三维成像声纳在水下工程中的应用研究
三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望
2021年 第1期海洋开发与管理49三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望郎诚1,茅克勤1,向芸芸2(1.浙江省海洋科学院 杭州 310000;2.自然资源部第二海洋研究所 杭州 310012)收稿日期:2020-07-20;修订日期:2020-08-18基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目 土地资源约束下海岛系统的适应性管理研究 (41506140);自然资源部第二海洋研究所及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(J G 1719).作者简介:郎诚,助理工程师,硕士,研究方向为声学成像和海洋装备研发通信作者:茅克勤,高级工程师,硕士,研究方向为海洋测绘和地理信息系统摘要:为提高我国海底掩埋目标的探查技术,以适应不断发展的探测需求,文章综述了现有三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状,并对关键技术的发展方向进行了展望㊂结果表明:尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势,但是由于技术难度大㊁复杂程度高,可提供成熟商用设备的单位仅有两家,中科探海研发的三维合成孔径声呐系统多项核心技术指标领先㊂运动误差估计和补偿技术,掩埋目标特征提取和识别分类算法,多通道大规模数据并行处理算法等关键技术将成为三维合成孔径声呐系统未来的发展方向㊂关键词:掩埋目标;合成孔径声呐;三维S A S ;海底探测装备;声学成像中图分类号:T H 766;T B 565.2 文献标志码:A 文章编号:1005-9857(2021)01-0049-04T h eA p p l i c a t i o n s a n dP r o s p e c t o f 3DS y n t h e t i cA pe r t u r e S o n a r S y s t e mi nB u r i e dT a r ge t sD e t e c t i o n L A N GC h e n g 1,MA O K e q i n 1,X I A N G Y u n yu n 2(1.Z h e j i a n g A c a d e m y o fM a r i n eS c i e n c e ,H a n gz h o u310000,C h i n a ;2.S e c o n d I n s t i t u t e o fO c e a n o g r a p h y ,MN R ,H a n gz h o u310012,C h i n a )A b s t r a c t :F o r t h e p u r p o s eo f i m p r o v i n g t h ed o m e s t i c t e c h n o l o g y o nb u r i e dt a r g e t sd e t e c t i o n ,a n d m a t c h i n g i n c r e a s i n g d e m a n d so f s u b m a r i n ed e t e c t i o n ,t h i s p a p e r r e v i e w e dt h ea p pl i c a t i o n so f 3D s y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r s y s t e mo nb u r i e d t a r g e t s d e t e c t i o n ,a n d p r o s p e c t e d t h e f u t u r e d i r e c t i o n o f t h e c o r e t e c h n o l o g i e s .I tw a s f o u n d t h a t :t h e r e a r eo n l y t w oc o r p o r a t i o n s p r o v i d i n g d e v e l o p e d3D S A Sd u et ot h eh i g hc o m p l e x i t y a n dd i f f i c u l t y i nd e s i g n i n g a n di m p l e m e n t