深水拋石整平船聲吶檢測系統及技術應用

劉太剛

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

聲吶技術至今已有超過100 a歷史，它是1906年由英國海軍的李維斯·理察森發明。隨著現代科技的發展進步，聲吶技術不斷改進，它被廣泛應用到水下監測的各個領域與行業。如今，聲吶早已在工程建筑行業應用成熟，尤其在水下檢測和水下地形方面應用廣泛。崔凱興[1]研究了多普勒聲吶系統原理及應用，并成功應用于多種水下載體導航；王久[2]等人闡述了側掃聲吶和多波束系統的成圖原理和誤差控制，成功應用在失事沉船掃測打撈等多項任務上。張小平[3]提出了一種基于并行互連拓撲網絡的實時高分辨率多波束成像聲吶系統方案，并圍繞系統的設計與實現展開了一系列關鍵技術的研究工作，對多波束聲吶成像的應用起到了關鍵性的作用。

在港珠澳大橋島隧工程中，我國自主建造的第1艘大型深水碎石整平船采用了以PDR-2200型聲吶為主要組成部分的水下碎石基床整平聲吶檢測系統，對水下施工和碎石壟成型檢測發揮了極其重要的作用[4-6]。

1 整平船聲吶組合系統簡介

1.1 PDR-2200型聲吶

PDR-2200型聲吶是為在外海深水工程施工設計的近距離測量組合式、熱敏類型的精密回聲測深設備。通過采用耐水壓型的T17型送受波器，利用時間差收發方式，可以在相同頻率的2個頻道進行近距離測量。其主要由記錄器、耐水圧型送受波器CH1、CH2等部件組成，其系統基本組成如圖1所示。

圖1 PDR-2200型聲吶系統組成圖Fig.1 Composition diagram of PDR-2200 sonar system

1.2 PDR-2200型聲吶系統的工作原理

1）送受波器的指向角

PDR-2200型聲吶送受波器的指向角是由送受波器的形狀、超聲波的頻率、音速度等決定的理論值，一般用半減全角幾度來進行表達。半減全角與受傳波器的垂直方向（0毅方向）的聲波強度，可用半減全角一半的角度來進行表示，PDR-2200型聲吶的半減全角為6毅，如圖2所示。

圖2 送受波器的指向角示意圖Fig.2 Diagram of thedirection angle of wave receiver

受波器垂直向下方向（6毅方向范圍）的波束稱為主波束，測出的數值最準確。從受波器中發出的波束，除了主波束外還有多個側波束（副波束）存在。側波束發射的角度加大，波束強度較弱，測量數值不準確，會對主波束測出的數值產生不良的影響，所以應該特別注意。如果要提高測量精度，需要避免在側向波束測量范圍內出現障礙物。本機的側波束會向8毅、15毅、30毅的角度范圍發射波束。側波束是對稱存在的，發射角度越大，波束強度就越弱，測量誤差就越大。

2）送受波器的測控范圍

本機的送受波器向8毅、15毅、30毅方向側旋轉發射波束（如圖3所示），如果從送受波器端到30毅以內有結構物，對測量結果是有較大影響。因此，為提高整平船聲吶測控系統的測量精度，在聲吶30毅范圍內不可以增加任何遮擋物。

圖3 送受波器的測控范圍Fig.3 Rangeof measurement and control for wavereceiver

1.3 GNSS（BDS）+聲吶組合測控技術

利用特殊剛性載體和聲吶技術將地面某空間點GNSS快速靜態測量獲取的高程精密傳遞至水下，整個定位系統由GNSS流動站接收機、聲吶、全站儀及適配棱鏡、姿態監測和計算機數據處理等部分組成。

將GNSS流動站接收機與全站儀適配棱鏡固定在長度已知的剛性載體頂部，在載體底部安裝聲吶和姿態儀；將載體固定在支架上垂直沉放水中（GNSS和棱鏡露出水面，底部距離水底高度固定），借助于剛性載體抗撓度強與變形小的連接特點，采用快速靜態測量方法獲取剛性載體頂部的高程，便可精確得到剛性載體底部高程；然后通過載體底部聲吶采用脈沖測距法精確測量距水底距離，從而反算出水底的實時高程；同時為了檢校GNSS高程輸出精度穩定性，通過全站儀自動照準功能跟蹤測量適配棱鏡；最后將全站儀和GNSS觀測數據實時傳輸至計算機處理系統，從而實現水下高程實時定位和監測。

