雙軸掃描聲吶技術在污水沉井測量中的應用研究

葛文，徐長虹

(寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315402)

1 引 言

隨著社會經濟的飛速發展，為了滿足城市居民生活需求，大型污水沉井應運而生。現如今，污水沉井建設[1]越來越多，對其進行竣工測量極其重要，其成果可以作為鄰近基坑以及管線施工的參考資料。由于各種原因，實際施工時，往往無法做到及時跟蹤測量，進而導致在覆土之前未能完成竣工測量。由于覆土后，管線不可見且開挖難度大、下井危險性高等因素，故需進行隱蔽管線測量。傳統的蛙人下井測量，具有危險系數大、費用高、測量精度低等缺陷。同樣，由于電磁波信號在水下吸收快，僅能測量較淺區域，無法保證深度區域的測量精度，故探地雷達技術[2]無法在大型沉井測量[3]中得到廣泛應用。

聲吶[4]技術是一種非常重要的海軍裝備，伴隨著潛艇等各種水下武器的發展而得到國內外專家極大的重視。其利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信息處理，完成水下探測以及通信等相關任務。近20年來，聲吶技術不斷進步，已經能夠在非接觸測量模式下快速獲取水下目標物的尺寸及相對于聲吶的位置信息，其在水下沉船姿態、海底地形地貌、水下障礙物探測等方面獲得了成功應用。根據探測成果的表現形式，聲吶技術可分為二維和三維兩個大類。二維聲吶只能生成二維圖像，如常用的側掃聲吶、避碰聲吶等；三維聲吶[5]則可以生成三維點云，如常見的多波束測深聲吶、三維掃描聲吶、三維實時聲吶等。二維聲吶主要通過圖像間接反映水下目標的空間分布特征，無法提供精確的姿態數據以及高程信息。三維聲吶能夠直接獲得水下目標物以及周邊地形的空間點云數據，可以有效地顯示水下目標物的形狀輪廓，描述其精細特征，并可以通過三維建模軟件生成水下目標物的三維模型，進而可以獲取其精確尺寸及位置信息。

根據污水沉井測量的作業需求，結合掃描聲吶的工作特點，本文嘗試引入DaulAxis Scanning sonar(雙軸掃描聲吶系統)，通過分析雙軸掃描聲吶系統的原理，研究其在污水沉井測量中的應用，進而獲取該系統在未來相關領域的使用可能性。

2 雙軸掃描聲吶系統

本文采用挪威KONGSBERG公司最新推出的雙軸掃描聲吶系統[6](DAS)，該系統在國內管線測量領域尚屬首次使用，考慮到污水沉井測量的技術難點以及雙軸掃描聲吶系統的特點，計劃將該技術應用到污水沉井測量中。

雙軸掃描聲吶(DAS)是一種用于長期海床或結構監測的剖面系統。該掃描聲吶系統與MS1000軟件程序或“獨立模式”配合使用，數據記錄在傳感器頭部并通過有線或無線遙測傳輸到岸上接收裝置中。

DAS可以持續監測水下目標物的結構及其周邊地形的狀況，特別適用于較大流速環境中的水下結構體。這個系統覆蓋區域很大，能夠生成3D剖面點，用于數字記錄。

DAS可獲取水下目標物輪廓點的X，Y，Z坐標，進而可以采用三維建模軟件對其數據進行后處理，或者可以將其轉換成las點云數據格式，在點云數據處理軟件[7]Riscan Pro中對采集到的點云數據進行瀏覽、編輯等操作。

2.1 雙軸掃描聲吶系統組成

雙軸掃描聲吶系統的聲吶探頭主要設計成桿式安裝，但也可以臨時用電纜懸掛在目標區域的上方掃描。可以布放一個單獨的探頭或者多個探頭集成在一個系統上來監測一個更大的區域。雙軸掃描聲吶系統的具體組成如圖1所示。主要包括：監測站、無線遙測調制解調器、電源、接口單元、電纜、聲吶探頭。

