三維成像技術在大壩水下垂直結構面缺陷檢測中的應用

朱 俊，張洪星

(上海遨拓深水裝備技術開發有限公司，上海 201306)

1 背景介紹

國內現有9萬多座水庫大壩，在進行大壩安全檢測和維護過程中，需要探明水下混凝土沖刷缺陷與淘蝕、壩體滲漏、表面裂縫、金屬腐蝕和底部淤積等安全運行隱患[1]。對于壩后消力池(塘)、尾水渠和海墁等水下結構的檢測，現有技術是采用多波束和側掃聲吶，沿著預先規劃的測線進行掃測，對整個水下區域進行快速掃描。

多波束測深系統也稱聲納陣列測深系統(如圖1所示)，是利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的海底發射超寬聲波束，接收海底反向散射信號，經過處理，形成多個波束，獲得最多幾百個海底條帶上采樣點的水深數據，進而快速地測出沿航線一定寬度內水下結構體的形狀、大小和高低變化，并且描繪出水下地形的三維特征[2]。

圖1 船載多波束系統組成和掃描示意圖

隨著多波束測深技術逐漸成熟，波束數增加到100多個，波束寬度減到10度上下，總掃描寬度增大至1800度[3]。依靠GPS，多波束測深系統不僅在海洋測繪中，還在江河湖泊測繪中廣泛應用，進行掃描成像，提供直觀水下地貌特征，類似“水下CT”[4]。

側掃聲吶一般搭載在水下拖體中，拖體左右各安裝一條換能器線陣。其基本原理與側視雷達類似，換能器發射聲脈沖，碰到海底或水中物體產生散射，其反向散射波(也叫回波)會按原傳播路線返回換能器被接收，在換能器內直接處理轉換成一系列電脈沖(如圖2所示)[5]。將每次接收的數據按時間次序縱向排列并顯示，從而形成二維水下地形地貌聲圖。聲圖平面和水底面呈逐點映射關系，聲圖的亮度包含了水底的特征。

圖2 側掃聲吶工作原理示意圖

然而，現有多波束測深系統在消力池和海墁等壩后過流面檢測時，對于垂直面的混凝土缺陷是有困難的，而側掃聲吶只能獲得二維地貌聲圖，對沖刷缺陷，例如淘蝕等的尺寸參數獲取也有難度。根據多波束發射換能器的工作原理，多波束的聲信號傳播到垂直面時，小部分原路反射被換能器接收到，大部分會由于垂直面的不平整導致反射到底面，然后部分聲信號經過二次反射，再被接收換能器捕捉(圖3顯示了聲信號的第一次反射)。這樣在多波束檢測作業時，就會在垂直面出現聲信號空白區域，而且無法判斷是否是由于沖刷淘蝕導致的聲信號反射的數據空白區域。

圖4顯示了某次利用船載多波束進行消力池檢測的結果，在垂直的導墻和水平底板之間出現了明顯的數據空白區域(黑色部分顯示無多波束數據)。圖5顯示了邊墻的垂直面由于沖刷導致的混凝土淘蝕。對于混凝土重力壩，由于壩后發電機組尾水的沖刷，淘蝕也會出現在消力池的部分導墻水下部分，這對于導墻的結構安全造成潛在的危害。

圖3 多波束換能器的聲信號反射示意圖

圖4 消力池底板和邊墻的多波束掃描結果

圖5 邊墻沖刷后形成的混凝土淘蝕

水下機器人(Remote Operational Vehicle，ROV)，是一種人為操縱作業的潛水設備，可搭載觀察、檢測及作業的儀器設備和機械手。ROV本體包含浮力材料、框架、推進器及相應的電子艙，水上的控制系統通過臍帶纜下傳電力和控制信號，并上傳數據信號到控制系統。改變浮力材料或者增減配重可調整ROV的載荷；可搭載的儀器包括高清攝像頭、廣角/微光攝像頭、圖像聲吶、三維掃描聲吶、超短基線信標、多功能機械手、采樣儀器等設備。

作為水利水電水下設施的現場檢測技術手段之一，適合采用觀測型電動ROV作為檢測平臺，該設備尺寸不大，適應水電站現場作業環境；同時可以搭載光學攝像和三維成像聲吶，足夠對導墻的垂直面缺陷進行水下精細掃描檢測，并對重點部位近距離“駐足”觀測和高精度測量。從而彌補多波束掃測時出現的數據空白，解決導墻淘蝕現象類似的水下結構缺陷的檢測應用。

