第３期总第１８７期
浙江水利科技
Ｎｏ．３
ＴｏｔａｌＮｏ．１８７
２０１３年５月
ＺｈｅｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｔｅｃｈｎｉｅｓ
Ｍａｙ２０１３
基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
戴林军１。郝晓伟１，吴静１，张振辉２
（１．浙江省水利科技推广与发展中心，浙江杭州３１００１２；２．浙江钱江科技发展有限公司，浙江杭州
３１００１２）
摘要：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
存在不足。三维实时声学成像声纳系统有效克服了传统方法的弊端，具有实时、清晰、三维成像等特点，且能在零能见度（浑水）水域等多类复杂水质环境中工作。根据三维声纳设备的现场验收和初步应用情况可知，该系统整体性能稳定，各项关键技术指标均满足水利工程水下结构探测要求，具有较强的适用性，为快速、有效、科学地探测堤防、海塘等水利工程水下结构安全隐患提供了重要的技术手段。
关键词：三维声纳；水下结构；隐患探测中图分类号：ＴＶ６９８
文献标识码：Ａ
文章编号：１００８．７０ＩＸ（２０１３）０３．００６２．０４
３Ｄ
ｈ翰罾ｎｇＳｏｎａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｅｗＤｅｔｅｃｔｉｎｇ
ｆｏｒ
ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＢａｓｅｄｏｎ
３Ｄ
ｈｌ啦ｓｏｎａｒ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＡＩ
ｌｉｎ－ｊｕｎＩ，ＨＡＯＸｉａｏ－ｗｅｉｌ，ｗｕｊｉｌｌ９１，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎ－ｈｕＰ
（１．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｍｏｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒｏｆＷａｔｅｒ
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｎｍＣｆｌｏｎ
３１００１２，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃ＿ｌｌｉｎａ；
２．ＺｈｅｊｉａｎｇＱｉａｎｊｉａｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉ，ａａｎｇｚｈｏｕ
３１００１２，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
／忱ｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄｓｏｎａｒ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈｉｄｄｅｎｔｒｏｕｂｌｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇ
目前，国内大多数采用传统声纳、水下机器人等探测图像，为快速、有效、科学地探测堤防、海塘等水利工程仪器对水下结构物进行扫描探测。由于各类探测手段均存水下结构的安全隐患提供了一种全新的技术手段。
在一定的弊端，如传统声纳设备的图像生成易受介质干扰、水下机器人无法在浑水区域工作等，使得水下探测成果不１现代声纳技术的发展
能很好地满足工程需要，给水利工程水下结构安全隐患的现代声纳技术已有近１００ａ的发展历史，广泛应用于军排除增加了诸多困难与不便。浙江省水利科技推广与发展事、海洋、水利等多种水下探测领域。按工作方式的不同，中心通过水利部“９４８”项目，从英国引进三维实时声学成声纳大致可分为２类：主动声纳（或回声定位声纳）和被像（Ｒｅａｌ．ｔｉｍｅ
３ＤＡｃｏｕｓｔｉｃ
Ｉｍａｇｉｎｇ）声纳系统Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ（下
动声纳（噪声测向声纳或噪声测距声纳）。目前，国内外水文简称ＥＳ），能够实时、高效、清晰地生成水下结构的三维
下探测仪器基本采用主动声纳系统。
主动声纳原理是由自身发射声波，通过接受目标的回
收稿日期：２０１３－０３．２１
波来测定其方位、距离和径向速度等参数，主要分为侧扫基金项目：水利部“９４８”项目防洪防汛堤坝安全监测系统声纳、合成孔径声纳、多波束探测系统和水下地形剖面仪（２０１１１３）。
作者简介：戴林军（１９８６一），男，助理工程师，硕士研究生，等［１’。
主要从事水工结构研究。Ｅ一Ⅱｌａｉｌ：ｄａｆｌｊ８６＠１６３．ｃｏｒｎ
１．１侧扫声纳（Ｓｉｄｅ—ｓｃａｎｓｏｎａｒ）
侧扫声纳由水中拖鱼、线缆和船上处理器３部分组成。
万方数据
・６２・
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