DAS系統主要設計了兩種運行模式：

(1)獨立模式(默認)

①使用主模式或者第三方提供電源

②使用預設的配置來采集剖面數據

(2)MS1000托管模式

①MS1000處理軟件操控聲吶

②屏幕顯示數據和記錄用于后處理

③所有的MS1000標準版功能均被啟用

圖1 雙軸掃描聲吶系統

2.2 雙軸掃描聲吶工作原理

聲吶頭部基準是剖面坐標[8]的參考點。它位于由安裝吊艙的頂部(z=0)定義的平面上，并且位于圓的中心，其中包括吊艙頂部的4個安裝孔(x=0，y=0)。Y軸(0°基準)的方向由位于外殼側面的索引標記決定。具體情況如圖2所示。

圖2 聲吶基準

目標物坐標的參考點是換能器的旋轉中心。該點位于z軸上，位于由zoffset定義的聲吶頭基準下方的位置，如圖3所示。

圖3 聲吶坐標系統

雙軸掃描聲吶是一種主動聲吶，利用發射基陣向水中發射聲脈沖，通過這些脈沖產生的回聲對水下目標進行測距、定位及識別。

掃描聲吶連續發射調頻波，遇到目標時就會產生回波，由于聲吶與目標都是靜止的，回波的形狀與發射

信號只不過落后一段時間2R/c(其中R代表距離，c代表聲速)。目標距離R越大，回落落后時間就越長，則在同一時刻回波頻率與發射頻率之間的差值f就越大。由上述分析可知f與R關系密切，兩者的關系可由下式表示：

f=2R·S/(c·T)

(1)

其中，S是連續信號的調頻量；T是調頻周期，所以信號在單位時間內的頻率下降速率應該為S/T，則經過2R/c后，對應的發射波的頻率就降低了(S/T)*(2R/c)，即公式(1)。將目標的回波和發射波同時送入混頻器中，在混頻器的輸出端利用頻率選擇器就可算出差值f，進而可得出距離R值。由于雙軸掃描聲吶系統采用了雙軸裝置，是一種三維掃描聲吶系統，掃描獲取的距離R為兩者之間的空間距離，進而可以獲取目標物相對于聲吶探頭的三維坐標X，Y，Z。

2.3 數據處理

(1)數據轉換

雙軸掃描聲吶系統所采集的數據必須保存為X，Y，Z格式的文本文件，才能導入到CAD軟件或者其他三維處理軟件中進行后處理，如果需要在點云軟件中進行數據處理，需要將文本文件轉換成las格式。

(2)數據預處理

如果采用點云后處理軟件進行數據處理，則需對點云數據進行預處理操作，一般在Riscan Pro軟件中進行，對獲取的原始點云數據進行濾波、抽稀、平滑、渲染等預處理后，可以得到理想狀態的原始點云數據。

(3)數據處理

利用點云數據處理軟件的量取工具可以獲取點云目標物的尺寸信息，可使用軟件Riscan Pro進行點云圖像平移、旋轉、放大等操作，從不同角度對目標物進行觀察，并可測量包括點、線、面間的距離。

(4)數據展示

一般采用顏色變化來豐富點云數據的細節層次、提高數據的表現力和信息量。XYZ格式的三維點云本身是不含顏色的，采用“環境光遮蔽”的算法進行點云著色，它可以通過改變陰影的深度增強空間的層次感、真實感，大大豐富了圖像細節、增強了三維場景的表現力。

2.4 主要技術參數

雙軸掃描聲吶系統整體性能較為穩定，即使在環境復雜的條件下，依然可以保持良好的掃描精度，主要設計用于長期監測，其主要技術參數如表1所示。

主要技術參數 表1

2.5 系統主要特征

(1)覆蓋區域大：雙軸掃描聲吶的覆蓋區域很大，其量程達到 300 m，垂直視角為+10°～-90°，大的量程和大的視角保證了雙軸掃描聲吶可以一次性掃描大區域的水下目標物的精細輪廓信息，可避免傳統掃描聲吶需要多次架站的缺陷。

