三维成像声纳在水下工程中的应用研究

三维成像声纳在水下工程中的应用研究

所谓的三维成像声纳技术，就是利用声纳设备发射声波，这些声波触及到目标物以后会反射回来，系统可以根据回波对目标物进行定位和成像，这种方式与常规的旁扫有所不同，它能够直接获取水下结构的三维图像，不仅及时，而且准确，将这种技术应用于水下工程中，可以顺利完成水下探测工作。文章简述了三维成像声纳系统的构成及功能，并分析了其在水下工程中的具体应用。

标签：三维成像声纳；水下工程；应用

前言

影响海洋工程质量安全的因素有很多，一般将这些因素分为两种，一种是水上结构部分，使用一些常规技术即可排除水上部分的安全隐患，包括触摸、观察、NDT检测等，另一种是水下结构部分，受到环境的限制，使用常规技术无法排除水下部分的安全隐患，这部分隐患不仅难发现、难处理，而且随着日积月累，微小缺陷可能会逐步扩大，最终导致极大的破坏，三维成像声纳技术就能够有效解决这一问题，高效检测海洋工程水下复杂结构部分的安全隐患，保证海洋工程水下施工的安全、稳定运行。

1 三维成像声纳系统概述

1.1 系统的构成与具体功能

三维成像声纳系统由三部分构成，其一是声纳头，其二是电脑终端，其三是电源和设备安装支架，其中声纳头有两个阵，一个是声纳阵，声波信号沿着锥形方向发射出去，另一个是接收阵，该阵由若干个水听器传感器组成，接收返回来的声波，最终目标物的三维图像会在电脑终端显示出来，测距的范围一般在1米至150米，图像更新的速度可以达到每秒20次。声纳头的布局有两种形式，一种是靠岸加固，另一种是随船移动，具体布局形式根据周围环境以及检测对象的特征确定。而在一般的海洋工程中，经常使用的是二维声纳Seaking DFS，声纳头的布局有所不同，一般都是固定安装在ROV（水下机器人）上，通过对水下机器人的操控实现对声纳头位置的控制，随着海洋工程的进一步发展，人们对声呐技术提出更高要求，将三维声纳应用于海洋工程中，通过声波信号的发射与收集，形成具有较高分辨率的图像，不仅能做到实时成像，图像还可以被缩放、旋转和移动，为水下施工过程提供准确、完整的信息[1]。

实际操作过程中，技术人员可以通过调节软件参数来获取每组图像对应的坐标和距离等具体信息，为了做到实时观察，获得更好的探测效果，可以根据实际情况合理调节声纳头的角度，可以调节发射角，也可以调节接收角，这样就打破传统探测系统的探测局限性。但是要注意的是，三维成像声纳系统在工作时要保证设备静止，该系统在独立工作时不能做到行进过程中的连续探测，因此即使设备随船移动，也要将其固定在船舷上，并且不在行船时探测，如果风浪较大，船

体不稳定，探测质量就会受到影响，为了解决这一问题，最好在系统中加入另外两个系统，一个是GPS定位系统，另一个是姿态稳定系统，对目标进行准确定位，实现连续探测，有效提升系统在使用过程中的稳定性。因此，将GPS定位系统以及姿态稳定系统安装在ROV上，就能够解决探测稳定性、连续性差的问题，实现ROV三维声纳深水探测。

1.2 二维成像声纳与三维成像声纳的对比

二维声纳技术主要用于水下目标的探测、定位以及识别，该技术的基础也是声波学，但是最终获得的是目标物在距离和方向上的二维图像，与二维声纳技术相比，三维成像声纳具有以下特征：首先，该系统能够实现水下实时探测，并将复杂的3D结构完整、准确的呈现在电脑终端上，图像比二维结构更加立体、清晰；其次，系统将水下探测、跟踪以及成像三项工作融为一体，只要没有超出探测范围，就能够实时获取三维图像；最后，该系统利用声波原理，因此不会受到水质的影响，即使水下能见度为零，系统也可以正常工作，且成像质量完全不会受到影响[2]。

