深水抛石整平船声呐检测系统及技术应用

刘太刚

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

声呐技术至今已有超过100 a历史，它是1906年由英国海军的李维斯·理察森发明。随着现代科技的发展进步，声呐技术不断改进，它被广泛应用到水下监测的各个领域与行业。如今，声呐早已在工程建筑行业应用成熟，尤其在水下检测和水下地形方面应用广泛。崔凯兴[1]研究了多普勒声呐系统原理及应用，并成功应用于多种水下载体导航；王久[2]等人阐述了侧扫声呐和多波束系统的成图原理和误差控制，成功应用在失事沉船扫测打捞等多项任务上。张小平[3]提出了一种基于并行互连拓扑网络的实时高分辨率多波束成像声呐系统方案，并围绕系统的设计与实现展开了一系列关键技术的研究工作，对多波束声呐成像的应用起到了关键性的作用。

在港珠澳大桥岛隧工程中，我国自主建造的第1艘大型深水碎石整平船采用了以PDR-2200型声呐为主要组成部分的水下碎石基床整平声呐检测系统，对水下施工和碎石垄成型检测发挥了极其重要的作用[4-6]。

1 整平船声呐组合系统简介

1.1 PDR-2200型声呐

PDR-2200型声呐是为在外海深水工程施工设计的近距离测量组合式、热敏类型的精密回声测深设备。通过采用耐水压型的T17型送受波器，利用时间差收发方式，可以在相同频率的2个频道进行近距离测量。其主要由记录器、耐水圧型送受波器CH1、CH2等部件组成，其系统基本组成如图1所示。

图1 PDR-2200型声呐系统组成图Fig.1 Composition diagram of PDR-2200 sonar system

1.2 PDR-2200型声呐系统的工作原理

1）送受波器的指向角

PDR-2200型声呐送受波器的指向角是由送受波器的形状、超声波的频率、音速度等决定的理论值，一般用半减全角几度来进行表达。半减全角与受传波器的垂直方向（0毅方向）的声波强度，可用半减全角一半的角度来进行表示，PDR-2200型声呐的半减全角为6毅，如图2所示。

图2 送受波器的指向角示意图Fig.2 Diagram of thedirection angle of wave receiver

受波器垂直向下方向（6毅方向范围）的波束称为主波束，测出的数值最准确。从受波器中发出的波束，除了主波束外还有多个侧波束（副波束）存在。侧波束发射的角度加大，波束强度较弱，测量数值不准确，会对主波束测出的数值产生不良的影响，所以应该特别注意。如果要提高测量精度，需要避免在侧向波束测量范围内出现障碍物。本机的侧波束会向8毅、15毅、30毅的角度范围发射波束。侧波束是对称存在的，发射角度越大，波束强度就越弱，测量误差就越大。

2）送受波器的测控范围

本机的送受波器向8毅、15毅、30毅方向侧旋转发射波束（如图3所示），如果从送受波器端到30毅以内有结构物，对测量结果是有较大影响。因此，为提高整平船声呐测控系统的测量精度，在声呐30毅范围内不可以增加任何遮挡物。

图3 送受波器的测控范围Fig.3 Rangeof measurement and control for wavereceiver

1.3 GNSS（BDS）+声呐组合测控技术

利用特殊刚性载体和声呐技术将地面某空间点GNSS快速静态测量获取的高程精密传递至水下，整个定位系统由GNSS流动站接收机、声呐、全站仪及适配棱镜、姿态监测和计算机数据处理等部分组成。

将GNSS流动站接收机与全站仪适配棱镜固定在长度已知的刚性载体顶部，在载体底部安装声呐和姿态仪；将载体固定在支架上垂直沉放水中（GNSS和棱镜露出水面，底部距离水底高度固定），借助于刚性载体抗挠度强与变形小的连接特点，采用快速静态测量方法获取刚性载体顶部的高程，便可精确得到刚性载体底部高程；然后通过载体底部声呐采用脉冲测距法精确测量距水底距离，从而反算出水底的实时高程；同时为了检校GNSS高程输出精度稳定性，通过全站仪自动照准功能跟踪测量适配棱镜；最后将全站仪和GNSS观测数据实时传输至计算机处理系统，从而实现水下高程实时定位和监测。