a t i o n ,d e s p i t eo f i t s g r e a t a d v a n t a g e s i n b u r i e d t a r g e t s d e t e c t i o n ;m a n y p a r a m e t e r s o f t h e 3DS A S p r o d u c e d b y T-S E A M a r i n eT e c h n o l o g y C o .,L t d .a r e a h e a do f t h e c o m p e t i t o r ;m o t i o n e r r o r e s t i m a t i o n a n d c o m p e n s a -t i o n ,b u r i e d t a r g e t s f e a t u r e e x t r a c t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h m ,a n dm u l t i -c h a n n e l p a r a l l e l p r o -c e s s i n g a l g o r i t h mf o r l a r g e -s c a l e d a t aw o u l db e t h e f u t u r e d i r e c t i o no f 3DS A S .K e yw o r d s :B u r i e d t a r g e t s ,S y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r ,3DS A S ,S u b m a r i n e d e t e c t i o n ,A c o u s t i c a l i m a -g i n g50海洋开发与管理2021年0引言随着海洋科技和海洋经济的深入发展,对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域,对探查装备的能力需求越来越高,要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海,从水中悬浮㊁沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体㊂与此同时,随着海洋经济的快速发展,海底通信光缆㊁海底供电电缆㊁海岛之间的输水和输气等水下管道等铺设量也越来越大,而且这些基础工程都是关乎国计民生的重大事项㊂现在海底管道和线缆均采用掩埋的方式铺设,所以在后期的管缆路由探查和维护工作中,被掩埋的管缆目标的精确探测需求越来越迫切㊂目前,可用于掩埋目标探查的技术主要包括浅地层剖面仪㊁二维合成孔径声呐和三维合成孔径声呐等[1-2]㊂浅地层剖面仪目前在传统的作业方式中应用最为广泛[3-7],但其主要问题在于开角非常窄,只能横穿掩埋目标作业㊂另外浅地层剖面仪对小的掩埋目标(比如直径20c m以内的管缆㊁光缆㊁普通的掩埋目标等)均无法探测㊂合成孔径声呐的概念最早由美国的R a y t h o n 公司在20世纪60年代提出[8],其基本思想是对小孔径基阵沿直线运动过程中记录的接收信号进行孔径合成处理,从而达到虚拟大孔径基阵的方位分辨力效果,在高分辨海底成像领域有着潜在的应用前景㊂1合成孔径声呐1.1二维合成孔径声呐早期二维合成孔径声呐的研究主要集中于侧扫式合成孔径声呐,只能形成目标的二维图像,无法给出深度信息[9]㊂而在海底掩埋目标的位置探测时,掩埋目标埋深这一判断管缆目标安全状态的关键信息至关重要[10]㊂因此,二维合成孔径声呐在实际应用中无法完全满足工程需求㊂三维合成孔径声呐技术在此背景下应运而生㊂1.2三维合成孔径声呐三维合成孔径声呐技术最早由G r i f f i t h[11]通过干涉法在水池中试验成功,并逐步获得研究学者的关注[12-14]㊂但是干涉式合成孔径声呐的三维图像是通过多幅二维图像重建获得,并非目标的真实三维成像,因此无法完成对目标的高精度测深[15]㊂21世纪初,为克服干涉式合成孔径声呐的这一缺点,日本学者A s a d a等[16]基于多波束测深声呐技术,提出了多波束合成孔径声呐,并在试验中获得了良好效果㊂国内,哈尔滨工程大学和中国科学院也对三维合成孔径声呐技术开展了早期研究[17-18],并奠定了一定的理论基础㊂由于在三维成像上所具有的显著优势,多波束合成孔径声呐使得海底掩埋目标探查技术装备的研究与开发重点聚焦于多波束合成孔径声呐㊂2三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状由于多波束合成孔径声呐在三维成像上的显著优势,应用于掩埋目标探查的设备多基于多波束原理设计开发㊂目前成熟商用的三维合成孔径声呐仅有加拿大的P