侧扫声呐在水下软体排检测中的应用与改进

于 刚

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230009）

1 概述

在航道整治、护岸治理、围海造地等工程中，护底软体排的铺设是施工中的重要工序， 同时也是工程的难点之一。在铺设过程中，常常会出现排体位置偏移、搭接处不够平顺、搭接宽度不合格等现象，使得该处成为整个工程质量相对较薄弱的环节， 因此如何检测排体的铺设质量显得尤为重要。

2 主要检测手段

目前护底软体排常用的检测方法主要有人工潜水探摸法、浮标倒垂法、扫描声呐法、超短基线法。随着施工要求的提高， 这些方法均不能完全满足施工需要，主要存在以下缺点：

（1）人工潜水探摸法。 受天气和潮流影像较大，作业时间受限制，潜水员下水作业的危险性大，潜水员主观性强，检测结果无法验证。

（2）浮标倒垂法。精度低、效率差、大批量的排体检测较难实施。

（3）扫描声呐法。 扫描精度和扫描范围有关，范围大变形大；水体浑浊影响声呐影像；晃动导致图像模糊影响分辨率，量测困难；安装使用繁琐。

（4）超短基线法。定位精度高，实时检测效率高，但产品价格高昂，使用成本高。

3 侧扫声呐技术

侧扫声呐是一种非接触、主动声呐探测技术，已在海底障碍物探测领域得到了广泛应用， 随着成像效果和定位精度的提高， 在水下工程中的应用也越来越广泛。

侧扫声呐在工作时通过发射声脉冲向外传播，传播方向为球面形状，声波碰到水中障碍物或者水底会产生散射，其中的反向散射波会按原传播路线返回换能器，根据不同部位的返回时间计算障碍物形状。 一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的泥面，回波强；软的、平滑的、凹陷的泥面回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱。根据回波的强弱和时间，经过数据分析，就可以形成二维的水下地貌声图。 声图平面和水下地形成映射关系，声图的亮度包涵了泥面特征。如图1，2点位于声呐的正下方，回波是很强的正发射波；4，5，6回波较强，6的回波先到换能器，然后是第5点，第6点。 6，7点没有回波，产生阴影区。

图1 侧扫声呐工作原理示意图

根据此原理，对排体铺设区域进行扫测，如图2，当排体位置出现偏移，堆积或缺失现象时，图像对应位置会产生阴影，搭接位置处会产生连续阴影，结合RTK定位，可以判断出排体异常处位置，经过后期软件处理可以计算出排体搭接的宽度， 从而准确反映出水下软体排的铺设情况，指导施工。

图2 侧扫声呐排体检测示意图

4 误差分析

侧扫拖鱼一般安装在船体侧面，RTK安装在船体中心位置， 根据声呐和RTK的相对位置可以推算出拖鱼的实时位置，如图3。

图3 侧扫声呐工作示意图

侧扫声呐位置改正如图4，A点为RTK相位中心，B点为声呐支撑点位置，F点为声呐中心位置。AB点距离S1可在船上量取，BF点 距 离S2 是 固 定的已知值。 根据AB和BF之间的夹角β， 和测量时船体的坐标方位角α，可以计算出拖鱼F的实时坐标：

图4 侧扫声呐位置改正图

XF=XA-S1cosα+S2cos（α+β）

YF=YA-S1sinα+S2sin（α+β）

但在实际工作过程中，由于现场风浪、潮流、航向和航速的不确定性，α和β的数值也时刻在发生变化，对声呐位置的计算精度产生了较大影响， 为了提高测量精度，确保排体检测的精度，采用以下改进方式。

（1）布设测线时，沿平行于排体方向布设，并采取往返方式，取两次测量的平均值作为最终数据，以抵消潮流和风向的影响； 在排体搭接处附近加密布设平行于排体的测线，沿测线测量时选取20m的小量程进行测量，从而更加准确地判定搭接宽度。

（2）仪器安装时，在船体的侧舷安装一个垂直的可拆卸固定支架，RTK安装在支架顶部，侧扫声呐安装在支架底部。 这样可以避免声呐在测量过程中的摆动，从而提高测量精度和图像清晰度，如图5。

图5 改进后的侧扫声呐安装

改进前后的侧扫图像如图6，图7，对比可见，改进前图像模糊扭曲，改进后清晰稳定，更加符合实际成果。

图6 改进前的侧扫图像

图7 改进后的侧扫图像

5 工程实例

选取工程为长江南京以下12.5m深水航道二期工程福姜沙标段，该工程为航道治理工程，共需要铺设软体排367万m2，铺排工作量大，质量要求高。 选取2015年8月15—20日之间刚铺设好的3张软体排进行检测，排体编号分别为301-47，301-48，301-49。

5.1 现场检测

5.1.1 测线布设平行于软体排布设5条测线，主要用于检测软排体搭接宽度， 每条长度为180m， 测线间隔为40m；垂直于软体排布设2条测线，主要用于检测软排体排头与排尾铺设情况， 每条测线长度100m， 测线具体布设如图8。

图8 测线布设示意图

5.1.2 现场测量

侧扫声呐选用Klein 3900型，如图9，RTK选用使用Trimble SPS 855型，测量过程中航速保持低于4节。

图9 Klein 3900型侧扫声呐

5.2 数据分析

根据Klein 3900自带的专业分析软件对图像进行处理，工作参数如表1，将图像进行纠正，并提取排体特征点坐标。

表1 Klein3900工作参数

从图10可看出，301-48号排体中间部分有联锁块缺失。排体的搭接情况侧扫图像如图11，从图中可分辨出，搭接部分特征明显，有一条明显的叠加带，提取特征点的坐标如表2。

表2 侧扫成像软体排搭接宽度统计 单位：m

图10 301-48号排体扫测

图11 软体排侧搭接处扫测

根据图表统计数据可知，最大搭接宽6.8m，最小搭接宽3.2m，从数据可直观看出，排体搭接宽度满足设计要求，但排体搭接宽度不均匀，说明排体在铺设过程中有一定倾斜。

6 结语

结果表明，经过改进后，侧扫声呐影像不仅可清晰反映出软体排状态的铺设， 还可通过软件提取软体排特征点坐标，准确计算出软体排搭接的宽度，该方法安全高效、准确度高，可以全天候作业，有效提高了工作效率。