整平船上的聲吶采用脈沖測距法實現距離精確計算，脈沖測距是利用接收回波和發射脈沖信號間的時間差來確定距離的。

水中物體之間的距離S與時間t的關系為S=1/2ct，c為聲音在水中的傳播速度。測點的實際高程H就是通過拋石管上的GNSS天線測得的實際高程h，減去GNSS相位中心到拋石管底部距離L1，得到拋石管底部高程；拋石管底部高程減去聲吶的回送聲吶長度L2，得到聲吶發射裝置處的實時高程，最后聲吶高程減去聲吶測量值CH1水深值D，最終得到測點的實時高程值，即H=h-L1+L2-D=h-L1+L2-1/2ct。聲吶系統工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 聲吶系統工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the working principle of sonar system

1.4 拋石管傾斜修正技術

港珠澳島隧工程施工區域潮流主要為漲落潮流，方向為南北方向，與拋石管的行走方向相同，其中海水流速過大引起的拋石管傾斜占主要因素。在鋪設作業施工時，拋石管已下放至海面以下，由于拋石管受到海流影響會發生傾斜。通過自主研發的拋石管傾斜仿真計算，可以得到不同工況下拋石管各個位置的撓度變化。

1.5 聲吶系統修正技術

聲吶會受水深、水溫、鹽分濃度、渾濁度等因素的影響使測量值產生誤差，因此需要進行校準修正。聲吶修正時，先在水面上安裝施工聲吶的反射板，用激光測距儀直接測量施工聲吶和校核聲吶到各自反射板的距離，并在反射板上固定塔尺，如圖5所示。再將拋石管降至水下（聲吶入水即可），塔尺露出水面，利用水準儀可以測出反射板的高程。通過調節校準聲吶的發射聲速，使聲吶測得高程和水準測量高程值一致，然后將此聲速應用到施工聲吶修正參數中。

圖5 聲吶修正Fig.5 Correction of field sonar

1.6 拋石管傾斜儀歸零校正

整平施工前通過傾斜儀調平船體，確保拋石管垂直。同時通過調平作業，保證了整平船船體水平和傾斜儀的正常工作，從而使得拋石管在下放過程中處于自然垂直狀態。采用掃平儀對整平船傾斜儀測量校正，在頂甲板開闊地架設掃平儀，分別在船體行車道表面的4個角點上安放固定有接收器的水準塔尺，以掃平儀視線高度為參考面，并對其掃平，讀取各水準尺的讀數，比較數值，通過調整樁腿將4點高差互差調整小于2 mm，最后將整平船傾斜儀歸零，完成校準。

2 整平船聲吶系統的優越性

聲吶記錄器是整個聲吶系統的“指揮部”，所有的命令和操作都需要有它發出。所有工程數據參數、功能選擇、聲速模式、聲吶的靈敏度以及數據記錄等，都集成在了記錄器。

整個聲吶系統的工作狀態和和普通的聲吶面板有很大的區別，操作比較方便、靈活，并且所占用的面積比較小，大大節省了聲吶控制系統的空間，使得聲吶系統輕便、實用。

整平船聲吶系統較其他聲吶系統有下列優點：

1）記錄篇幅采用216 mm的熱敏記錄機，小型輕量、低功率化，內置鎳鎘電池最長連續使用約4 h以上；

2）具有自動靈敏度調整的功能，可以獲得前模擬記錄的水深值，呈現液晶顯示，用RS232C將數據直接輸出；

3）送受波器耐水壓、性能穩定；

4）測量精度高，經過多項修正后，測量精度控制在依1 cm以內；

5）聲吶系統附在拋石管上，可直接放到碎石壟上方1.5～2 m范圍內，受海流環境影響小；

6）聲吶系統智能化，可直接指導施工。

3 整平船聲吶檢測系統在工程中的應用

此聲吶檢測系統是首次在國內應用，應用工程只有港珠澳大橋島隧工程，下文便以港珠澳大橋項目為例，對整平船聲吶檢測系統施工技術進行說明。

運行PDR-2200型聲吶工作時，首先要檢查一下聲吶有無受損或者有無雜物等遮住，確定完畢后開啟控制開關，進入工作狀態。應該注意的是，當聲吶暴露在空氣中時，切莫打開開關，容易將電元器件燒壞損傷。