a n g e o公司的S B I(S u bB o t t o m I m a g e r)型三维合成孔径声呐和我国中科探海海洋科技有限责任公司(以下简称中科探海)设计生产的下视三维合成孔径声呐㊂2.1S B I型三维合成孔径声呐加拿大P a n g e o公司生产的S B I型三维合成孔径声呐,研发始于2008年,2010年完成了对海底掩埋的高压直流输电(HV D C)电缆的验证,主要技术参数如表1所示,2011年正式进入商用领域,完成了大量的实际应用㊂表1加拿大P a n g e o公司S B I系统主要技术参数[19]参数名称参数数值阵元数目40个最大埋深7m航数<2k n探测距底高度数距海床垂直高度3.5mʃ0.5m作业深度3~1000m尺寸1.8mˑ1.85m(可展开至3.4mˑ1.85m) S B I型三维合成孔径系统采用5ˑ8的水听器阵列,可4~14k H z多个频段扫描探测,可安装于水下机器人上作业㊂该系统在线性探测时,探测宽度可以到5m,并在长度方向上连续探测数千米㊂第1期郎诚,等:三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望51 而在进行区域探测时,可以在探测结束后对探测结果进行组合,形成整个区域的完整探测成像㊂2.2 中科探海三维合成孔径声呐2.2.1 产品概述中科探海在2016年开始了下视三维合成孔径声呐的研制工作,并于2018年推出可商用的产品㊂与加拿大产品相比,该公司研制的三维合成孔径声呐系统,突出优点是同时集成了下视三维合成孔径声呐㊁下视多波束声呐㊁侧视声呐等三部声呐分机,采用模块设计,可根据不同要求灵活组合,满足不同任务场景以及安装需求㊂其中下视三维合成孔径声呐可获得水体㊁海底㊁海底以下掩埋层等全海深的三维声呐数据,下视多波束声呐可获得海底高精度地形数据,侧视声呐可获得海底高精度的地貌数据㊂利用不同声呐的成像特性,可获得目标的多维度特征信息,可提供水下悬浮㊁沉底和掩埋目标的高清影像㊁目标位置㊁目标埋设深度以及水下高精度三维地层等多种信息,对目标的辨别㊁埋深的精确测定㊁路由走向㊁海底环境信息等均可获得高质量成果,极大地促进海底电缆和管线的成像和信息提取㊂该系统可满足用户水下环境探查㊁水下目标搜索㊁航道整治复勘㊁护堤结构复勘㊁桥墩监测㊁救捞㊁应急㊁油气管线路由勘察㊁光缆电缆勘察(路由+埋深+地层等功能)㊁三维精细地层结构㊁水下其他各类成像等多种使命任务的需求㊂2.2.2 产品性能中科探海三维合成孔径声呐系统的主要技术参数如表2所示㊂通过与加拿大P a n g e o 公司产品的技术参数对比可以看出其在分辨率㊁探掩埋深度㊁工作航速等指标上具有绝对优势㊂表2 中科探海三维合成孔径声呐系统主要技术参数[20]参数名称参数数值像素精度2c mˑ2c mˑ2c m最高工作航速6k n最大工作水深300m埋深测量精度10c m 最大可探测掩埋目标埋深(泥底)直径5c m 电缆埋深5m ;沉船埋深10m ;浅地层剖面深度30m续表参数名称参数数值最大探测范围掩埋目标:正下方90度;沉底目标和悬浮目标:正下方140度(下视)/双侧各45度(侧视)下视三维阵元数量A 型432个;B 型288个;C 型96个下视多波束最大波束数物理波束192个;数字波束1400个最大量程150m质量A 型ɤ400k g ;B 型ɤ250k g ;C 型ɤ100k g尺寸A 型:1.8mˑ1.4mˑ0.2mB 型:1.5mˑ1.2mˑ0.2mC 型:1.2mˑ0.7mˑ0.2m2.2.3 产品系列中科探海三维合成孔径声呐系统目前有A ㊁B ㊁C3个系列[20-21]㊂A 系列产品为拖曳式产品㊂适用于深水水域,工作时通过调整拖缆长度的方式,来调整拖体在水中的深度,使声呐距底高度处于良好工作状态,满足较深水域水下悬浮㊁沉底和掩埋目标探测的需求㊂接收阵列采用3行6列模块配置,共432个阵元㊂B 系列产品为大型框架式安装,适用于测量船船底安装或船侧挂载㊁水面大型无人船船底安装等,其接收阵列采用3行4列模块配置,共288个阵元㊂C 系列产品为小型框架安装,体积小㊁搭载方便,适用于小型测量船船侧挂载,作业方便㊁迅捷㊂可对浅海海底掩埋目标进行高清晰三维成像㊂接收阵列采用1行4列的模块配置,共96个阵元㊂3 结语本研究主要对三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状及现有成熟设备的应用情况进行综述㊂尽管三维合成孔径声呐系统在海底掩埋探查中具有良好的成像性能,但由于该系统的开发难度大㊁复杂程度高,市面众多研究单位中,仅有两家可提供成熟的商用产品㊂目前,三维合成孔径声呐系统已能基本满足当下的作业需求,然而海52海洋开发与管理2021年洋科技㊁海洋经济的深入发展对三维合成孔径声呐系统提出了新的技术需求:(1)运动误差估计和补偿技术:与无人平台合作进行高度自动化作业是三维合成孔径声呐系统未来的发展方向,而无人平台姿态变化对其成像精度和目标定位精度影响较大,因此必须发展基于G