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张顺洋;张卓
【摘 要】码头水下部分的仪器检测手段主要有多波束测深系统及三维全景成像声纳系统.以SeaBat T50-P多波束测深、BV5000-1350声呐系统为例,对码头水下部分进行检测分析,探讨各自的适用范围.结果表明:BV5000-1350声呐系统对水下工程结构的检测适用范围更广、 精度高、 仪器安装方便,无需导航、 定位及姿态传感器等辅助设备;SeaBat T50-P多波束测深系统对码头的结构形式要求较高、 精度适中、 对大型码头的水下结构普查较为适用. 【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2018(000)007
【总页数】4页(P40-43)
【关键词】多波束;三维声纳;码头水下部分;结构检测
【作 者】张顺洋;张卓
【作者单位】中国冶金地质总局厦门地质勘查院,福建 厦门 361000;福建省港航管理局勘测中心,福建 福州 350009
【正文语种】中 文
【中图分类】U666.75
0 引言
码头在水运工程中占有非常重要的地位，码头水下部分的质量检测已成为水运工程质量检测的焦点。由于码头水下部分的施工影响因素众多，质量难以控制，且大型码头水下结构也更加复杂，传统的人工水下探摸、二维声纳等方法无法满足要求。多波束测深系统和三维声纳系统等技术的发展为其提供了多种解决方案。其中，多波束测深系统采用广角度发射和多信道定向接收,可以得到水下目标体的三维点云图像[1]；三维声呐系统，可生成水下目标体的类似光学全息效果的三维图像，提供了更多的轮廓细节信息[2]。因此，本文通过对码头水下部分的检测，对比分析这两种系统各自的特点。
1 系统简介
1.1 多波束测深系统简介
多波束测深系统以SeaBat T50-P系统为例，包括：便携式声纳处理器、接收/发射换能器、数据采集计算机、光纤罗经运动传感器、相关采集与处理软件等。
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列进行窄波束接收，能得到上百个被测点的水深值，可以快速地测出沿航线方向一定范围内水下目标的大小、形状和高低变化，形成三维点云图像[3]。多波束测深系统的相关参数见表1。
表1 SeaBat T50-P多波束测深仪主要参数参数名称 取值工作频率 190到420kHz在线式可选波束角度（垂直航线×沿航迹） 0.5°×1°@400kHz，2°×2°@200kHz盖宽度 10°―165°波束个数 512最大量程 500m发射速率 最大到75Hz脉冲长度 30μs-10ms
1.2 三维声呐系统简介
三维声呐系统以BV5000-1350系统为例，包括：扫描声纳头、云台、云台声纳接线盒、电缆、软件控制平台、电源及其他附件等。三维声呐系统的工作原理是首先通过声呐头发射
一个频率为1.35MHz的脉冲信号（发射间隔为25ms），形成一个45°×1°的扇形扫描区域，每个脉冲包含256个声学波束，系统接收到目标物反射的信号后，将其转化为电信号，再传输至声纳控制单元，结合波束形成、波束指向、振幅及相位检测等技术，把声纳头扫描到的信息生成1个2D图像（帧），再通过计算机控制云台在水平方向上360°旋转，实现检测目标物不同部位的位置信息，最终生成3D结构图像。三维声呐系统的主要技术参数见表2。
表2 BV5000-1350的关键技术参数参数名称 取值声呐视角 1°×45°扫描范围 45°―360°倾斜角度范围 -65°―65°更新频率 40Hz声波频率 1.35MHz最大扫描距离 30m波束的数量 256波束的宽度 1°×1°波束的间距 0.178°时间分辨率 0.031m
2 系统的安装
2.1 多波束测深系统的安装
为使综合噪声水平降到最低，避免靠近船尾安装，选择在距船头1/2船长的右舷侧[4]；吃水为1.21m；光纤罗经传感器安装在船体中部重心较低位置，测船的首尾线上，罗经北方向
指向船首，此处能准确反映测船或多波束换能器姿态的位置[5]。安装好后，其方向线平行于船的首尾线；精确测定各设备的安装坐标[6]，并在导航及采集软件中进行相应设置。
多波束系统的各项校准：参数校准包括横摇偏差（Roll）、纵摇（Pitch）、艏摇（Yaw）。 具体做法如下：
