双频识别声呐水下影像监测系统及其应用

陈星辰　陈　斌

(江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽　223126)



双频识别声呐水下影像监测系统及其应用

陈星辰陈斌

(江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽223126)

【摘要】本文介绍了双频识别声呐水下影像监测系统的工作原理，对通过仿射变换特征图像配准法对数据进行处理得到清晰整体图像的核心技术进行了分析论证；并通过系统在三河闸水下结构损坏监测中的运用情况，阐述了系统在我国水利工程水下监测中的推广应用前景。

【关键词】双频识别声呐水下影像系统；监测；应用

1概述

目前对水利工程水上结构部分的监测方法较多，技术也已成熟，但对于工程水下结构部分的监测技术还很缺乏。水工建筑物水下结构如果发生裂缝、冲坑、剥蚀等损坏，由于处于运行检查、观测的盲区，在水流的作用下损坏的部分发生和扩展非常迅速，工程维修加固不及时极易发生安全事故，造成不可估量的损失。因此研制一款科学、高精度的现代化水利工程水下结构监测系统，进行科学、有效的监测显得极为重要。

本文通过双频识别声呐水下影像影系统的阐述及在三河闸损坏检测中的应用，提出了应用双频识别声呐技术监测水工建筑物损坏的应用前景，不但弥补了水工建筑物水下损坏监测的空白，而且提高了工程损坏诊断评估的效果和效率，较好地解决了水工建筑物水下部位损坏的监测手段，为工程运行维护和加固提供了依据。

2双频识别声呐工作原理

双频识别声呐具有较高分辨率，可以在黑暗浑浊能见度极低的水中，利用声学透镜通过声波聚焦形成非常狭窄的波束生成接近光学照片画质的图像，是目前唯一运用声学透镜的声呐，其实质是一台水下高性能摄像机。根据监测对象和监测目的的需要，前期可设计监测路线、控制仪器工作姿态，后期对监测数据进行一定的处理。

2.1工作特性及参数

双频识别声呐工作时，其主体通过电缆与接线盒连接，再通过网线与数据采集用的电脑相连，主要部分与连接方式如图1所示。其中，双频识别声呐主体由声透镜和电子舱组成，工作时通过声学透镜对波束进行压缩，聚焦形成非常狭窄的波束生成接近光学照片画质的图像，如图2所示。

双频识别声呐有两个工作频率(低频1.1MHz和高频1.8MHz)，工作时的视角水平方向为29°，垂直方向为14°，高频水平方向共发射96条波束，波束宽为0.3°，最大探测量程为10m，低频水平方向共反射48条波束，波束宽度为0.6°，最大的探测量程为40m。

图1　双频识别声呐主体及工作连接方式

图2　双频识别声呐透镜及成像方式

标准型双频识别声呐主要的特性见表1。从中可以看出，其成像清晰、体积小、重量轻，便于安装和携带。根据不同的用途，可以手持观测、支架安装、AUV 搭载、ROV 搭载等，安装如图3所示。

表1　标准型双频识别声呐主要的特性

图3　双频识别声呐船上工作图

2.2主要成像特点

双频识别声呐是利用声学透镜对声波进行压缩汇聚，形成狭窄的波束，得到高清的图像数据。这也是目前唯一一款使用声学透镜来压缩波束的声呐，使用声学透镜压缩波束主要有两个优点：ⓐ压缩波束不需要消耗能量，其工作功率只有 30W；ⓑ很容易发射和接收同一波束，不会与其他波束相混淆，从而出现接收错误的波束。

双频识别声呐发射的波束经过物体表面时，根据回波的强度来显示图像。波束的频率高，在对其图像进行显示时会出现声学阴影的现象。

运用双频识别声呐探测物体时，只要根据物体与仪器的距离调整好双频识别声呐的位置与角度，保证目标物在双频识别声呐的探测视野范围内，就可以获得较好的成像。

2.3双频识别声呐系统数据后处理

2.3.1处理方法

水下双频识别声呐(DIDSON)运用声频“镜头”，在黑暗或浑水中能生成几乎等同影像质量图像的高清晰度声呐影像，但是双频识别声呐仪器由于受仪器观测视场及物理性能的限制，每次只能获取一定范围内的扫描影像，无法一站式获取某观测体的完整数字影像，因此无法直观地全面了解观测体的外观及特征点而获得其损坏情况，因此外业监测结束后需由双频识别声呐图像数字化处理系统进行识别与读图。后处理系统的核心是用特征图像配准法得到水下完整清晰的图像，从图像中获得建筑物的水下特征点(损坏情况)，同时结合高精度GPS定位系统，对水下损坏准确定位，为工程维修加固提供第一手资料。