P S㊁超短基线㊁惯导等多数据源的运动误差估计和补偿技术㊂(2)掩埋目标特征提取和识别分类技术:实现掩埋目标物目标特征提取和识别分类是一体化探测无人平台智能探测的基础㊂对水下目标的正确分类与识别建立在有效的特征提取技术上,特征提取是目标识别过程中的关键,它直接影响到目标识别的效果㊂(3)多通道㊁大规模数据并行处理算法:随着对探测深度和探测分辨率的要求越来越高,阵列也变得越发庞大,未来阵列的通道数量可达到数百路,这就对数据采集和处理提出了较高要求,尤其在处理实时成像时,对电子系统和成像算法的要求更高㊂参考文献[1]路晓磊,张丽婷,王芳,等.海底声学探测技术装备综述[J].海洋开发与管理,2018,35(6):91-94.[2]宋帅,周勇,张坤鹏,等.高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术综述[J].海洋开发与管理,2019,36(6):74-79. 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基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｉ ｔ ｏ ｎ ａ ｌ ｏｎ ｓ ａ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｏｍｅ ｓ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｗ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｙ ａ ｒ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｌ ｏ ｎ ｅ ．３ １ ａ ｒ ｅ ｅ － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｒ ｅ ａ ｌ —
戴 林军’ ，郝 晓伟 ’ ，吴 静’ ，张振 辉
杭州 ３ １ ０ ０ １ ２ ； （ １ ．浙 江省水利 科技推 广 与发 展 中心 ，浙 江
２ ．浙 江钱 江科技 发展 有 限公 司，浙江
摘
杭州 ３ １ ０ ０ １ ２ ）
要 ：水利工程水下结构安全隐患的探测至关重要 ，而传统声纳 系统 和水 下可视化工具在单 独使用时均
ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ．Ｅ ａ ｃ ｈｔ ｅ ｃ ｎｏ ｈ ｌ ｏ ｇ ｙｉ ｎ ｄ ｅ ｘｏ ｆｔ ｈ ｅ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗ ｅ ｄｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄｍｅ ｅ ｔ ｈｅ ｔ ｄ ｅ ｍａ ｎ ｄｆ ｏ ｒ ｄ ｅ ｔ ｃｔ ｅ ｉ ｎ ｇｔ ｈｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｎ ｌ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ
水声成像技术在水下工程监测中的应用
水声成像技术在水下工程监测中的应用在当今的科技时代，水下工程的发展日益重要，而水声成像技术作为一种关键的监测手段，正发挥着不可或缺的作用。
无论是海洋资源的开发、水利工程的建设，还是水下基础设施的维护，都离不开对水下环境和工程结构的准确了解，而水声成像技术为我们提供了一双“透视”水下世界的眼睛。
水声成像技术的原理基于声波在水中的传播和反射特性。
我们知道，声音在水中能够传播很远的距离，而且其传播速度相对稳定。
当声波遇到物体时，会发生反射，通过接收和分析这些反射波，我们就可以构建出物体的形状、位置和结构等信息。
这就好比我们在黑暗中用手电筒照射物体，通过观察物体反射的光线来了解它的样子。
在水下工程监测中，水声成像技术具有多种应用形式。
侧扫声呐就是其中一种常见的工具。
它就像一台水下的“扫描仪”，通过向两侧发射声波并接收反射波，可以生成大面积的海底地貌图像。
这对于寻找海底沉船、探测海底电缆的铺设路径以及评估海洋地质结构等工作非常有帮助。
例如，在建设海底隧道时，工程师们可以利用侧扫声呐来了解隧道沿线的海底地形，提前发现潜在的地质隐患，为工程设计和施工提供重要的参考依据。
