長基線聲學定位技術在水下軟體排檢測中的應用

黃　龍

（上海市水務建設工程安全質量監督中心站，上海 200232）

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長基線聲學定位技術在水下軟體排檢測中的應用

黃龍

（上海市水務建設工程安全質量監督中心站，上海 200232）

【摘 要】本文簡要介紹了長基線聲學定位測量技術在水下軟排體檢測中的工作原理和檢測工藝，并結合長興潛堤后方灘涂圈圍工程，對長基線聲學定位技術在水下軟體排施工定位控制和質量檢測中的應用進行了論述。研究表明，長基線聲學定位測量技術能夠實現較精確的非實時水下定位，是水下排體施工定位控制和質量檢測的新工藝、新方法。

【關鍵詞】長基線；聲學定位；軟體排；水下檢測

軟體排因其良好的技術性能和經濟效益，近年來被廣泛應用于圍海造地、航道整治與維護、筑堤等，排體鋪設的質量將直接關系到主體工程的安全和使用壽命。隨著工程技術的發展，軟體排的鋪設水平不斷提高，但由于鋪設后的排體處于水下，具有隱蔽性，如何對排體的鋪設效果進行判斷和檢測也就成了水下排體工程質量控制的難點。排體鋪設的最終位置和相鄰排體的搭接寬度是后續施工及運營管理期的關鍵數據，如何獲得可追溯、可量化的客觀數據，對水下排體工程的檢測提出了新的要求。

在水下排體工程檢測中，目前比較常用的方法是浮標法、水下探摸法和水下攝影法［1］。這些方法不僅工作效率較低，受人為因素和外界環境影響比較大，準確度較差，而且很難實施對大批量排體的檢測。因此，開發利用先進的水下工程檢測技術，形成方便有效的檢測方法，對于有效提高檢測能力、改進水下排體施工質量、保證整體工程的效益具有重要的意義。

本文以長興潛堤后方灘涂圈圍工程為例，對長基線聲學定位系統在水下軟體排施工檢測中的應用進行了研究和探索，對工程建設質量實施有效控制，取得了良好的效果，而且為軟體排水下施工檢測提供了新的技術手段。

1 水下聲學定位系統

根據定位系統基線的長度和工作原理的區別，可將目前主要的水下聲學定位系統分為三類：長基線、短基線和超短基線［2］。

長基線定位系統的基線長度一般為上百米到幾千米，主要由以一定形狀組成的海底定位基線陣和安裝在船只上的收發器組成，通過測量目標與基陣之間的距離來確定目標的坐標，工作方式有聲學應答式、電觸發式兩種。長基線定位系統不受水深影響，具有非常高的定位精度，而且對于大面積的調查區域，可以得到非常高的相對定位精度，但系統比較復雜，操作相對繁瑣［2-6］。

短基線定位系統的基線長度一般為幾米到幾十米，主要由三只以上基元構成的基線陣和被定位應答器組成，通過各基元測得的多個斜距值交匯得到目標的坐標。系統復雜程度較低，易于使用，但定位精度比長基線要低，而且整個系統需要做大量的校準工作［2-6］。

超短基線定位系統的基線長度一般小于1m，其工作原理和短基線類似，只不過所有的基元都集中安裝在一個接收器內，系統尺寸更小、使用靈活，但同樣需要進行大量的系統校準工作，定位精度要低于短基線，而且在很大程度上依賴于DGPS、VRU等外圍設備［2-6］。

隨著水下聲學定位技術的發展，水下聲學定位系統的定位精度不斷提高，在水下工程施工檢測中逐步得到了應用［1，7］。但對于水下排體的施工質量控制，大多數單位仍然采用傳統方法進行檢測，缺乏水下聲學定位的實際應用經驗。

2 檢測原理

水下軟體排檢測主要集中在檢測排體是否出現堆積、相鄰軟體排的結合部分是否滿足搭接要求、是否出現脫接現象這三個方面。利用長基線水下聲學定位系統，通過獲取每張排體的絕對位置坐標，模擬水下排體的形態，進而量測排體的搭接寬度，實現檢測目標。

2.1 長基線定位原理

為實現高精度的定位指標，測量水下排體固定之后的位置坐標時采用非實時的水下長基線聲學定位技術。利用長基線接收聲頭在每個固定點測量與應答器的斜距信息，至少獲取4個固定點與應答器之間的斜距，如圖1所示。

圖1　長基線定位原理示意圖

利用多個固定點的斜距信息以及固定點GPS的坐標信息，采用長基線定位的球面交匯算法結合最小二乘法，可以解算出應答器的坐標位置，解算方法如圖2所示。

圖2　長基線定位結算方法

2.2 排體水下定位及數據采集方法

水面定位采用GPS-RTK技術，利用ZHD-H32雙頻GPS在控制點CQ2處設置基準站，測量船上采用ZHD-H32雙頻GPS作為流動站，接收岸基電臺的差分信號，實現厘米級精確定位。

在排體的沉放過程中，將研制的小型水下信標安裝在排體邊界上的預定位置，如圖3所示。為滿足測量精度，每個信標內部獨立編碼，進行應答管理，工作深度不小于20m，信號接收與發射距離不小于300m，定位精度不大于30cm，在水下的工作時間不小于48h。水下信標在排體上的安裝位置，會直接影響數據采集和搭接計算的準確度，必須遵守以下幾個原則：

a.為了保證排體檢測數據真實可靠，將信標安裝在排體邊界，減少排體收縮變形產生的誤差。

b.作為非實時的鋪排檢測，所有信標應確保不被各類物體覆蓋。

c.安裝位置必須牢固，能客觀反映排體在下水后的伸縮變形情況。

d.安裝的方向應能夠滿足信號強度達到最高狀態。

e.混凝土聯鎖塊的排體寬度，依據混凝土聯鎖排的寬度作為基準，底層排布尺寸僅作為參考。

圖3　信標在排體上的固定位置

待信標隨排體沉放完成后，利用長基線接收聲頭獲取每個測量位置相對水下信標的斜距信息，實現水下非實時精確定位，定位精度達到距離的0.1％～0.3％，水下相對定位示意圖如圖4所示。