2 三維成像技術

隨著聲學和三維顯示技術的進步，三維成像技術可以用于解決二維聲吶無法滿足的水下復雜結構的成像難題。三維成像聲吶可以獲得高分辨率的三維實時成像，可縮放、移動、轉動圖像。它可應用于海洋石油行業中的導管架、海底管道、管匯等的檢測，水下聲視覺導航，水下橋墩探傷，河道的堤壩檢測及其他的輔助應用[6]。

三維聲吶配置類似于多波束的聲吶探頭，包括發射/接收換能器；用于發射波束，在碰到障礙物反射聲信號，再接收聲信號并轉換成電信號傳輸至聲吶控制盒，最后通過處理軟件將掃描到的信息以圖像的形式顯示在電腦顯示屏上。

表1列舉了多種類型聲吶對比。

表1 多種類型聲吶

3 三維聲吶系統

對比國內外現有的三維聲吶產品，為了能在現有觀測型電動ROV上安裝，考慮了產品的尺寸參數、重量和檢測作業方式，特別選定了一款用于水下探測的三維聲吶系統BV5000-1350，它由美國BLUEVIEW公司研制開發。該款聲吶滿足電動ROV改裝需求，同時該聲吶在低能見度或者零能見度的水下環境中，可以獲得陸地三維激光掃描獲得類似的點云圖，點云圖精度最小達到1.2cm(軟件技術手冊)。

該聲吶是把一個多波束探頭(發射/接收換能器)集合在一個機械旋轉云臺上，結合角度傳感器和姿態傳感器，形成一個旋轉二維面陣系統。它能通過掃描生成扇區掃描和球面掃描數據；直接獲取水平、垂直和高度三個方向上的數據，生成實時三維立體圖像。該系統可以安裝在三腳架或ROV上，能在復雜水域環境中工作，通過獲取一系列測點的三維點云數據，就能獲取檢測區域的所有掃描圖像數據，如圖6所示。

圖6 三維聲吶安裝在水下機器人(ROV)上

4 工程應用研究

三維聲吶搭載觀測型電動ROV可獲得在三腳架安裝上的許多優勢。

(1)適合作業水深由淺水向中深水擴大。

(2)放松水下定點作業的限制要求，例如三腳架的定點就要求平坦、可在水下固定的水下地形，對水下流速敏感；而ROV就沒有這個限制，而且推進器能提供一定的抗流性。

(3)應用范圍大為擴大。利用ROV水下自由航行能力和定點的靈活性，可廣泛應用于水利水電的水下結構三維掃描作業，包括了大壩過流面的沖刷缺陷和兩側導墻淘蝕的檢測作業。

4.1 搭載三維聲吶的ROV作業流程

(1)三維聲吶機械旋轉云臺在ROV上的安裝?？紤]到三維聲吶包括探頭和云臺有5kg重量，在ROV上的安裝要綜合考慮ROV的有效載荷，重心和浮心的改變，浮力材料的補充和布置位置，聲吶探頭的安裝及數據線纜的連接。

(2)ROV上電調試及三維聲吶的功能測試。ROV上電后，要連接三維聲吶軟件，機械云臺要能水平180°旋轉和上下檢測仰角的實現，確保進行水下水平掃描和360°球形掃描。

圖7 ROV對垂直面的檢測成果(正面和側面)圖8 ROV對結構垂直面的檢測成果(整體)

(3)對水下結構垂直面沖刷淘蝕的檢測。ROV的定點位置和個數很關鍵，通過比較三維聲吶的最優掃描范圍和沖刷淘蝕的檢測范圍的大小，確定測點的數量和位置。

(4)ROV下水，航行到各個測點進行三維掃描成像。

(5)作業完成后，回收ROV。

4.2 作業案例和成果

實際作業中，利用三維聲吶可以獲取混凝土重力壩的消力池兩側導墻由于發電組尾水沖刷形成的垂直面淘蝕的三維點云圖。通過軟件處理，可以獲得淘蝕的水下定位、淘蝕面的向內深度和范圍大小如圖7、圖8所示。

5 結論

水下檢測是水利工程日常管理、應急搶修、水庫大壩安全評估不可或缺的重要技術手段。作為水利水電水下設施的現場檢測技術手段之一，利用ROV搭載三維成像聲吶，可對大壩水下結構垂直面，如導墻的沖刷缺陷，進行水下精細掃描檢測，從而彌補多波束和側掃聲吶掃測時出現的數據空白，解決導墻淘蝕現象類似的水下結構缺陷的檢測應用。