多波束测深系统则是另一种重要的水声成像技术。
它能够同时测量多个波束的水深数据，从而快速、高精度地绘制出海底的三维地形图。
这对于港口建设、航道疏浚以及海上石油平台的基础设计等工程至关重要。
想象一下，如果我们要在一片未知的海域建设一个大型港口，首先需要清楚地了解海底的起伏情况，确定最佳的码头位置和航道深度。
多波束测深系统就能为我们提供这样精确的海底地形信息，帮助工程师们做出科学合理的规划。
此外，合成孔径声呐技术的出现，进一步提高了水声成像的分辨率和精度。
它利用小孔径基阵的移动来合成大孔径，从而实现对目标的高分辨率成像。
这使得我们能够更清晰地观察到水下微小的物体和结构细节，对于检测水下管道的裂缝、海底光缆的损伤等细微问题具有极大的优势。
比如，在长期运行的海底输油管道中，可能会因为腐蚀或外力作用而出现微小的裂缝。
基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统
基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统摘要：针对目前水下三维声纳实时成像系统前端信号通道多、波束形成计算量大的问题，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的水下三维场景实时成像系统。
采用FPGA 阵列控制多路信号同步采样，优化波束形成算法对海量数据进行并行处理，同时利用嵌入式处理器PowerPC 控制系统，最终由主控PC 完成三维图像实时显示。
实验结果表明，该系统能够在水下200 m 的范围内实现分辨率为2 cm 的三维成像，三维图像刷新率可达20 帧/秒。
1 概述近年来，随着人们对海洋资源的不断需求与开发，水下探测技术得到了飞速发展。
人们对海洋的主要探测手段是声波，即声纳技术。
因此，利用声纳进行水下探测成为了当今海洋研究的重点课题。
然而，大部分声纳系统都是通过声波来判断有无声纳目标，以及目标的方位和距离。
目前，国内外在海底三维声纳成像技术方面已经取得了一定的成果[1]。
例如：美国RESoN 公司开发的新一代数字声纳SeaBat8125，欧洲共同体和挪威共同开发的Echoscope系列三维声纳，美国的海洋工业公司开发的双频识别声纳以及美国的Farsounder 公司开发的三维前视声纳[2-3]。
我国三维成像声纳也得到一定的发展，中科院声学所、715 所和哈尔滨工程大学等单位等都研制了三维声纳成像系统的试验样机并发表了相关论文[4]。
但这些声纳成像技术大多基于二维映射三维图像，或者小范围的慢速三维成像，成像效果不佳，实时性太差[5]。
本文提出基于三维声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统，设计并实现4848 路信号的同步采样，128128 个空间波束形成的大规模数据处理和实时水下三维场景成像。
2 系统总体设计2.1 系统技术特点目前，实时高分辨率的三维声纳系统面临2 个问题[6]：(1)大量前端信号通道的硬件成本昂贵；(2)进行波束形成算法所需的乘累加计算量大。
首先，该系统采用了优化后的模拟退火算法[7]，对二维平面上的每一个换能器分配权重系数，在最大旁瓣可以接受的条件下，部分换能器的权重系数可以分配为0，即达到对换能器稀疏化，减小系统运算量的效果[8]。
三维成像声呐在水下沉船扫测中的应用
三维成像声呐在水下沉船扫测中的应用摘要：本文介绍了三维成像声呐的系统组成和工作原理，并将其应用于水下沉船扫测中。
实际应用结果表明，三维点云数据能够很好的获取水下沉船的沉坐状态，精细的展示沉船的各个细节，数据完整、准确，具有其独特的优越性。
关键词：三维成像声呐；水下沉船；点云数据1 引言船舶失事沉没后，从事打捞工作的技术人员需要掌握沉船的沉坐状态信息，以便采用相应的方法进行打捞工作。
传统的二维成像声呐和多波束系统在直观性和精细度方面不能满足船体沉坐状态探测的要求，而三维成像声呐系统能够获取目标更精细的三维点云数据，从而可以提供沉船更多细节状态的描述。
本文阐述了三维成像声呐系统的基本组成和原理，并结合工程应用实例，从数据采集、点云数据去噪、配准和拼接建模等数据处理过程进行了分析。
2 三维成像声呐基本原理三维成像声呐BlueView 5000可生成水下地形、结构和目标的高分辨率图像。
声呐采用紧凑型低重量设计，便于在三脚架或ROV上进行安装，只需触动按钮，三维扫描声呐就会生成水下景象的三维点云。
扫描声呐头和集成的云台可以生成扇区扫描和球面扫描数据。
可以在低照度或者零可见度的水下环境下，获得陆地三维激光扫描一样的图像。
2.1系统组成三维成像声呐系统（BV5000）包括硬件和软件两部分。
其中硬件部分主要包括声呐、云台、甲板单元及数据传输电缆等；软件部分包括Proscan、BlueViewer和第三方软件Cyclone及若干驱动程序。