其基本原理是由拖鱼产生２束与船行进方向垂直的扇形波束，声波碰到目标物体反射回来，反射信号经接收系统转换放大，最终以图像的形式记录、显示反射信号。２０世纪６０年代初，最初是由英国海洋研究所推出的实用型侧扫声纳，随后各类侧扫声纳系统相继被研发，如ＧＬＯＲＩＡ、Ｑ—ＭＩＰＳ／ＤＳＰ声纳系统等¨。２ｊ。
子系统组成：声纳头、电脑终端（ＰＣ）和电源。声纳头包含发射和接收阵，同时控制波束形成的电路；电源为声纳头提供所需电力；声纳头通过以太网链路与ＰＣ机接１：３，由上行链路将实时数据传输至ＰＣ，并接受下行链路的命令。ＥＳ系统示意图及声纳头见图１、２。
１．２合成孔径声纳（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ
ＳＡＳ）
ＡｐｅｒｔｕｒｅＳｏｎａｒ，
合成孔径声纳技术是利用一些实体小阵列的移动而合成一个大得多的阵列，可使分辨率和信噪比得到显著改善，用以提高水下声纳的成像效果。ＳＡＳ很大程度上依据２０世纪五六十年代合成孔径雷达早期的研究理论和实践而研发。目前，美、欧等国均已相继掌握该项技术，并成功应用于海洋测绘、地质找矿、地形测绘、水资源探测等多种领域。
声纳头
图１
ＥＳ系统示意图
１．３多波束探测系统（Ｍｕｔｉｂｅａｍ
Ｓｏｎａｒ
Ｓｙｓｔｅｍ）
多波束探测系统是利用同时发射和同时接收多个波束对水底进行条带式全覆盖测量，主要由多波束主系统、辅助系统和后处理系统３部分组成。与传统单波束测深系统相比，多波束探测具有全覆盖、工作效率高、数据采集点密集、兼有测深和侧扫功能等优点。国际上于２０世纪６０年代开始研究该项技术，目前的主要研究内容是由它的记录进行底介质分类研究，并且不断提高成图软件性能【１．３Ｊ。
１．４水下地形剖面仪
目前水下地形剖面仪主要以浅地层剖面仪为主，是利用声纳技术和数字信号处理等技术合成的探测水下地形的综合仪器。国际上，美国ＥｄｓｅＴｅｃｈ公司设计的“Ｘ—ＳＴＡＲ全谱扫频式数字水底剖面仪”是世界上最先进的水下剖面探测仪器，其最大特点是可以穿透浑水和淤泥层。
以上４类声纳系统单独使用时各有利弊，无法同时满足各类工程需求。综合利用上述几类工具进行工程测量，可实现对单一手段探测数据的相互印证和补充，大大提高了工程测量质量。２
与传统２Ｄ多波束成像手段相比，Ｅｓ具有如下优点：（１）能够实时观察一个完整的目标或特征，使数据的分析简单快捷，增强复杂３Ｄ结构的成像能力，诸如桩、船底或海底设施，可以实时成像，无需穿过这些物体的结构完成扫描成像；
（２）使用３Ｄ实时图像，能够在很大的水域中，远距离跟踪移动目标，或在水体内任何地方检测到接近的目标。
与其余可视化探测手段相比，Ｅｓ的优越性十分明显：
图２声纳头图
ＥＳ简介
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）最早受美国国防部
（１）声纳技术不会受到低能见度的影响；（２）Ｅｓ可提供较大的观测距离；
（３）点击鼠标即可调出任何目标物的真实地理坐标。３
委托，由英国ＣｏｄａＯｃｔｏｐｕｓ公司为美国海岸警卫队特别设计开发。该系统成功集侧扫声纳、合成孔径、多波束成像及水下定位等功能于一体，能在零能见度的水域（浑水）中大范围、远距离探测水下全景目标，是美国海岸警卫队防恐和港１３海岸监测使用的实时三维立体成像声纳系统。目前广泛用于世界各地军用、警用和民用领域，主要应用于港１３、水下施工、水底勘探、疏浚监控、水下地形勘测和水下建筑物探测等工程．在中国首次应用于三峡船闸的水下结构探测。
ＥＳ是基于ＥｃｈｏＳｃｏｐｅ１６００Ｂ成功应用技术之上的特殊三维成像声纳，采用相控阵技术，可同时处理１６０００多条波束，形成三维影像。其更新速率最多可达２０次／ｓ，每帧均可实时产生１个完整的２Ｄ图形。该系统由３个相对独立的
ＥＳ工作原理
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）首先通过声纳头，
沿锥形方向以５０。Ｘ５０。开角发射１个３７５ｋＨｚ的声纳信号，然后由安装在声纳头上的水听器接收阵接收反射回来的声学信号。接收阵为４８
Ｘ
４８水听器传感器组成的矩阵，使用
了相控阵技术，可同时形成１６３８４个声学波束（见图３）。每个小方格均可得到１个独立的回波，每个回波分别代表着探测目标物相应的地理坐标、探测距离以及信号强度等数据。对某个时间片段内收到的数据进行处理后生成１个２Ｄ图像（帧），由ＰＣ软件负责实测距离的转换，在不到１
Ｓ
的时间内可以处理大量的２Ｄ图像，若干个２Ｄ图像共同组
・
６３
・
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
成１个３Ｄ区域，从而生成３Ｄ声学图像。表１参数表
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）主要技术
名称
工作频率波束数量最大测距最小测距距离分辨率
角度分辨率刷新率发射角
物理尺寸（ｈ×ｗ×ｄ）’质量
功率消耗
标准耐压水深
数值
３７５ｋＨｚ
１２８×１２８（共１６３８４）条
１５０ｍ／５００ｆＩ
１ｍ／３
ｆｔ
３ｃｍ／１．２”
０．３９。（水平和垂直波束的开角）
１２Ｈｚ５０