將水下定位系統和GPS流動站安裝至檢測船上，固定在船的側面或其他適當位置，在檢測船上，通過采集軟件獲取相關固定點GPS和測距數據，數據采集方式如圖5所示。

圖4　水下相對定位

圖5　數據采集方式

3 工程實例

長興潛堤后方灘涂圈圍工程部分施工區域泥面標高低于-7.0m，水深超過10m。由于造地區域河床表層地質復雜，水文條件惡劣，基床需要進行軟體排鋪設護底加固。在先期護底鋪設軟體排的過程中，傳統的鋪排施工定位采用人工吊錘或浮球的形式，受水流條件影響嚴重，定位不準，工作效率低，容易造成軟體排搭接不能滿足要求。尤其是在深水區、大流速、高渾濁度、高邊坡等復雜工況下進行鋪排作業時，經常會出現縮排、卷排、斷排等情況，嚴重影響了軟體排的鋪設質量和施工進展。因此，為了對水下鋪排狀況進行監控，確保相鄰排體的搭接滿足設計要求，同時避免不必要的浪費，采用了長基線聲學定位技術對水下排體的施工質量進行了檢測。

3.1 排體檢測

根據項目的需求，于2015年3—5月，先后對工程堤中心軸線陡坡段處的3號、4號、6號、7號、8號和圓弧段處的66號、67號排體進行了檢測。項目采用了iTrack-LB3000長基線定位系統，相關參數指標如下表所列。

iTrack-LB3000長基線定位系統相關參數指標表

3.2 水下信標定位精度檢驗

為了檢驗長基線定位系統的綜合精度指標，在長興潛堤后方灘涂圈圍工程區域內水深約3.5m處，插入一根豎桿，接著將信標與圓環相連，通過豎桿滑至泥面，然后將流動站GPS天線固定在桿頂，調整豎桿為豎直狀態，采用長基線定位系統采集水下信標的位置坐標1。然后利用GPS-RTK技術采集豎桿的位置坐標2，將坐標1與坐標2進行對比檢查。對比發現，長基線定位系統應答器解算坐標位置與GPS-RTK采集的數據誤差為0.289m。

3.3 檢測結果分析

通過長基線定位系統，采集預先安裝在排體上的信標應答單元的位置坐標數據，根據信標坐標位置和安裝記錄，即可模擬排體的輪廓，掌握排體的鋪設狀態。被檢測排體的位置關系如圖6所示。

圖6　被檢測排體的位置關系

由于被檢測排體多數位于工程堤中心軸線的陡坡段和圓弧段處，排體的分布不規則，為了描述相鄰排體的搭接寬度，分別對量測排體頭部、中部、尾部搭接寬度進行檢測，以期能夠完整地表達排體之間的搭接狀態。通過對檢測數據進行分析發現，被檢測排體的頭部搭接寬度最小值為7.73m，中部搭接寬度最小值為4.79m，尾部搭接寬度最小值為1.52m。頭部、中部和尾部搭接寬度的最小值差別較大，鋪排定位有明顯的提升空間。6號和7號排體之間的搭接寬度平均值為7.69m，排體自身的寬度約30m，排體的有效利用率僅為74.4％，水下排體鋪設的經濟性還有待于進一步提高。

4 結 語

利用水下長基線聲學定位技術，在復雜的施工環境下順利的采集水下排體的坐標位置，實現了較精確的非實時水下定位，為水下排體施工定位控制和質量檢測提供了安全、可靠和高效的新工藝、新方法。通過長基線定位技術在長興潛堤后方灘涂圈圍工程的應用，可得出以下結論：

a.水下信標應答單元的可靠程度達到了94.3％，測量精度完全滿足排體施工的要求。

b.將水下信標和排體固定為一個整體，待排體完全沉放后再進行數據采集，定位過程不受水流影響，定位數據更能反應排體的最終狀態，定位結果更準確。

c.排體沉放到預定位置后，能夠實現多次定位，在信標未被覆蓋的情況下，可以長時間監測排體的動態情況。

d.水下信標可同時支持長基線模式和超短基線模式，兼容性強，而且將水下信標加工成耗材形式，從技術形式上為未來實現大規模推廣應用奠定了基礎。■

參考文獻

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App lication of long baseline acoustic positioning technology in underwater softmattress detection

HUANG Long
（ShanghaiWater Construction Engineering Safety Quality Supervision Center Station，Shanghai200232，China）

Abstract:In the paper，the working principle and detection technology of long baseline acoustic positioningmeasurement technology in underwater soft mattress detection are briefly introduced.Changxing submerged breakwater rear tidal flat reclamation project is combined to discuss the application of long baseline acoustic positioning technique in underwater soft mattress construction positioning control and quality detection.Research shows that long baseline acoustic positioning measurement technology can achievemore accurate non-real-time underwater positioning，and it is a new process and new method of underwatermattress construction positioning control and quality detection.

Key words:long baseline；acoustic positioning；softmattress；underwater detection

DOI：10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.04.012

中圖分類號：TV36

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774（2016）04-0046-04