声呐和云台通过专用线缆连接到接线盒，接线盒又通过以太网电缆和USB传输线与计算机连接，实现计算机与声呐和云台之间的通信，系统示意图见图1。
声呐发射并接收声呐信号，云台控制声呐的旋转和俯仰角度，Proscan是实时控制软件，可控制云台转动及声呐的相关参数，BlueViewer软件可进行点云数据査看和基本量测，第三方软件Cyclone可进行点云数据编辑处理。
2.2 工作原理三维成像声呐系统（BV5000）进行水下扫测的基本原理为声学测距。
利用声呐技术的涉水桥梁安全检测应用
2021.01科学技术创新利用声呐技术的涉水桥梁安全检测应用纪立军(中船七二六所上海瑞洋船舶科技有限公司，上海201108)1概述涉水桥梁质量事关桥梁交通安全，安全检测十分重要。
对于涉水桥梁，由于水域环境的复杂性和水下病害的隐蔽性，需要关注的安全问题与桥梁水上部分有很大不同。
涉水桥梁的安全质量问题主要包括桥墩受水流冲刷问题、桥墩水下裂缝、麻面、淤积等。
为了监测和预警此类问题，需要采用不同的技术手段对涉水桥梁问题进行检测。
综合来看，目前潜水探摸的方法有一定的缺陷，因此在消除桥梁工程中水下基础的质量隐患方面带来许多困难和不便，难以满足高水平水下探测任务需求。
而扫描声呐和多波束声呐可以同时发送和接收多个波束，与单波束回声测深仪相比，它能把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合进行涉水桥梁的快速安全检测。
为此，本文以扫描声呐（MS1000）和多波束声呐（EM 2040）为例，主要阐述两款声呐系统的原理，并通过工程实例应用说明其推广价值和适用性，是涉水桥梁安全检测的重要方法。
2两款声呐的工作原理介绍2.1MS1000扫描声呐工作原理MS1000扫描声呐是一种主动声呐，其系统主要由换能器、甲板声呐图像处理器、采集工作站和水下电缆等部分组成。
工作时声呐换能器可以旋转360°，获得较清晰的水下声呐影像，多个影像可以镶嵌拼合，形成较大范围影响。
该设备采用连续发射调频波测距法来测距，当发射信号遇到检测对象立面时，产生回波；利用发射频率、回波频率、声速、调频周期等，即可确定检测对象立面各点与声呐的距离，从而生成检测对象立面声呐扫描图像。
2.2EM2040多波束工作原理EM2040由4部分组成：甲板处理单元、发射换能器、接收换能器和工作站。
还可配备姿态传感器、定位系统、声速剖面仪。
当配置一个接收换能器时，声呐扫宽可达水深的5.5倍，并能与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。
多波束和三维声呐技术在码头工程中的应用实例
多波束和三维声呐技术在码头工程中的应用实例码头工程是指建设和维护港口和码头设施的工程，主要包括码头、堤坝、引导船舶进出港口的水道等。
在码头工程中，准确地获取水下地形和障碍物的信息对于港口的规划、设计和维护都非常重要。
多波束和三维声呐技术就是一种应用于码头工程中的水下测量技术，可以提供高精度的水下地形图和物体探测信息。
多波束技术是一种将船舶底部或潜水器上的多个声源和接收器组合使用的水下测量技术。
它可以同时获取多个方向的声纳数据，并通过数据处理得到高分辨率的水下地形图和物体探测信息。
在码头工程中，多波束技术可以应用于以下几个方面：1. 港口建设前的勘测：在港口建设前，需要对港口区域进行水下地形的详细勘测。
多波束技术可以提供高精度的水下地形数据，帮助规划和设计人员了解港口区域的地貌特征和水深变化情况。
2. 港口维护和疏浚：港口在使用一段时间后会因为泥沙淤积和地形变化而需要进行疏浚维护。
多波束技术可以提供详细的地形图和水深数据，帮助维护人员了解港口各个部位的泥沙淤积情况，并进行有针对性的疏浚工作。
3. 港口的航道标志和引导设施：为了安全引导船只进出港口，港口需要设置航道标志和引导设施。
多波束技术可以帮助港口规划师和设计师确定最佳的航道位置和引导设施的布置，以确保船只的安全通航。
三维声呐技术是一种可以获取水下物体三维位置信息的水下测量技术。
通过将多个声呐器件放置在不同位置并同时工作，可以实现对水下物体的高精度定位和建模。
1. 港口堤坝的监测：港口的堤坝是保护港口的重要设施，需要定期对其进行监测，以确保其安全性。
三维声呐技术可以提供堤坝的三维模型和变形监测信息，帮助工程师了解堤坝结构的变化情况，并做出相应的维护和修复措施。
2. 水下障碍物的探测：在港口建设和维护过程中，水下障碍物的探测是非常重要的。
三维声呐技术可以提供水下障碍物的三维位置和形状信息，帮助工程师制定合理的工程方案，防止因为障碍物的存在而导致不必要的风险和损失。
三维声呐成像系统在防波堤水下安装块石中的运用
