关于三维成像声纳技术在水下结构探测中的应用

兰泰安

摘  要：文章首先简要介绍了三维成像声纳技术系统的结构以及具体功能，然后分析了该技术在水下结构探测工作中的应用情况，最后提出了技术应用过程中需要注意的几点问题，以备相关人士参考。

关键词：三维成像声纳技术;水下结构探测;应用;分析

引言

发展水下工程是我国进行经济可持续发展的主要途径之一，随着我国科技发展水平的逐步提高，先进的专项科技被应用于水下工程建设工作中，促进了技术的创新发展。三维成像声纳技术在水下结构探测中的应用有效弥补了传统探测方法的漏洞，能够实时成像，图像相对清晰，并且可以在能见度水平较低的水域进行探测作业，进一步提高水下结构探测结果的准确性与作业的安全性，目前已经成为我国水下结构探测的重要手段。

1.三维成像声纳系统的结构及具体功能

1.1系统结构。三维成像声纳技术系统主要由声纳头、电脑终端、电源和设备支架组成，声纳头包括声纳阵与接受阵，前者声波信号沿着锥形方向发射出去，然后由后者的传感器接受，将声波信号显示在终端界面中，其探测的有效距离在1-150米范围，图像更新频率可达20次/秒。声纳头的布局有两种形式，分别是靠岸加固与随船移动，实际布局方式还需结合探测对象及作业环境而定。水下结构的传统探测作业通常采用二维声纳技术，声纳头基本都是固定在水下机器人上，然后通过控制水下机器人实现对声纳头的操控，进行水下探测。随着我国水下工程建设水平的提高，对于水下探测技术也提出了更加个性化的要求，三维成像声纳技术凭借声波信号的收集并将其形成高分辨率的图像，不但将水下情况以图像的形式实时显示出来，同时还可以对图像进行灵活移动、缩放以及旋转，为水下水下工程的建设工作提供更多可靠依据。

1.2系统功能。在水下工程建设过程中，技术人员可凭借对系统数据的设置搜集图像对应的目标距离及坐标等信息，同时也可结合具体探测要求对声纳头的角度进行灵活调节，冲破传统探测技术的束缚，提高探测效果。系统运作过程中一定要确保设备的静止状态，如果设备是需要随着平台移动，那么一定要将其固定在平台边缘，然后再停止移动的时候进行探测。如遇较大的风浪，平台状态不稳定，那么系统探测结果也会受到相应的影响，对此，需在三维成像声纳系统中增加GPS 定位系统与姿态稳定系统，这样不但能够更加准确地定位目标位置，同时还能够确保系统运作过程中的稳定性，实现连续探测[1]。

2.三维成像声纳技术的应用

该技术的应用方式主要有四种，第一：固定式平台布放。技术系统具有一定的独立性，声纳的位置、旋转、倾斜等都是固定的，因此对于水下静置目标的探测效果较好。第二，安装在ROV 上的布放。在ROV 上安装声纳头，使技术人员可以在船载安装传感器无法触及的地方进行数据的采集。第三，船载式布放。该方法通常应用于近岸区域以及浅水区域，通常将声纳头安装在舰船上，从绘制海底地图到检查水体中复杂结构都可应用。第四，大型设备式布放。在挖掘机设备的挖斗或者吊车吊臂上安装声纳头，通过机械设备对声纳头探测角度进行调节，常用于投放防洪堤坝石料作业工作中。现阶段三维成像声纳技术在我国水下结构方面的应用范围较广，如河道疏浚、桥墩及冲刷情况检测以及水下结构安全监测、水下不明物体探测以及海洋油气勘探等方面。

2.1水下安全监测。应用三维实时声学成像声纳技术可以水库库底、对港口码头、以及水闸室等工程水下结构实施全面性的三维检测，并将工程水下情况以图像的形式直观地展示出来，有效促进了相关工作安全管理水平的提高。应用终端系统上的UIS软件能够对测目标的维坐标、直径、距离等信息准确显示出来， 为工程施工方案的设计以及工程水下结构情况的判定提供可靠数据信息。

2.2冲刷检测。三维实时声学成像声纳技术系统还可以应用在水闸、护堤以及桥墩等水利工程主要结构部分的冲刷检测， 对防洪加固工作起到及时、有效的检测探明作用。

2.3河道疏浚。将GPS定位设备与三维成像声纳技术系统进行联合使用还能够对目标区域水下地形进行测量，同时通过专项计算机处理技术进行地形的绘制，准确显示目标区域水下地形图和开挖断面图， 有效促进水下工程作业水平的提高，及时为疏浚工程提供准确的数据， 从而确保水下工程开挖作业安排的合理性与科学性。

3.应用三维成像声纳技术需注意的几点问题

以全面确保三维实时声学成像声纳技术在水下结构探测过程中的应用效果，提高数据的精准度，一定要对如下几点问题进行严格把握：首先，作业过程中需将收纳头的额定电压控制在24-32VDC的范围内，并将接收电源电压控制在24VDC范围内。其次，声纳头部分每次通电时间不可过长，以免由于内部热度过高而造成内压过低，是设备及系统受损。再次，若需重复开关系统的声纳头， 一定要在声纳头回到冷却状态下进行，保证其完全放电。最后，炎热环境下应避免声纳头直接暴晒， 且不可将声纳头面向地面放置[2]。

结语

综上所述，三维成像声纳技术的研发是我国科技发展的必然成果，将其应用于水下结构的探测工作中有效弥补了传统探测技术存在的弊端，更好地满足了水下探测作业的需求，实现了水下目标区域的实时成像以及图像的放大及旋转的灵活操作，测降低了探测作业受外部环境因素的影响，为水下工程建设工作提供了更加有效的技术保障。

参考文献

[1]程显皓，骆承树.三维成像声纳在水下工程中的应用研究[J].科技创新与应用，2016（06）：300.

[2]李斌，金利軍，洪佳，何恺恺，陆小蕾.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，2015，26（03）：184-188+192.