ｏｘ
５０
ｏ
３８０ｍ／ｎｘ３００Ｉｎｌｎ×１１８ｉｎｍ
空气中２２ｋｇ／４８１ｂ，水下１２ｋｇ／２６１
直流２４Ｖ下工作电流３～６Ａ
６００ｍ／２０００ｆｔ
ｂ
图３声脉冲及回波图
在同一个时间空挡中会有若干个与球面反射能量相对应的２Ｄ帧，这些２Ｄ帧会被叠加并定义３Ｄ区域。应用了先进的３Ｄ数据可视化程序后，３Ｄ数据的特异优点更能显示出来。３Ｄ声学图像见图４。
探测过程中将三维声纳系统形成的三维图像、水下机器人拍摄的照片与坝坡设计结构进行多方位、多角度、多因素的对比分析，反复对声纳系统各参数进行调整，最终实现水下坝坡的三维结构成像，完成预期目标。
通过对三维实时声学成像声纳系统（ＫＳ）的实测数据进行全面分析可知，该系统各项技术参数指标均较为稳定，可满足工程结构探测要求。同时，由该系统生成的水下结构三维图像能准确展现探测目标的实际工况，利于技术人
员对其各个部位的功能进行简单、快捷、准确的判断，由
此提出的检测报告和相关结论对于水利工程的维修和保护具有重要的指导意义。
为保证三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）能够正常运行，得到准确的探测数据，需注意以下事项：
（１）声纳头输入电压范围是２４～３２ＶＤＣ，接收电源最低为２４
ＶＤＣ；
（２）声纳头在空气中通电时，一次不得超过数分钟，防止因内部过热而导致压力过大；
（３）如果重复开关ＥＳ声纳头，需至少使声纳头冷却（关闭）３０ｓ，确保声纳头能够达到完全放电状态；
图４被探测结构三维图
浙江省水利科技推广与发展中心引进的Ｅｓ系统可发射１２个／ｓ声脉冲，即三维图像的更新频率为１２次／ｓ，从而可生成高精度图像。现场作业时，通过调整ＵＩＳ软件参数，可在三维环境下实时显示每个声学图像所对应的强度、坐标和距离等数据。同时，调整声纳头的发射和接收角度，可全方位实时观察目标，获取最佳探测效果。４
ＥＳ实际应用时，根据声纳头布放方式的不同主要可分为４类：①固定式平台布放：作为一个独立的可视化工具，声纳的位置、旋转、倾斜等都是固定的。对于监视水下的静止目标，此种布放方法非常有效；②安装在ＲＯＶ上的布放：将ＥＳ声纳头安装在ＲＯＶ上，使用户能够在船载安装传感器不能达到的区域来观察和采集数据；③船载式布放：
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）整体性能较为稳定，其各项关键技术指标见表１。
目前该系统已经通过一系列严格的验收程序，并在浙江省丽水市某水库完成初次应用，达到预期效果。此次三维实时声学成像声纳系统结合水下机器人（ＲＯＶ），对该水库迎水坝坡水下部分进行了全面探测，圆满完成首次下水任务。
当在浅水、近岸使用时，一般会将声纳头安装在舰船上。该布放方式最为普遍，从绘制海底地图到检查水体中复杂结构都可应用；④吊车一挖掘机式布放：将声纳头固定在吊车吊臂或挖掘机铲斗上，通过机械运动控制测试角度，一般用于防洪堤坝石料投放等水利建设项目。
目前，Ｅｓ系统在国内水利工程中的应用主要包括：水下结构安全监测、桥墩及冲刷情况检测、河道疏浚工程等。还能应用于水下沉船搜救和考古、探测和排除水下不明物体（如炸弹、航道障碍物等）、检查和铺设海底管线、勘探
・６４・
（４）炎热环境下应避免声纳头直接暴晒，且不可将声纳头面向地面放置。５
ＥＳ适用性及应用范围
ＥＳ技术参数及应用
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
海洋油气等领域。
５．１
了浙江省水利科技的进步。通过对该系统的引进、消化和吸收，克服了传统声纳及水下探测设备的弊端，实现零能见度水域中探测的可能，为快速、有效、科学地探测堤防、
安全监测
通过三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）对港１３码头、
水库库底、大坝坝体、水闸闸室等水利工程水下结构进行系统的三维扫测，可全面监测其运行情况，极大地提高了建筑物的安全管理综合系数。通过安装在Ｐｃ上的ＵＩＳ
（ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）软件，可实时读出目标物的三
海塘等水利工程的水下结构隐患提供了重要的技术手段，对保障全省水利工程的持久健康顺利运行起到了极其重要
的作用。参考文献：
［１］褚德欣．利用声纳技术对水下抛投体及根石探测定位方法的研
究［Ｄ］．山西：太原理工大学，２００６．
维坐标、直径、距离等数据，便于和原设计方案进行全面对比分析，有效判定各竖桩的实际工作性能ＨＪ。
５．２冲刷检测
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）主要应用于桥墩、水闸、护堤等水工建筑物水下结构各个位置的冲刷情况检测，对防洪加固工作起到及时、有效的检测探明作用…５。５．３河道疏浚
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）可与ＧＰｓ定位仪联合使用，完成水下地形的测量，并借助计算机专用软件绘制、显示水下地形图和开挖断面图，极大地提高了水下开