收稿日期: ２０１８￣０５￣０９ 作者简介: 胡金龙 (１９９１— ) ꎬ 男ꎬ 助理工程师ꎬ 从事水下地形勘测技术工作ꎮ
������２１４������
水运工程
２０１９ 年
图 １ 主防波堤断面布置 (单位: ｍ)
Ｌｅｅ 防波堤为抛石堤ꎬ 从现有海岸向外侧延伸至 Ｑ２８ 码头ꎬ 并与 Ｑ２８ 码头衍接ꎬ 总长度约 １ ４８０ ｍꎬ 水深范围为 ０ ~ １７ ｍꎻ 堤身基础采用局部换填和碎 石桩处理两种形式ꎮ 护面石为 １ ~ ３ ｔ 和 ３ ~ ６ ｔ 两种 规格ꎬ 护面块体为 ７ ｍ３ 和 １６������ ７ ｍ３ 两种规格的立 方体结构ꎮ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ３Ｄ ｓｏｎａｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｕｂｅ
目前ꎬ 水工建筑物或水下结构物的探测及安装 的主要手段有水下目视检测、 水下照相录像、 潜水 辅助安装等方法 １￣２ ꎬ 在防波堤水下块石安装中最主 要的方法 仍 是 潜 水 员 辅 助 履 带 吊 或 挖 掘 机 进 行 作 业ꎮ 该方法虽然操作简单、 应用面广ꎬ 但是在水体 浑浊、 波浪大等不利条件影响下ꎬ 安装效率往往难 以满足工程进度需要ꎬ 且潜水作业存在一定的安全 风险ꎮ 水下三维声呐成像技术是通过发射和接收声 波进行测距定位的成像技术ꎮ 此项技术在水下细部 结构探测中已经得到良好的应用证明ꎬ 能够实时、
摘要: 防波堤工程水下块石安装的效率及安全是工程中至关重要的部分ꎬ 而传统的安装方法和检测手段存在严重不足ꎮ
三维实时声呐成像系统有效克服了传统方法的弊端ꎬ 具有实时、 高效、 清晰、 保证人员安全的优势ꎮ 并且能够在水下能见
度极低、 海况条件差等复杂条件下正常工作ꎮ 以以色列阿什杜德港防波堤工程为例ꎬ 总结利用水下三维声呐成像系统安装
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三维成像声纳在水下工程中的应用研究
所谓的三维成像声纳技术，就是利用声纳设备发射声波，这些声波触及到目标物以后会反射回来，系统可以根据回波对目标物进行定位和成像，这种方式与常规的旁扫有所不同，它能够直接获取水下结构的三维图像，不仅及时，而且准确，将这种技术应用于水下工程中，可以顺利完成水下探测工作。
文章简述了三维成像声纳系统的构成及功能，并分析了其在水下工程中的具体应用。
标签：三维成像声纳；水下工程；应用
前言
影响海洋工程质量安全的因素有很多，一般将这些因素分为两种，一种是水上结构部分，使用一些常规技术即可排除水上部分的安全隐患，包括触摸、观察、NDT检测等，另一种是水下结构部分，受到环境的限制，使用常规技术无法排除水下部分的安全隐患，这部分隐患不仅难发现、难处理，而且随着日积月累，微小缺陷可能会逐步扩大，最终导致极大的破坏，三维成像声纳技术就能够有效解决这一问题，高效检测海洋工程水下复杂结构部分的安全隐患，保证海洋工程水下施工的安全、稳定运行。
1 三维成像声纳系统概述
1.1 系统的构成与具体功能
三维成像声纳系统由三部分构成，其一是声纳头，其二是电脑终端，其三是电源和设备安装支架，其中声纳头有两个阵，一个是声纳阵，声波信号沿着锥形方向发射出去，另一个是接收阵，该阵由若干个水听器传感器组成，接收返回来的声波，最终目标物的三维图像会在电脑终端显示出来，测距的范围一般在1米至150米，图像更新的速度可以达到每秒20次。
声纳头的布局有两种形式，一种是靠岸加固，另一种是随船移动，具体布局形式根据周围环境以及检测对象的特征确定。
而在一般的海洋工程中，经常使用的是二维声纳Seaking DFS，声纳头的布局有所不同，一般都是固定安装在ROV（水下机器人）上，通过对水下机器人的操控实现对声纳头位置的控制，随着海洋工程的进一步发展，人们对声呐技术提出更高要求，将三维声纳应用于海洋工程中，通过声波信号的发射与收集，形成具有较高分辨率的图像，不仅能做到实时成像，图像还可以被缩放、旋转和移动，为水下施工过程提供准确、完整的信息[1]。
实际操作过程中，技术人员可以通过调节软件参数来获取每组图像对应的坐标和距离等具体信息，为了做到实时观察，获得更好的探测效果，可以根据实际情况合理调节声纳头的角度，可以调节发射角，也可以调节接收角，这样就打破传统探测系统的探测局限性。
但是要注意的是，三维成像声纳系统在工作时要保证设备静止，该系统在独立工作时不能做到行进过程中的连续探测，因此即使设备随船移动，也要将其固定在船舷上，并且不在行船时探测，如果风浪较大，船
体不稳定，探测质量就会受到影响，为了解决这一问题，最好在系统中加入另外两个系统，一个是GPS定位系统，另一个是姿态稳定系统，对目标进行准确定位，实现连续探测，有效提升系统在使用过程中的稳定性。