整平船上的声呐采用脉冲测距法实现距离精确计算，脉冲测距是利用接收回波和发射脉冲信号间的时间差来确定距离的。

水中物体之间的距离S与时间t的关系为S=1/2ct，c为声音在水中的传播速度。测点的实际高程H就是通过抛石管上的GNSS天线测得的实际高程h，减去GNSS相位中心到抛石管底部距离L1，得到抛石管底部高程；抛石管底部高程减去声呐的回送声呐长度L2，得到声呐发射装置处的实时高程，最后声呐高程减去声呐测量值CH1水深值D，最终得到测点的实时高程值，即H=h-L1+L2-D=h-L1+L2-1/2ct。声呐系统工作原理示意图如图4所示。

图4 声呐系统工作原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the working principle of sonar system

1.4 抛石管倾斜修正技术

港珠澳岛隧工程施工区域潮流主要为涨落潮流，方向为南北方向，与抛石管的行走方向相同，其中海水流速过大引起的抛石管倾斜占主要因素。在铺设作业施工时，抛石管已下放至海面以下，由于抛石管受到海流影响会发生倾斜。通过自主研发的抛石管倾斜仿真计算，可以得到不同工况下抛石管各个位置的挠度变化。

1.5 声呐系统修正技术

声呐会受水深、水温、盐分浓度、浑浊度等因素的影响使测量值产生误差，因此需要进行校准修正。声呐修正时，先在水面上安装施工声呐的反射板，用激光测距仪直接测量施工声呐和校核声呐到各自反射板的距离，并在反射板上固定塔尺，如图5所示。再将抛石管降至水下（声呐入水即可），塔尺露出水面，利用水准仪可以测出反射板的高程。通过调节校准声呐的发射声速，使声呐测得高程和水准测量高程值一致，然后将此声速应用到施工声呐修正参数中。

图5 声呐修正Fig.5 Correction of field sonar

1.6 抛石管倾斜仪归零校正

整平施工前通过倾斜仪调平船体，确保抛石管垂直。同时通过调平作业，保证了整平船船体水平和倾斜仪的正常工作，从而使得抛石管在下放过程中处于自然垂直状态。采用扫平仪对整平船倾斜仪测量校正，在顶甲板开阔地架设扫平仪，分别在船体行车道表面的4个角点上安放固定有接收器的水准塔尺，以扫平仪视线高度为参考面，并对其扫平，读取各水准尺的读数，比较数值，通过调整桩腿将4点高差互差调整小于2 mm，最后将整平船倾斜仪归零，完成校准。

2 整平船声呐系统的优越性

声呐记录器是整个声呐系统的“指挥部”，所有的命令和操作都需要有它发出。所有工程数据参数、功能选择、声速模式、声呐的灵敏度以及数据记录等，都集成在了记录器。

整个声呐系统的工作状态和和普通的声呐面板有很大的区别，操作比较方便、灵活，并且所占用的面积比较小，大大节省了声呐控制系统的空间，使得声呐系统轻便、实用。

整平船声呐系统较其他声呐系统有下列优点：

1）记录篇幅采用216 mm的热敏记录机，小型轻量、低功率化，内置镍镉电池最长连续使用约4 h以上；

2）具有自动灵敏度调整的功能，可以获得前模拟记录的水深值，呈现液晶显示，用RS232C将数据直接输出；

3）送受波器耐水压、性能稳定；

4）测量精度高，经过多项修正后，测量精度控制在依1 cm以内；

5）声呐系统附在抛石管上，可直接放到碎石垄上方1.5～2 m范围内，受海流环境影响小；

6）声呐系统智能化，可直接指导施工。

3 整平船声呐检测系统在工程中的应用

此声呐检测系统是首次在国内应用，应用工程只有港珠澳大桥岛隧工程，下文便以港珠澳大桥项目为例，对整平船声呐检测系统施工技术进行说明。

运行PDR-2200型声呐工作时，首先要检查一下声呐有无受损或者有无杂物等遮住，确定完毕后开启控制开关，进入工作状态。应该注意的是，当声呐暴露在空气中时，切莫打开开关，容易将电元器件烧坏损伤。