(2)快速獲取數據：可以快速獲取目標物的數據，通常效率是傳統掃描聲吶的幾倍。

(3)可數字記錄：獲取的數據可以保存成X，Y，Z的文本格式，可以采用數字化進行記錄。

(4)3D剖面：雙軸掃描聲吶系統是一種三維掃描聲吶，相對于二維掃描聲吶，該系統可以獲取目標物的三維信息。

(5)性價比高：雙軸掃描聲吶具有掃描區域大、作業效率高、性能良好、經久耐用等優點，故相對于其他掃描聲吶而言，絕對是性價比高的儀器。

3 工程應用實例

為了將雙軸掃描聲吶技術引入到污水沉井的實際測量中來，本文選取兩處具有實際跟蹤數據的污水沉井作為比較分析的對象。為了全方位、完整地測量污水沉井的規模尺寸，采用MS1000托管模式運行聲吶系統，主要獲取污水沉井的直徑和埋深信息。

3.1 探測準備

(1)雙軸掃描聲吶系統一套：探頭1個、數據電纜 60 m、軟件一套(帶狗)；

(2)供電系統：36V電瓶2個，500W逆變器1臺，1000W UPS電源1臺；

(3)安裝支架：將探頭安裝在一根長約6 m的金屬桿上；

(4)釋放探頭：將鋼絲繩和電纜捆綁在金屬桿上，然后向下釋放聲吶探頭，直至污水沉井的底部，然后將鋼絲繩和電纜固定好，準備開啟MS1000軟件系統進行數據采集。

3.2 探測步驟

(1)MS1000模式的準備

設置MS1000程序的第三方終端軟件或終端選項卡，以實現DAS探頭的通信。給探頭供電并等待數據的連接，停止使用命令“！”。重復嘗試，直到掃描停止并且探頭進入“空閑”狀態。最后，斷開終端軟件以釋放MS1000應用程序的COM端口。

(2)MS1000模式的啟動

開啟MS1000軟件，轉到設置選項卡，然后選擇“連接聲吶”。在“系統配置”對話框中，重置設備，然后選擇運行聲吶的COM端口，檢查“使用恒定波特率”框，并將波特率設置為115200。檢查“啟用頭控制”框，檢測聲吶探頭的性能，然后探頭開始運行，一旦頭部開始運行，MS 1000顯示器將開始2D掃描，顯示聲吶的范圍和方位返回到設定的掃描區域，并帶有可選擇的傳感器傾斜。所有操作設置都可以根據需要進行調整以優化數據采集。

(3)MS1000模式下3D輪廓數據采集

在掃描過程中，可以調整輪廓參數以優化輪廓點提取。配置文件參數也可以在任何記錄的數據上進行更改，通過選擇重寫記錄配置文件以備進一步優化。為了自動執行3D掃描，需要額外的設置來啟用自動傾斜和定義傾斜范圍。設置分析和自動傾斜掃描參數，開始采集數據。

(4)輪廓點數據可視化

掃描數據將顯示在屏幕上，作為一個2D圖像，包含整個掃描數據、提取的配置文件點或兩個都取決于配置設置。該數據以范圍和方位格式顯示，并附加一個傾斜指示器。為了可視化獲取的輪廓點，應該從“工具”工具欄激活3D可視化窗口。3D可視化工具允許在采集期間實時地對輪廓點進行可視化以實現質量保證。當之后回放MS1000掃描記錄時，輪廓點數據同樣可以顯示出來，可以使用文本文件中的x、y、z格式保存所顯示的輪廓文件數據。這是在CAD軟件或其他專門的后處理軟件中引入點云數據準備的必要條件，也可以加載包含x，y，z點的任何文本文件，以便在此模塊中進行可視化。

