三维成像声呐技术如何进行水下结构的检测？

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引 言

在桥梁检测中水下墩台的检测一直是检测中一个难点问题，目前桥梁检测的相关技术规范对于水下检测也没有明确的规定，因此国内桥梁检测结构在水下检测方面基本处于空白。声呐技术作为海洋探测有效技术一直是一个热点问题，声呐系统主要包括单波束声呐、侧扫声呐、多波束声呐以及合成孔径声呐等几种声呐系统。近年来随着声呐技术的发展三维成像声呐技术有了飞速的发展，由于其探测精度可以达到厘米级，因此三维成像声呐技术为水下桥梁结构的检测提供了新的技术手段。目前三维成像声呐产品常见的有美国Blue View公司研制的BV5000系列和Coda Octopus的Echoscope三维图像声纳系列。本文主要以Blue View公司的BV5000系列为例，介绍三维成像声呐如何进行水下结构的检测。

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三维成像声呐系统

BlueView BV5000 三维全景成像声纳可生成水下地形、结构和目标的高分辨率图像。声呐采用紧凑型低重量设计，便于在三脚架或ROV上进行安装，只需触动按钮，三维扫描声纳就会生成水下景象的三维点云。扫描声纳头和集成的云台可以生成扇区扫描和球面扫描数据。有史以来第一次，在水下，甚至在低照度或者零可见度的水下环境，我们可以获得陆地三维激光扫描一样的图像。而且，这种图像可以与传统的激光扫描图像无缝拼接。

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1、系统功能

功能类似于陆地上的三维激光扫描仪，可生成类似光学全息效果的水下目标三维图像。系统采用旋转二维面阵方式，直接获取目标物外形轮廓的水平（X）、垂直（Y）、高度（Z）三个方向上的数据，同时获得目标物材质（属性）等更多的细节描述，生成目标的实时三维立体图像。该系统能在含沙量大、能见度低、水下地形复杂的水域环境中工作，且系统尺寸小、质量轻，可装载到各种AUV、ROV上进行水下作业，可用于水下三维场景的勘察和水下三维结构物、堤坝、管道等检查。

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2、系统组成

系统包括硬件部分及软件部分。其中硬件部分主要包括声呐头、云台、接线盒及数据传输电缆等，软件部分主要包括仪器研发团队自主开发的Proscan、Meshlab和第三方软件Cyclone及若干驱动程序。其中声呐头和云台通过专用线缆连接到接线盒上，接线盒又通过以太网电缆和USB传输线与计算机连接，从而实现计算机与声呐和云台之间的通信，系统示意图见图1。

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图1 BV5000系列系统组成

声呐头包含发射器、接收器及收发转换器，同时控制波束形成的电路，见图2。系统在检测时通过检测控制软件进行控制，实时控制云台转动、声呐参数，然后通过数据处理和分析软件进行点云数据的编辑和建模分析。

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图2 声呐探头

3、系统测试原理

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BlueView BV5000主要产品包括BV5000-1350系统和BV5000-2250系统，其主要技术参数见表1。

以水下三维全景成像声呐系统（BV5000-1350）为例介绍其测试原理。当系统工作时，首先通过声呐头发射一个频率为1.35MHz的脉冲信号（发射频率为40Hz），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，以相同间隔排列在垂直方向上，即每个波束的间距为0.178°，系统接收到目标物反射的信号后，结合波束形成、波束指向、振幅及相位检测等技术，得到扇形区域256个点与换能器的位置信息，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，见图3。

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图3 三维成像声呐系统成像图

现场作业时，BV5000-1350有单角度扫描和球形扫描两种扫描方式，其中，单角扫描指声呐只在水平方向旋转扫描，旋转速度可设置为0.5°/s或1°/s，旋转角度可设置为45°、90°、180°或360°，即系统一次扫描成像最快需1.5min，最慢需12min；球形扫描则使声呐依次向上或向下倾斜一定的角度之后再进行水平方向的旋转扫描，扫描的区域是一个球形，倾斜的角度有＋45°（向上倾斜45°）、＋15°（向上倾斜15°）、－15°（向下倾斜15°）、－45°（向下倾斜45°）。球形扫描比单角度扫描范围更广，且有部分扫描区域重叠（如图4所示深蓝色区域），点云的密度更大，精度更高，但由于是多个倾斜角度依次扫描，扫描时间是单角度扫描的若干倍。

图4 成像系统球形扫描示意图

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水下结构如何进行检测？

1、声呐系统搭载设备

在实际检测中声呐的固定方式主要有三脚架、ROV、AUV、船载等，具体应用时应根据检测环境和检测对象，选择适当的固定方式。在桥梁检测中由于在水深不深的情况下，由于BV5000-1350测试距离可以达到30m（BV5000-1350测试范围为10m），测试时可以采用三脚架固定的方式。通过测量船（或检测皮划艇）检测人员用缆绳将三脚架下放至河床指定的测量安放位置（见图5），测量安放位置根据测量范围以及需要测量水下结构的尺寸等来确定，必要时可能在检测中需要设置多个测量点。采用支架安放的方法不能满足要求（如水深较深流速过大），可以采用水下机器人如ROV、AUV等搭载声呐测试系统，通过对机器人运动轨迹进行控制（距结构距离、入水深度）或设计运动路线轨迹，根据测试时机器人的测量的位置参数对三维成像的点云图进行拼接。

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图5 测量支架下放过程

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2、测试步骤

三维成像声呐系统进行水下结构物检测时主要步骤包括：测站的布置、测试声呐参数设置以及成像点云数据的查看和编辑。采用BlueViewBV5000 三维全景成像声纳进行桥梁水下检测的视频如下。

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步骤1：测站布置。BV5000-1350声呐系统有效探测范围只有30m，为获得结构物体或整个区域内的三维图像，通常需设立多个扫描测站，从不同的方位进行观测，获取若干幅扫描图像，然后经过拼接形成一个完整的目标物。一般根据检测目的、目标物形状、尺寸设置一个或多个测站，为完成图形的拼接，每个测站必须设置多个标靶，测站和标靶设置的原则是相邻两个测站，各自的扫描范围内均包含3个以上不共线的同名标靶，且相邻两个测站必须有不少于整个图像的10％扫描重叠部分。

步骤2：设置参数。参数的设置包括检测水域的声速值、扫描方式、声呐在水平方向上的旋转角度和旋转速度以及系统所输出文件的保存路径等。

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步骤3：点云图像的查看和编辑。扫描获得的点云数据，可使用测试和控制软件进行图像平移、旋转、放大等操作，从不同的角度对目标物进行观察，并可测量包括点、线、面间的距离；数据采集后处理阶段还可专门的处理与分析软件，对点云图像进行去杂、拼接和建模等。

2、测试步骤

三维成像声呐系统进行水下结构物检测时主要步骤包括：测站的布置、测试声呐参数设置以及成像点云数据的查看和编辑。采用BlueViewBV5000 三维全景成像声纳进行桥梁水下检测的视频如下。

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