激光測量技術在沉管隧道水下沉放對接監測中的應用研究

王兆衛，沈永芳

（1.上海交大海科檢測技術有限公司，上海 200231；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

0 引言

沉管隧道管節沉放對接是施工關鍵工序之一，管節對接后如偏差過大，會引起服役期間接頭滲漏水[1-2]。由于水下施工屬于隱蔽工程，肉眼不可見，水下智能監測技術對于保障管節沉放對接具有至關重要的作用。管節沉放對接主要監測方法有測量塔定位法、水下聲吶測量定位法和水下拉線法等[3-5]。測量塔法一般用于淺水區管節的沉放定位，管節在浮運沉放全過程中，測量塔的頂端始終露出水面，由于測量塔和管節被視為一個剛體，因此通過跟蹤測量塔的位置就可以換算水中管節的姿態。聲吶定位測量系統用于測量已待管節和已沉管節兩個對接面的精確位置，屬于相對定位法，通過發射端換能器把電信號變成聲信號，在水中傳遞直至被接收端捕獲，根據水中傳遞時間計算確定相對距離。拉線法也屬于相對定位方法，拉線測量單元固定在待沉沉管的連接端，伸出一根金屬線盒與已沉管節相連接，金屬線由恒壓工作的恒張力電動機牽引，金屬線一旦松弛或釋放過快，系統都會發出報警。

無論聲吶法還是拉線法，在近距離位移監測時都會出現強烈的信號干擾，導致測量精度較低。測量塔法則適用于淺水區域，在外海建造的沉管隧道由于水深大而無測量塔。開發高精度的基于灰度重心算法原理的水下激光測量技術，作為水下工程重要技術之一，有助于提升沉管隧道對接效率、提高對接精度，對保障施工安全質量和促進沉管法隧道的發展具有重要作用。

1 灰度重心算法原理

灰度重心法是一種亞像素精度的光斑中心提取算法，其原理是計算圖像中光線灰度分布的重心位置[6]。對于亮度不均勻的目標（如光斑，光條紋），灰度重心法可按目標光強分布求出光強權重質心坐標作為跟蹤點。當圖像光帶灰度值成高斯分布時，灰度重心法提取光帶中心效果最理想，且對光帶截面橫向平移不敏感，計算速度較快。灰度重心法把每一行計算出的光帶灰度重心的橫坐標作為其光帶中心位置，利用灰度為權值的加權型。在大小為M·N的灰度圖像中，設光斑的灰度權值為S（i，j），對于超過閾值T的均參與重心處理，則灰度重心法計算的光斑（x0，y0）為：

采用灰度重心法不需要對圖形進行二值化，在目標和背景具有較大的灰階差距時具有很好的定位效果，若目標灰度值較大、背景灰度值較小，使用灰度重心法可以計算得到較為精確的光斑中心坐標。

2 激光位移監測系統與模型試驗

2.1 系統設計

根據沉管沉放對接方案，在已沉放管節或暗埋段結構物對接端面上設計布置4個激光發射器，在待沉放管節移動端上布設4個攝像水箱，激光發射器與攝像水箱一一對應。固定端激光發射器采用藍綠激光，并確保安裝垂直。安裝移動端之前，將水箱充滿清水并完全密閉，以提高水箱內攝像系統讀數效果。水箱激光靶采用透光性和聚光性較高的材料。

用電纜連接水箱和計算機，工程人員在測量塔上方接收數據，監測管節對接姿態。為減小淤泥對激光光束的影響，激光發射器和水箱布置在管節端面腰線以上，沿中軸線對稱布置。為方便安裝和布線，需提前在鋼封門焊接穿艙件，并滿足水密性要求。電纜從水箱之中的攝像系統引出，經穿艙件進入管節內部，再通過管節上方人孔引出至測量塔。

2.2 模型試驗研究

模型試驗研究目的是驗證激光攝像系統在水下位移監測功能和測量精度。試驗分為兩部分，第一部分在1.5m×3.5m水槽中進行試驗，研究激光光源距離對測量精度影響、實際移動距離與測量值偏差以及光學折射對測量精度的影響。第二部分是水池聯合調試試驗，驗證激光-攝像水箱和測距聲吶組成的近距離姿態監測系統的功能性和精度，為實際工程應用提供依據。

2.2.1 水槽激光位移監測試驗

如圖1所示，在水槽一端放置激光發射器，激光發射器安裝在可水平和垂直移動的導軌上，導軌標記有刻度。水槽另一端布置水箱，水箱尺寸40cm×40cm×40cm的立方體，表面是帶有刻度的透光板，水箱安裝在可以前后移動的導軌上。

圖1 激光-攝像水箱位移監測精度試驗（a）試驗裝置；（b）數顯系統

試驗采用控制變量法，首先水箱距離激光發射器3m，激光光束打在水箱中心，保持激光發射器y向（垂向）不變，移動x方向。同理，保持x方向不變，移動y方向。分別試驗3m、2m和1m距離。

除了精度試驗外，還針對透光板材料選型進行試驗。透光板主要有兩種材料，一種是聚酯板（PC板），另一種是有機玻璃板。PC板對光源的聚集效果更好，但是剛度小，在水壓或溫度作用下，容易發生變形。有機玻璃板透光性較好，但是在光斑容易發散，導致識別光斑時出現誤差。

基于灰度重心算法的激光位移監測技術可以計算得到較為精確的光斑中心坐標。該方法對背景對比要求高，選擇顏色較深、透光性弱、聚光型強的水箱激光靶材料，可與激光光斑形成鮮明對比，提高監測效果。

2.2.2 水池調試試驗

制作管節移動端和固定端縮尺模型，在移動端管節模型上安裝4個攝像水箱和1個測距聲吶，在固定端管節模型上安裝4個激光發射器。移動端管節模型固定在試驗水池面移動桁車上，固定端模型固定在水池壁水面以下，通過桁車水平移動和定滑輪吊放管節垂直運動，模擬管節沉放對接過程。如圖2所示，（a）是管節移動端模型，（b）是四個攝像水箱顯示系統。

圖2 試驗現場（a）移動端模型；（b）顯示系統

從水箱中攝像系統中不難發現，有一個攝像水箱顯示較暗，讀數不明顯，主要原因是未在該水箱邊緣安裝光帶。在試驗中發現，激光發射器距離水箱5m以上，如果激光發射器安裝存在的微小偏差，光束未水平發射，將導致激光光束發生較大的偏轉，無法與水箱十字中心完全對中。

3 結語

本文針對沉管法隧道沉放對接監測的高標準要求，提出了采用激光位移測量方法，并對該方法原理、監測系統設計、模型試驗進行研究分析，主要有以下結論：

（1）沉管隧道管節沉放對接監測技術一直是技術難點，設計并制作了激光位移監測系統，通過合理的安裝和布線，提高實際管節沉放對接監測中操作性和便捷性。

（2）經水槽試驗發現，原本可監測水平和垂向40cm范圍的位移變化量，由于光在水中折射的影響，x方向和y方向量程均發生了不同程度縮小。其中，x方向縮小了20%，y方向縮小了近40%。激光光源距離對監測精度的影響不大，數顯系統的讀數變化與激光發射器實際移動距離基本保持線性關系。

（3）經水池聯合調試試驗可以分析得到，監測設備的安裝效果對結果影響很大。激光發射器的安裝微小角度偏差，激光光束將不再水平，會隨著距離的增加，發射偏離的距離也越大，甚至水箱無法接收到激光信號。

清水、渾水、靜水、動水等復雜水下環境下激光的穿透能力以及對攝影位移測量精度影響還有待進一步研究。