3.1 確定工作參數

操作“FUNCT”選擇的畫面中的項目，逐項選擇輸入參數，需要注意的是每個管節對應的參數均不同，需要工前調整。

例如在E1-E10管節屬于淺水區（水深小于20 m），聲吶測量模式需要調整為S1，相反在深水區模式應切換為D1。CH1水深值是校正聲吶距離反射板的距離，它要根據每次施工時標定的參數值來實時調整。同樣聲速的輔正值在每個管節施工時也會有差別，需要根據每次施工前標定的參數值來實時調整。本步驟它是施工的關鍵的一個環節，不能有任何差錯。一旦出現錯誤，CH2水深值（實測水深值）就會出錯，從而導致鋪設碎石壟的高程出現差錯。

3.2 聲吶檢測系統校準

每次碎石檢測驗收時都需要進行聲吶檢測系統校準。校準時，將拋石管降至施工深度，通過調節修正聲吶的發射音速，直至將測量出接收發送器和反射盤之間的距離調至校正聲吶的標定值（約1 500 mm），然后將基床鋪設使用聲吶的音速調至上述值。聲吶布置示意圖如圖6所示。

圖6 聲吶布置示意圖Fig.6 Sonar layout sketch map

1號和4號聲吶為校準聲吶，2號和3號聲吶為基床鋪設使用聲吶，通過調整校準聲吶的音速，調整旋鈕將屏幕上的測量長度調至標定數值，如1 500 mm，然后將基床鋪設施工聲吶的音速調至與校準聲吶相同。

3.3 成型壟驗收

當碎石鋪設完成后，采用聲吶檢測系統對成型壟進行驗收，將施工管理界面切換至測量界面，操作拋石管按壟中心線路進行測量，測量完成后系統將測量數據自動生成成果圖，包括縱向和橫向的成果圖。為更直接反映壟平整度，采用實測值與設計值之間的差值生成驗收最終成果，如圖7所示。

同樣聲吶檢測系統上的記錄功能也可以實現此功能。在驗收開始時，將聲吶記錄器上的CHANT（紙傳送開關）打開，系統會自動將碎石壟的相對形狀記錄在打印紙上，驗收的壟軸線會出現一條近似直線，如果異常高點和低點很容易看出具體位置，方便后期處理。這樣做可以和施工管理系統之間做對比，以防在驗收時出現差錯。

圖7 碎石壟驗收成果圖Fig.7 Gravel ridgeinspection results

4 應用效果及分析

目前，港珠澳大橋島隧工程沉管安裝及后續工程已全部完成，安裝后的貫通測量數據驗證了深水整平船碎石基床的高精度鋪設，高程控制能夠滿足依4 cm的偏差要求，每一條壟的驗收合格率都能達到90%以上，依2 cm的合格率可以達到70%以上。其中，E23管節安裝時的高程精度達到毫米級。

聲吶檢測系統將單一聲吶進行了組合，將4個聲吶捆綁式應用，這是以往工程所不具備的。這樣可以最大限度的減小聲吶在工作時因自身和周圍環境所產生的誤差，同時聲吶和聲吶之間還可以形成一個互補、互檢的作用，從而降低了產生誤差的幾率，使得精度得到保障。另外，本工程設定聲吶和碎石壟的間距縮短為1.5～2.7 m之間，測控精度控制在1 cm以內。

5 結語

深水拋石整平船聲吶檢測系統在港珠澳大橋碎石基床鋪設施工中的成功應用，充分驗證了該聲吶檢測系統的超高性能，達到了高精度控制施工的設計要求。該系統使用時方向性強、能量易于集中，適用于各種不同條件的海洋環境。聲吶發出的聲波傳聲媒質的相互作用適中，能夠高精度計算出它與障礙物之間的距離，實時有效的控制施工精度。

本文以實際工程為例，對深水拋石整平船聲吶檢測系統做了詳細的梳理和研究，也為后續類似工程項目提供一些借鑒。

[1] 崔凱興.多普勒聲吶系統原理及應用[J].科技廣場，2010（5）：169-171.CUIKai-xing.Principle and implement of Doppler sonar system[J].Scienceand Technology Square,2010(5):169-171.

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