Roll：在平坦区域布一条测线，测量船以相同速度在测线上往返行驶各一次。
Pitch：选择海底特征地貌，在目标的正上方布设一条测线，测量船以相同速度在测线上往返行驶各一次。
Yaw：选择海底特征地貌，在其两侧平行布设两条测线，测线间隔应使一条测线的边缘波束覆盖另一条测线的航迹。测量船以相反方向相同航速沿两条测线分别采集两组数据。
2.2 三维声纳系统的安装
BV5000-1350声呐系统的工作方式是固定的测站式，声纳头和云台安装固定在三角支架上，在具体的测站位置沉放入水。
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由于BV5000-1350有效测量的距离为30m，必须将仪器放置于合适的位置才能得到满意的数据，三维声纳扫描仪很难从一个方向一次性完成整个目标物的扫描，通常需要设立多个扫描测站，获取若干幅扫描图像才能完成。测站布置的原则及要求：应事先根据水下目标物的位置、形状、大小等来设计测站和标靶放置的位置，要求相邻测站测量结果中均包含至少有三个不共线同名标靶，相邻两个测站间需要有扫描重叠部分，重叠部分不应少于整个图像的10%，如果重叠部分太少很难保证拼接精度，重叠太多会增加扫描和拼接的工作量，并且可能会使拼接精度降低。
3 码头水下部分检测
本文以检测某重力式码头及高桩式码头水下结构部分为例，探讨分析这两个系统的特点。
3.1 多波束测深系统检测结果
多波束测深系统针对重力式码头沉箱情况进行检测，结果如图1所示：
图1 a 重力式沉箱伸缩缝检测
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图1 b 重力式沉箱错位检测
由于本次多波束扫测行船速度慢，并将参数调节至最佳，对于10cm左右的特征物也能分辨，效果比较理想。对重力式码头水下部分的检测重点是对变形缝的间距及错位情况进行检测。
根据伸缩缝检测的结果可以得出，多波束测深系统对直立岸壁重力式码头水下部分质量的检测效果较好，可以达到清晰地分辨出10cm及以上间距的伸缩缝，对重力式沉箱的错位检测效果也较为理想。可以得出，此重力式码头沉箱安放质量参差不齐，变形缝间距控制不一致，变形缝两侧沉箱安放存在错位。
3.2 三维声纳系统检测结果
三维声纳系统针对高桩式码头的桩柱及连系梁进行检测，采用三脚架作为固定平台，现场设置一个测站，采用单角度扫描方式，声呐的水平旋转角度和速度分别设置为360°和0.5°/s，扫描结果见图2。
图2 码头水下桩柱检测
根据扫描的结果，可直观、清晰地看到码头桩柱的水下三维结构轮廓：所检测的码头桩水
下结构基本完好，水下部分的桩柱与连系梁的尺寸与原设计尺寸相符，无明显变形，但在存在一定缺陷，其中在右侧的两个桩柱之间的连系梁断裂缺损。
4 结果分析
4.1 多波束测深系统检测结果分析
通过多波束测深系统对重力式码头水下部分的检测，可以分析得出：
（1）由于多波束测深系统采用走航式的工作方式，因此检测效率较高，适用于大型的直立岸壁重力式码头水下部分的检测。
（2）多波束扫测码头水下部分需将波束的覆盖角度调至很大，三维点云图像的分辨率相对会降低，精度适中，适合重力式码头水下部分的质量普查检测。
苯氧乙醇（3）由于多波束探头的倾斜角度无法自动调节，只能物理安装改变，对其他结构形式的码头探测效率相对较低，精度较差。
4.2 三维声纳系统检测结果分析
（1）BV5000-1350声呐系统的工作方式是固定的测站式，对于大型的码头需要设置几个测站，检测效率相对偏低。
（2）该系统的声纳头可以水平方向360°旋转，竖直平面的开角可以达到-65°―65°，检测范围角度较大，对于码头结构形式的限制低，适用范围广。
（3）检测的精度较高，对细部结构的检测是一种最可靠的手段。
5 结论
英国毒贩阿克毛1)BV5000-1350声呐系统对水下工程结构的检测适用范围广、精度高；仪器安装方便，无需导航、定位及姿态传感器等辅助设备；
2)SeaBat T50-P多波束测深系统对码头的结构形式要求较高、精度适中、对大型码头的水下结构普查较为适用；
3)三维声纳系统借助三维显示技术，可提供更多的细节信息，是目前水下细部结构检测比较常用的手段。随着技术的进一步发展和完善，该系统工作方式如果加入走航式，则会有更广泛的应用。solarbuzz
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