3.1 确定工作参数

操作“FUNCT”选择的画面中的项目，逐项选择输入参数，需要注意的是每个管节对应的参数均不同，需要工前调整。

例如在E1-E10管节属于浅水区（水深小于20 m），声呐测量模式需要调整为S1，相反在深水区模式应切换为D1。CH1水深值是校正声呐距离反射板的距离，它要根据每次施工时标定的参数值来实时调整。同样声速的辅正值在每个管节施工时也会有差别，需要根据每次施工前标定的参数值来实时调整。本步骤它是施工的关键的一个环节，不能有任何差错。一旦出现错误，CH2水深值（实测水深值）就会出错，从而导致铺设碎石垄的高程出现差错。

3.2 声呐检测系统校准

每次碎石检测验收时都需要进行声呐检测系统校准。校准时，将抛石管降至施工深度，通过调节修正声呐的发射音速，直至将测量出接收发送器和反射盘之间的距离调至校正声呐的标定值（约1 500 mm），然后将基床铺设使用声呐的音速调至上述值。声呐布置示意图如图6所示。

图6 声呐布置示意图Fig.6 Sonar layout sketch map

1号和4号声呐为校准声呐，2号和3号声呐为基床铺设使用声呐，通过调整校准声呐的音速，调整旋钮将屏幕上的测量长度调至标定数值，如1 500 mm，然后将基床铺设施工声呐的音速调至与校准声呐相同。

3.3 成型垄验收

当碎石铺设完成后，采用声呐检测系统对成型垄进行验收，将施工管理界面切换至测量界面，操作抛石管按垄中心线路进行测量，测量完成后系统将测量数据自动生成成果图，包括纵向和横向的成果图。为更直接反映垄平整度，采用实测值与设计值之间的差值生成验收最终成果，如图7所示。

同样声呐检测系统上的记录功能也可以实现此功能。在验收开始时，将声呐记录器上的CHANT（纸传送开关）打开，系统会自动将碎石垄的相对形状记录在打印纸上，验收的垄轴线会出现一条近似直线，如果异常高点和低点很容易看出具体位置，方便后期处理。这样做可以和施工管理系统之间做对比，以防在验收时出现差错。

图7 碎石垄验收成果图Fig.7 Gravel ridgeinspection results

4 应用效果及分析

目前，港珠澳大桥岛隧工程沉管安装及后续工程已全部完成，安装后的贯通测量数据验证了深水整平船碎石基床的高精度铺设，高程控制能够满足依4 cm的偏差要求，每一条垄的验收合格率都能达到90%以上，依2 cm的合格率可以达到70%以上。其中，E23管节安装时的高程精度达到毫米级。

声呐检测系统将单一声呐进行了组合，将4个声呐捆绑式应用，这是以往工程所不具备的。这样可以最大限度的减小声呐在工作时因自身和周围环境所产生的误差，同时声呐和声呐之间还可以形成一个互补、互检的作用，从而降低了产生误差的几率，使得精度得到保障。另外，本工程设定声呐和碎石垄的间距缩短为1.5～2.7 m之间，测控精度控制在1 cm以内。

5 结语

深水抛石整平船声呐检测系统在港珠澳大桥碎石基床铺设施工中的成功应用，充分验证了该声呐检测系统的超高性能，达到了高精度控制施工的设计要求。该系统使用时方向性强、能量易于集中，适用于各种不同条件的海洋环境。声呐发出的声波传声媒质的相互作用适中，能够高精度计算出它与障碍物之间的距离，实时有效的控制施工精度。

本文以实际工程为例，对深水抛石整平船声呐检测系统做了详细的梳理和研究，也为后续类似工程项目提供一些借鉴。

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