王羿磊，孫紅亮

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072)

水下垂直結構，包括橋墩的水下基礎、水工建筑的水下區(qū)域、護岸的水下部分，在經(jīng)歷較長的運行期后，運行安全評價問題日益突出。

目前對水下垂直結構的無損檢測方法基本分為兩類：其一，利用光學原理，包括潛水員目測、水下機器人攝像、三維激光檢測等，存在受水環(huán)境的清濁程度、水流大小的影響，且水下定位困難、安全風險較大；其二，利用聲學原理，主要為聲吶檢測，包括二維側掃聲吶、三維多波束聲吶等。

聲吶探測不受水質(zhì)及水流影響，可以結合水下機器人的攝像系統(tǒng)，代替潛水員下潛作業(yè)，有效地降低水下作業(yè)的安全風險，快速得到被測物體的準確位置信息和外觀特征信息等，測繪水下地形、地貌，已經(jīng)逐步在眾多領域得到廣泛的應用。

普通的多波束聲吶系統(tǒng)，對水下垂直結構的無損檢測效果不理想，主要原因為本身波束較窄，受水流和障礙物遮擋影響，對垂直復雜結構反應不敏感并易產(chǎn)生數(shù)據(jù)盲區(qū)，因此引入3D Echoscope系統(tǒng)。

3D Echoscope系統(tǒng)，采用革命性創(chuàng)新的“面狀”波束發(fā)射與采集方式，增強抗水流干擾能力，增加障礙物遮擋后方的采集數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)實時觀測功能，對垂直結構物的現(xiàn)狀特征反應敏感，有效地解決該方面的無損檢測空白，為其運行安全評價提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 垂直結構檢測難點分析

側掃聲吶只能獲得二維地貌聲圖，無法獲取結構的三維尺寸參數(shù)?，F(xiàn)有的多波束測深系統(tǒng)(窄波束)對于垂直面的結構檢測存在基本理論缺陷。

(1)垂直結構面的數(shù)據(jù)缺失

根據(jù)多波束(條帶狀窄波束)發(fā)射換能器的工作原理，條帶狀多波束的聲音信號正射傳播到垂直結構面時，大部分會反射向底部水平面(如圖1所示)，然后經(jīng)過二次反射，被接收換能器捕捉。二次反射后的聲吶信號現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理技術無法進行還原處理，通常被視為噪音，在去噪過程中進行剔除。

圖1 “條帶狀窄波束”正射聲吶垂直面反射圖

在多波束(條帶狀窄波束)正常安裝作業(yè)時，無論其波束開角有多大，總會在垂直面出現(xiàn)波束反射信號缺失引起大量的空白區(qū)域(如圖2所示)，造成數(shù)據(jù)解譯方面的困難，因此設備原因或掏蝕原因引起的數(shù)據(jù)異常的爭議也無法解決。

圖2 條帶狀窄波束垂直結構面檢測典型圖

(2)障礙物后的數(shù)據(jù)缺失

在對垂直結構面進行檢測時，經(jīng)常遇到突出的遮擋物或建筑物本身結構的遮擋(如基樁等)，因此對于多波束聲吶技術提出了更高的要求。

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統(tǒng)，對于復雜的水下垂直立體結構，不能檢測遮擋物后方結構的三維立體現(xiàn)狀，形成檢測數(shù)據(jù)遮擋陰影區(qū)域(如圖3所示)，而通常遮擋物后方的淘刷區(qū)域，潛水員探摸安全系數(shù)較低、危險性大，但對建筑物本身的安全影響又較大，因此在運行安全評價方面造成了極大的困難。

圖3 “條帶狀窄波束”多波束測試

2 3D Echoscope系統(tǒng)

3D Echoscope系統(tǒng)是目前國際最先進的一款三維多波束實時圖像聲吶觀測系統(tǒng)。

2.1 獨特的換能器系統(tǒng)

3D Echoscope系統(tǒng)，采用獨特的“面狀”脈沖信號發(fā)射換能器及接收換能器，將傳統(tǒng)的多波束“條帶狀”工作模式升級為“面狀”(如圖4所示)，增大了發(fā)射機采集的數(shù)據(jù)點量。單次聲吶信號一般為50°50°區(qū)域(如圖5所示)，可根據(jù)工作需求進行調(diào)整，減小數(shù)據(jù)采集面積。

“面狀”聲吶脈沖信號不僅對垂直結構面發(fā)射正射的聲吶信號，還可以通過水平和斜向的聲吶信號來獲得垂直建筑的表面三維特征，有效地彌補了數(shù)據(jù)缺失的難題，是一個多波束聲吶探測系統(tǒng)根本性的突破和升級。