因此，将GPS定位系统以及姿态稳定系统安装在ROV上，就能够解决探测稳定性、连续性差的问题，实现ROV三维声纳深水探测。
1.2 二维成像声纳与三维成像声纳的对比
二维声纳技术主要用于水下目标的探测、定位以及识别，该技术的基础也是声波学，但是最终获得的是目标物在距离和方向上的二维图像，与二维声纳技术相比，三维成像声纳具有以下特征：首先，该系统能够实现水下实时探测，并将复杂的3D结构完整、准确的呈现在电脑终端上，图像比二维结构更加立体、清晰；其次，系统将水下探测、跟踪以及成像三项工作融为一体，只要没有超出探测范围，就能够实时获取三维图像；最后，该系统利用声波原理，因此不会受到水质的影响，即使水下能见度为零，系统也可以正常工作，且成像质量完全不会受到影响[2]。
2 三维成像声纳在水下工程中的具体应用
2.1 三维成像声纳的常规应用范围
目前，三维成像声纳技术在水下工程中的应用非常广泛：第一，可以利用该技术进行水下结构安全检测，排除安全隐患；第二，可以检查水下的堤防护坡，根据图像判断防护坡是否被破坏；第三，检查河道底部积淤状况，为后续清淤工作做好准备；第四，可以为沉船事故的搜救工作提供支持；第五，可以利用该技术开展水下考古工作。
总而言之，系统可以完成所有水下探测工作，使人们准确掌握水下工程现状，做到工程结构数据的实时读取，同时，系统可以利用绘图软件绘制出工程结构的断面图，这样水下施工作业的准确性就大大提高了，总而言之，该系统可以应用于各类水下工程探测中，有效保证水下工程建设和运行的稳定性[3]。
2.2 三维成像声纳在海洋工程中的应用拓展
随着三维声纳、ROV水下机器人、工程船DP系统的飞速发展，在海洋工程领域，三维成像声纳的应用越来越广，为安装施工带来了更大的便利。
具体可归纳为以下几方面。
2.2.1 海洋工程结构安装施工中的应用
在进行海洋工程水下结构吊装作业时，由于水下环境的能见度不高，通过ROV水下机器人摄像头监控往往效果不佳，不能实时掌握吊放状态。
如采用三维声纳成像技术对作业过程进行观察，作业位置及机械装备会反射系统发射出的波束信号，并将声音信号转化为电信号，这些电信号传输到声纳控制单元以后，操作软件就会将信息转换成图像，显示吊放作业全景过程，把握结构物吊放姿态，
并通过计算机的模拟功能，与理论数据进行对比，指挥人员可以以此为依据对作业过程进行指挥，提高安装施工的效率和精度。
2.2.2 海洋工程海底线缆路由探查中的应用
在安装水下工程中的附属管线时，要对安装环境进行检查，利用三维成像声纳技术检查水下环境，可以清晰的看到海底地形以及各个岸坡的分布情况，明确该地区的海底环境是否适合铺装海底线缆，并可依据三维数据提前进行挖沟及悬跨处理的方案设计，缩短设计周期。
安装结束以后，仍可使用该技术对安装结果进行检查，确保安装位置正确，安装结构没有出现错误，如果三维图像与设计不符，说明安装存在问题，要找出问题所在并及时调整，问题解决以后重新探测，直到合格为止[4]。
2.2.3 海洋工程结构质量检查中的应用
为了保证海洋工程的质量，一般要定期对海洋工程中重要结构进行检查，主要包括导管架、海底管道、电缆、管汇、基盘等。
例如导管架，每隔一段时间就要进行整体结构外观检查，对于简单结构，往往是通过ROV水下机器人的摄像头进行查看即可。
对于较复杂的导管架结构，ROV为防止脐带电缆缠绕，不能进入内部检查，都是通过潜水员进行人工检查，不仅效率低而且成本高。
使用由ROV搭载的三维成像声纳，对导管架进行外围探测，根据探测结果获得原始扫描数据，并根据实际需要对这些数据做出处理，得出相关信息，包括长度、宽度以及深度等，将这些信息与原始设计资料对比，判断这些结构的质量是否满足要求。
3 结束语
三维成像声纳技术应用了声学的基本原理，利用声波的发射和收回获取目标物的三维图像，同时能够实时读取坐标等关键数据，不会受到水质以及风浪等外界因素的影响，因此被广泛应用于水下工程中。
文章简单介绍了三维成像声纳系统的构成、功能、优势以及应用范围，并分析了其在海洋工程安装及质量检查的具体应用。
参考文献
[1]李斌，金利军，洪佳，等.三维成像声纳技术在水下结构探测中的应用[J].水资源与水工程学报，2015，8（11）：184-188+192.
[2]戴林军，郝晓伟，吴静，等.基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法[J].浙江水利科技，2013，12（15）：62-65.
[3]时振伟，刘翔，张建峰，等.三维成像声纳BV5000在水下测绘领域中的应用[J].气象水文海洋仪器，2013，10（14）：48-52.
[4]戴林军，姜宇强，朱振华.三维成像声纳技术及其在水利工程中的应用[J].浙江水利科技，2013，11（13）：54-56.。