2.5m，5000kHz时100m范围内为0.5m；
⑥工作深度：1000m以深。
⑵扫测线布设
根据施工设计图，测线布设一般要求与沙袋拼接缝基本平行（图3），但不能重合，需要有一定的偏移，以确保拼接缝不在侧扫声纳在成像时正下方，便于图像判读。本项目共布设了15条测线，各测线实施外业作业时采用HYPACK进行导航和定位，可以大大降低因航线弯曲引起数据的偏差。
图3 侧扫声纳扫测计划测线布设示意图
⑶数据采集
侧扫声纳安装可以采用侧方拖拽和后方拖拽的的方式进行，无论哪种方式都必须确保搭载在拖鱼上的换能器水下姿态的稳定[11]。在软体排铺设状况侧扫所用的4100-P拖曳载体按侧悬挂方式安装在测量船中部左舷（图4），由可收放的吊臂向海上伸展，距船体距离为2.2m，拖体入水深度为1.5m，GPS天线安装在拖鱼拖放点。扫测时尽量保持航速匀速，避免大航向调整，航速控制在4kn左右。本次测量通过RS232接口直接把GPS定位系统得到的海上船位输出至声纳工作站。船位测量中心偏差值输入到GPS测量系统中，所得位置均为改正后船位坐标。
图4 侧扫声纳安装示意图
图4 侧扫声纳安装示意图
扫测海域水深在15m左右，扫测频率选用高频(500kHz)，量程选用100m（即左右可覆盖宽度为200m），现场调节各项参数，保障扫测图像清晰。
⒊软体排侧扫声纳图像判读分析
⑴沙袋叠加的图像判读
沙袋叠加区域的声纳影像识别关键特征在于搭接隆起处表现为重叠边缘强反射区的深色条带，而搭接末端则表现为声影区的浅色条带，扫测影像经专业图像处理软件进行各种姿态及位置常数改正，沙袋重叠宽度根据影像特征进行人工识别量算，重叠精度为亚米级。
图5 测线1侧扫声纳图像
如根据实测的测线1记录的左舷图像（图5）进行比对分析可见：左侧沙袋叠加在右侧的沙袋上，且重叠区宽度为3.1m～4.0m，如上图5两双箭头间间距为沙袋重叠宽度，经量算该点沙袋重叠宽度为3.8m。
根据测线3（图6）的扫测影像记录可以看出右侧沙袋叠加在左侧沙袋之上，且形成的叠加带的宽度为3.2m～4.5m，如图6两双箭头间间距为沙袋重叠宽度，经量算该点沙袋重叠宽度为4.3m。
图6 测线3侧扫声纳图像
⑵沙袋泄漏和回淤的图像判读
如图7所示，当沙袋内的泥沙泄漏时，泥沙覆盖在沙袋之上，会形成一片较为连续的泥沙覆盖区域，由于泥沙对声波有较强的反射作用，故在图像上会呈现出一块较强的反射区，用颜色判断时会在图像上呈现出一片近似于白色的反射区。通过直接量算坐标配准后的白色连续反射区廓线，即可以定量判断泄漏点对沙袋施工质量的影响程度，进而评估相关的安全系数。
图7 沙袋泄露区域扫描声纳图像
四、结束语
本文以EdgeTech 4100型侧扫声纳系统为例，对基于侧扫声纳系统开展水下软体排检测的技术流程和相应声纳图像的识别判读进行了探讨分析。
结果表明，该方法不仅可以提供软体排的铺设的状态，同时可以根据沙被表面的声反射特性，判读软体排泄漏、回淤的状态，为评估护底工程的安全状况提供基础数据支撑，具有较好的应用前景。
相对传统的人工探摸方法，侧扫声纳在对水下结构物的扫测不仅效率高，而且成本较低。但必须指出，侧扫声纳仍存在一定的局限性，其作业过程受局部水环境影响较大，图像判读时也需要由经验丰富的专业技术人员来实施，且受拖拽的影响，侧扫声纳图像中地物的绝对位置探测精度相对尚显不足。针对上述问题，可行的改进方向主要包括：①基于超短基线水下定位技术，改善声纳影像定位精度；②融合多波束与侧扫声纳影像区块信息，提高声纳影像的信息量和精细度，并改善声纳影像所反映的水下地物的准确度；③基于深度学习算法的高分辨率影像人工智能辅助判读技术。
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【作者简介】第一作者沈立祥，1985年出生，男，江苏盐城人，工程师，硕士，主要从事海洋测绘及水文资源调查研究；本文来自《海洋测绘》（2018年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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