2.3.2基于仿射变换的特征图像配准法

特征图像配准法是该检测系统的核心，分为特征提取、变换模型、坐标变换与插值、图像配准实现等步骤，其目的是将不同的场幅图像进行无缝配接，形成直观、完整、清晰的图像，以便判读分析。

2.3.2.1特征提取

在正式进行图像配准之前，对各场幅图像(参考图像)和待配准图像进行准确而有效的图像特征提取是十分重要的。它不仅能够提高图像匹配的准确性，还可以提高匹配速度。该步骤要把握以下3个方面：

a.抽取的控制点在图像中的分布要均匀。

b.所选择的控制点在待配准图像和参考图像中的定位应同步一致。

c.控制点所处区域或其周围区域的特征应独特。

2.3.2.2仿射变换

仿射变换是常用的变换模型，是根据参考图像和待配准图像之间所产生的几何上的畸变，选择可以拟合两图像之间变化情况的最优几何模型。

仿射变换步骤如下：

a.用控制点求得变换参数，将参考图像的坐标按参数进行缩放、平移、旋转变换。

b.经过对坐标轴的缩放、平移、旋转后得到各图像点阵原坐标在新坐标领域中的值。

仿射变换形式为：

f(x)=Hx+k

其中，H是变形矩阵，k是平移矢量。在二维空间中，H可以按照4步进行分解：平移、缩放、扭曲、旋转。

变换后的矩阵为：

3应用

三河闸是淮河流域性骨干工程，同时也是淮河下游入江水道的控制口门，属特大型水利工程。它是新中国成立初期我国自行设计、施工的大型水闸，设计流量12000m3/s， 1952年10月动工兴建，1953年7月建成放水。闸身为钢筋混凝土结构，共63孔，每孔净宽10m，闸孔净高6.2m。闸底板高程7.5m，单块底板宽18m，共21块底板；水闸建成后已运行63年，发挥了巨大的兴利与防洪减灾效益，其经济社会效益不可估量。

3.1检测内容

对24号、47号等闸孔的闸室底板、伸缩缝、检修门槽，检查有无缺陷、破损、剥蚀及淤积等问题。

3.2现场监测情况

现场试验于2013年10月16—18日进行。监测时上游闸室水深6.0m左右。

3.3部分监测结果

24号与47号闸孔监测情况见表2，对应水下监测图像见图4~图6。

表2　监　测　情　况

图4　监测图像(一)

图5　监测图像(二)

图6　监测图像(三)

4结论与展望

双频识别声呐水下影像监测系统通过声学原理成像，弥补了光学成像系统受环境光源亮度、水体透明度及环境对比度限制的缺陷，在浑浊、昏暗水体中也能清晰成像，可为水工建筑物的水下损坏监测提供直观、连续、可记录的影像资料，结合监测成果的后期技术处理，可得到理想的图片效果，同时可对监测的多幅图像通过预处理、图像配准、坐标定位处理，获得水工建筑物监测区域整体清晰的图像及位置信息，实现对水工建筑物水下损坏及位置的准确反映，从而达到监测水下损坏的目的。

新中国成立以来，我国兴建了大批水利工程，取得了显著的经济效益、社会效益和生态环境效益。目前，这些水利工程大部分投入运行年数较久，在复杂的自然条件和外力作用下，发生了不同程度的损坏，已经严重影响工程的安全运行与效益，因此，需要对建筑物水下状况进行监测取得第一手资料，以便于进行科学的维护与加固，确保工程安全运行、发挥效益。双频识别声呐水下影像系统监测方法简单、方便、准确、性价比高，具有广阔的推广应用前景。

参考文献

郑金堂，陈星辰.三河闸上下游地形与泄流流态异常关系浅析[J].水利建设与管理，2013(3):18-21.

Dual-frequency identification sonar underwater image monitoring

system and its application

CHEN Xingchen, CHEN Bin

(JiangsuHongzeLakeWaterConservancyProjectManagementOffice,Hongze223126,China)

Abstract:This paper introduces the working principle of dual-frequency identification sonar underwater image monitoring system. Affine transformation characteristics image registration algorithm is applied for processing data, thereby obtaining clear and integral images. The core technology is analyzed and demonstrated. Promotion and application prospect of the system in China water conservancy engineering underwater monitoring is described through analyzing operation condition of the system in Sanhe gate underwater structure damage monitoring.

Key words:dual-frequency identification sonar underwater image system; monitoring; application

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.006 10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.008

中图分类号：TV698.1

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2015)11-0022-04