使用工具欄中的圖標激活3D可視化窗口。3D查看器窗口將彈出在MS1000顯示屏的頂部，必要時可以拖動并調整窗口大小。點云隨著任何新增的點而實時更新。點云數據可以根據需要進行平移，縮放或旋轉。一旦掃描覆蓋了所需區域，就可以直接從3D視覺窗口將采集的輪廓點保存為x，y，z格式。

(5)三維輪廓點數據保存與檢索

3D查看器窗口具有允許將采集的輪廓文件點保存到文本文件的控件，從文本文件加載保存的輪廓文件點，并清除任何加載的輪廓文件點。

3.3 探測數據處理

將掃描采集到的文本文件導入CAD中或者點云數據導入到Riscan Pro軟件中，利用軟件中的量測功能，即可得到管口直徑，管底埋深等數據。采集過程及點云數據如圖4和圖5所示。掃描結果與跟蹤結果對比如表2所示。

圖4 雙軸掃描聲吶掃描結果俯視圖

圖5 雙軸掃描聲吶掃描結果側視圖

掃描聲吶數據對比 表2

從圖4和圖5可知，雙軸掃描聲吶系統所采集的污水沉井點云數據全面、準確地顯示了污水沉井的輪廓形狀，可以清晰、快速地獲取沉井管道的位置。相對于二維掃描聲吶圖像，三維點云數據可以顯示出目標物的三維信息，給人良好的立體效果，通過相關顏色渲染，更加逼真、形象。

由表2數據可知，聲吶掃描獲取的管口直徑以及管底埋深數據非常接近管線的跟蹤數據。沉井的壁厚一般為 0.5 m，實際聲吶掃描時，獲取的是其內徑數據，與跟蹤的數據差值僅為 8 cm；由管口內徑的掃描數據可知，1#管口和2#管口的內徑與跟蹤的數據差值僅為 2 cm和 1.2 cm；由管底埋設掃描數據可知，1#管口和2#管口的埋深與跟蹤數據的差值分別為 7 cm和 8 cm。由寧波市管線探測技術規程可知管線探測精度需滿足：管線點的水平位置中誤差 ≤±0.05H；埋深中誤差 ≤±0.075H，故利用雙軸掃描聲吶獲取的沉井直徑、管口內徑以及管內底埋深數據的精度完全滿足管線竣工的測量精度，表明雙軸掃描聲吶可以準確地獲取污水沉井的形狀數據，可作為管線竣工測量的一種有效手段。

4 結 論

(1)雙軸掃描聲吶系統是一種高效率、高精度、掃描范圍廣、可獲取水下目標物三維信息的掃描聲吶，其在污水沉井的測量中得到了良好的應用，可以精確獲取污水沉井的輪廓點云數據，進而通過點云數據后處理軟件，可以量取其管口、管深等相關信息。

(2)雙軸掃描聲吶系統能夠在水體渾濁、能見度低、光學攝像等可視調查無法開展的區域內使用，可以替代潛水員水下量測管道尺寸信息，節約成本、降低風險。

(3)雙軸掃描聲吶獲取的點云數據可以通過點云后處理軟件如Riscan Pro進行后續的處理工作，如點云濾波，可以抵消部分因為外界條件而產生的噪聲數據，從而可以更加精確獲取理想狀態的圖像。

(4)雙軸掃描聲吶技術為管線測量提供了一種新思路、新方法，可以為今后類似工程提供良好的借鑒作用，可以在管線測量領域推廣使用。

(5)雙軸掃描聲吶系統還有值得進一步改進的方面，該系統獲取的點云數據均是相對于聲吶傳感器的相對坐標，如果在聲吶的傳感器頭部內置GPS定位模塊，實際測量時，就可以獲取水下目標物的絕對坐標。