圖4 3D Echoscope系統(tǒng)換能器

圖5 面狀圖像測試方式

2.2 抗水流干擾

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統(tǒng)，在水流沖擊情況下，會因船只搖晃，在兩個相鄰的采集數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生空白盲區(qū)(如圖6所示)。

3D Echoscope系統(tǒng)由于單次脈沖為特定體積的“面狀”信號，始終在兩個相鄰的數(shù)據(jù)采集信號之間存在重疊區(qū)域，保證了數(shù)據(jù)完整性，極大地保證了船只抗水流沖擊能力。

因此對垂直結構面區(qū)域，3D Echoscope系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)密集，對于同一測點可進行多次重復性測試，然后選取在同一測點有多次采集信號的數(shù)據(jù)進行保留，由此剔除垂直結構反射中的多次反射異常噪音干擾，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時間，提高了三維聲吶對于垂直結構面數(shù)據(jù)采集的精度。

圖6 “條帶狀”數(shù)據(jù)盲區(qū)示意圖

2.3 抗障礙物遮擋

狹窄的“條帶狀”多波束測深系統(tǒng)，對于復雜的水下垂直立體結構，不能測試遮擋物后方結構的三維立體現(xiàn)狀(如圖7所示)，而形成測試數(shù)據(jù)陰影區(qū)域。

3D Echoscope系統(tǒng)的“面狀”脈沖信號，可以保證對換能器前、后一定范圍內(nèi)的目標進行側方位測試，拼接后的數(shù)據(jù)對垂直結構的側面及遮擋后面的結構物反應敏感，有效消除在復雜結構后產(chǎn)生的陰影。

圖7 “面狀”多波束測試現(xiàn)場

2.4 實時成像技術

3D Echoscope系統(tǒng)的單“ping”波束數(shù)據(jù)量為128128個，保證了數(shù)據(jù)的豐富準確性，并且每秒可更新12次，保證了數(shù)據(jù)更新的時速有效性，因此可作為實時聲吶對水下目標物進行觀察測試，實現(xiàn)瞬時拼接讓整個場景實時地可視化顯示出來。

實時成像技術可以在水下安裝工程、疏浚作業(yè)及搶險工作中降低安全風險，指導工作進度可量測超欠挖等。

3 工程實例

某工程庫區(qū)邊坡在一期護岸工程坡腳被洪水沖刷而形成的脫空部位，為保證護岸邊坡穩(wěn)定和上部邊坡安全，探明河水沖蝕的現(xiàn)狀，全面掌握測試區(qū)域水下結構現(xiàn)狀，采用3D Echoscope系統(tǒng)對該區(qū)域水下部位進行水下三維聲吶檢測。

測試淘刷區(qū)域枯水期照片如圖8所示，3D Echoscope系統(tǒng)水下三維聲吶檢測成果圖如圖9所示。

由圖8、圖9可見，該區(qū)域淘刷區(qū)域明顯，寬度范圍較大，最大寬度約13m。

圖8 淘刷區(qū)域照片

圖9 淘刷區(qū)域水下三維點云俯視圖

對淘刷區(qū)域做剖面1- 1、剖面2- 2、剖面3- 3，剖面位置分別位于淘刷區(qū)域20m、40m、60m處，測試剖面地形圖如圖10—圖12所示。由圖10可見，1-1剖面位置水底高程在1686m左右，淘刷區(qū)域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約5.95m。

圖10 1- 1剖面地形線圖

圖11 2- 2剖面地形線圖

圖12 3- 3剖面地形線圖

由圖11可見，2- 2剖面位置水底高程在1689m左右，淘刷區(qū)域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約12.94m。

由圖12可見，3- 3剖面位置水底高程在1686m左右，淘刷區(qū)域頂部高程在1697.5m左右，原鋼筋石籠基本沖蝕消失，淘刷寬度在檢測到的防沖護岸起算，在1695m高程處最大，最大約6.25m。

4 結論

3D Echoscope系統(tǒng)采用獨特的換能器系統(tǒng)，每“ping”的數(shù)據(jù)呈面狀模式，抗水流干擾及抗障礙物遮擋能力強，并革命性地實現(xiàn)了實時觀測及監(jiān)測功能。

該系統(tǒng)在公路護岸沖蝕情況的探測工作中，得到了淘刷區(qū)及河床的大地坐標三維點云圖像。三維點云數(shù)據(jù)密集，測量精度高，能從三維圖像中能直接觀察到淘刷區(qū)域的立體情況。將三維點云數(shù)據(jù)進行處理繪制出的河床剖面與原河床地形的對比，可對剖面上沖蝕三維現(xiàn)狀進行準確測量并定量評價沖蝕程度，實現(xiàn)了對垂直結構面沖蝕情況的準確探測。