2 三维成像声纳在水下工程中的具体应用

2.1 三维成像声纳的常规应用范围

目前，三维成像声纳技术在水下工程中的应用非常广泛：第一，可以利用该技术进行水下结构安全检测，排除安全隐患；第二，可以检查水下的堤防护坡，根据图像判断防护坡是否被破坏；第三，检查河道底部积淤状况，为后续清淤工作做好准备；第四，可以为沉船事故的搜救工作提供支持；第五，可以利用该技术开展水下考古工作。总而言之，系统可以完成所有水下探测工作，使人们准确掌握水下工程现状，做到工程结构数据的实时读取，同时，系统可以利用绘图软件绘制出工程结构的断面图，这样水下施工作业的准确性就大大提高了，总而言之，该系统可以应用于各类水下工程探测中，有效保证水下工程建设和运行的稳定性[3]。

2.2 三维成像声纳在海洋工程中的应用拓展

随着三维声纳、ROV水下机器人、工程船DP系统的飞速发展，在海洋工程领域，三维成像声纳的应用越来越广，为安装施工带来了更大的便利。具体可归纳为以下几方面。

2.2.1 海洋工程结构安装施工中的应用

在进行海洋工程水下结构吊装作业时，由于水下环境的能见度不高，通过ROV水下机器人摄像头监控往往效果不佳，不能实时掌握吊放状态。如采用三维声纳成像技术对作业过程进行观察，作业位置及机械装备会反射系统发射出的波束信号，并将声音信号转化为电信号，这些电信号传输到声纳控制单元以后，操作软件就会将信息转换成图像，显示吊放作业全景过程，把握结构物吊放姿态，

并通过计算机的模拟功能，与理论数据进行对比，指挥人员可以以此为依据对作业过程进行指挥，提高安装施工的效率和精度。

2.2.2 海洋工程海底线缆路由探查中的应用

在安装水下工程中的附属管线时，要对安装环境进行检查，利用三维成像声纳技术检查水下环境，可以清晰的看到海底地形以及各个岸坡的分布情况，明确该地区的海底环境是否适合铺装海底线缆，并可依据三维数据提前进行挖沟及悬跨处理的方案设计，缩短设计周期。安装结束以后，仍可使用该技术对安装结果进行检查，确保安装位置正确，安装结构没有出现错误，如果三维图像与设计不符，说明安装存在问题，要找出问题所在并及时调整，问题解决以后重新探测，直到合格为止[4]。

2.2.3 海洋工程结构质量检查中的应用

为了保证海洋工程的质量，一般要定期对海洋工程中重要结构进行检查，主要包括导管架、海底管道、电缆、管汇、基盘等。例如导管架，每隔一段时间就要进行整体结构外观检查，对于简单结构，往往是通过ROV水下机器人的摄像头进行查看即可。对于较复杂的导管架结构，ROV为防止脐带电缆缠绕，不能进入内部检查，都是通过潜水员进行人工检查，不仅效率低而且成本高。使用由ROV搭载的三维成像声纳，对导管架进行外围探测，根据探测结果获得原始扫描数据，并根据实际需要对这些数据做出处理，得出相关信息，包括长度、宽度以及深度等，将这些信息与原始设计资料对比，判断这些结构的质量是否满足要求。

3 结束语

三维成像声纳技术应用了声学的基本原理，利用声波的发射和收回获取目标物的三维图像，同时能够实时读取坐标等关键数据，不会受到水质以及风浪等外界因素的影响，因此被广泛应用于水下工程中。文章简单介绍了三维成像声纳系统的构成、功能、优势以及应用范围，并分析了其在海洋工程安装及质量检查的具体应用。

参考文献

[1]李斌，金利军，洪佳，等.三维成像声纳技术在水下结构探测中的应用[J].水资源与水工程学报，2015，8（11）：184-188+192.

[2]戴林军，郝晓伟，吴静，等.基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法[J].浙江水利科技，2013，12（15）：62-65.

[3]时振伟，刘翔，张建峰，等.三维成像声纳BV5000在水下测绘领域中的应用[J].气象水文海洋仪器，2013，10（14）：48-52.