［２］唐利娜．水下三维声成像及声纳图像处理技术研究［Ｄ］．沈
阳：哈尔滨工业大学，２００９．
［３］罗深荣．侧扫声纳和多波束测深系统在海洋调查中的综合应用
［Ｊ］．海洋测绘，２００３，２３（１）：２２—２４．
［４］Ｐａｕｌ
Ｂａｘｔｅｒ，Ｃ０ｆｍｍｉａｌ胁岫ｇｅｒ，Ｃ０ｄａｏｃｔｏｐｍ．Ａｐｐｈｃａｔｉ∞ｓ
ｏｆ３Ｄ
［５］Ｐａｕｌ］ｋＪｃｔｅｒ，ｃ０Ｈ蚰ｅｒｃｉａｌ地岫８ｅｒ，Ｃ０椭ｏｐｕｓ［ｚｄｅｔｅ．．Ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ
ｉｍｐｅｃⅡ加ｆｏｒ叫ａｎｄｈ勘ｒｕｓｉＩｌｇ
ｕｎｄｅｒｗｓｔｅｒ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ
３Ｄ
ＳＯＩ＿ｌａｒｉＩｌＭａｒｉｔｉｍｅ
Ｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｃ］．ＥｄｉｎｂＩｌｒｇｈ：ｃｏｄａｏｃｔ叩ｍ，２００６．
ＣｏｄａＥｅｈｏｓｅｏｐｅ
挖作业的效率和测量精度，及时为疏浚工程提供准确的数据，保证水下开挖机械进行科学合理地施工。
ｓ∞Ⅱ【ＣＪ．ＥｄｉｎｂＩｌｒ曲：Ｃ，ｏｄａＯｅｔｏｐｕｓ，２００５．
（责任编辑屠福河）
６结语与展望
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）技术的引进，促进
‘—卜。。。卜。—‘卜。。１卜－＋一。—卜一＋一＋一＋一—・卜一＋－＋一＋一＋一＋—＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋－＋－＋—＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋－＋一＋一＋・
（上接第５８页）
酒压管水位
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２０１１—１１—１０２０１２—０２—１０
Ｏ
２０１１－０５—１０２０１１—０８—１０
２０１１—１１—１０２０１２—０２—１０
图２拟测渗流量的下游河床段测压管水位实测过程线图
参考文献：
！生？土石坝安全监测技术规范Ｉｓ］．北京：中国水利水电出版社．１９９４．
［３］
［１］壁！、登，余学彦，沈贵华．合溪水库工程大坝渗流监测设计变
，、零专题报告［Ｒ］．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，２０１ｌ。．。‘
［２］中华人民共和国水利部，中华人民共和国电力工业部．ＳＬ
鐾甲奎，望！武，裴云波，等．合溪水库工程监测资料分析报告［Ｒ］－南京：水利部。交通运输部，国家能源局菁景泵莉藉
学研究院，２０１２．
一
（责任编辑姚小槐）
・６５
・
第３期总第１８７期
浙江水利科技
Ｎｏ．３
ＴｏｔａｌＮｏ．１８７
２０１３年５月
ＺｈｅｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｔｅｃｈｎｉｅｓ
Ｍａｙ２０１３
基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
戴林军１。郝晓伟１，吴静１，张振辉２
（１．浙江省水利科技推广与发展中心，浙江杭州３１００１２；２．浙江钱江科技发展有限公司，浙江杭州
３１００１２）
摘要：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
存在不足。三维实时声学成像声纳系统有效克服了传统方法的弊端，具有实时、清晰、三维成像等特点，且能在零能见度（浑水）水域等多类复杂水质环境中工作。根据三维声纳设备的现场验收和初步应用情况可知，该系统整体性能稳定，各项关键技术指标均满足水利工程水下结构探测要求，具有较强的适用性，为快速、有效、科学地探测堤防、海塘等水利工程水下结构安全隐患提供了重要的技术手段。
关键词：三维声纳；水下结构；隐患探测中图分类号：ＴＶ６９８
文献标识码：Ａ
文章编号：１００８．７０ＩＸ（２０１３）０３．００６２．０４
３Ｄ
ｈ翰罾ｎｇＳｏｎａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｅｗＤｅｔｅｃｔｉｎｇ
ｆｏｒ
ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＢａｓｅｄｏｎ
３Ｄ
ｈｌ啦ｓｏｎａｒ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＡＩ
ｌｉｎ－ｊｕｎＩ，ＨＡＯＸｉａｏ－ｗｅｉｌ，ｗｕｊｉｌｌ９１，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎ－ｈｕＰ
（１．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｍｏｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒｏｆＷａｔｅｒ
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｎｍＣｆｌｏｎ
３１００１２，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃ＿ｌｌｉｎａ；
２．ＺｈｅｊｉａｎｇＱｉａｎｊｉａｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉ，ａａｎｇｚｈｏｕ
３１００１２，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
／忱ｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓ
ｈｉｇｈｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ
ｐｒｏｊｅｃｔ
ｔｏ
ｄｅｔｅｃｔｔｈｅｈｉｄｄｅｎｔｒｏｕｂｌｅｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｏｎａｒ
ｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｏｍｅ
ｔｉｍｅ
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ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｌｓｅｘｉｓｔ
ｄｅｆｅｃｔｓｗｈｅｎｔｈｅｙ
ａｒｅ
ｕｓｅｄａｌｏｎｅ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅａｌ－
ｓｙｓｔｅｍ
ｇｅｔ
ｏｖｅｒ
ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．ＩｔｈａｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｆｅａｔＩＩｒｅ８：ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，
ｃｌｅａｒｉｍａｇｅ，３Ｄｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ａｎｄｉｔｃｏｕｌｄ
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ａｎｄｐｒｅｈｍｉｎａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ３Ｄ
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ｓｔａｂｌｅｉｎｔｅｓｒａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｅａｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｔｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ
ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｃｒｕｃｉａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｑｕｉｃｋｌｙ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇｌｅｖｅｅ，
ｅｍｂａｎｋｒａｅｎｔａｎｄｏｔｈｅｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄｓｏｎａｒ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈｉｄｄｅｎｔｒｏｕｂｌｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇ
目前，国内大多数采用传统声纳、水下机器人等探测图像，为快速、有效、科学地探测堤防、海塘等水利工程仪器对水下结构物进行扫描探测。由于各类探测手段均存水下结构的安全隐患提供了一种全新的技术手段。
在一定的弊端，如传统声纳设备的图像生成易受介质干扰、水下机器人无法在浑水区域工作等，使得水下探测成果不１现代声纳技术的发展
能很好地满足工程需要，给水利工程水下结构安全隐患的现代声纳技术已有近１００ａ的发展历史，广泛应用于军排除增加了诸多困难与不便。浙江省水利科技推广与发展事、海洋、水利等多种水下探测领域。按工作方式的不同，中心通过水利部“９４８”项目，从英国引进三维实时声学成声纳大致可分为２类：主动声纳（或回声定位声纳）和被像（Ｒｅａｌ．ｔｉｍｅ
３ＤＡｃｏｕｓｔｉｃ
Ｉｍａｇｉｎｇ）声纳系统Ｅｃｈｏｓｃｏｐｅ（下
动声纳（噪声测向声纳或噪声测距声纳）。目前，国内外水文简称ＥＳ），能够实时、高效、清晰地生成水下结构的三维
下探测仪器基本采用主动声纳系统。
主动声纳原理是由自身发射声波，通过接受目标的回
收稿日期：２０１３－０３．２１
波来测定其方位、距离和径向速度等参数，主要分为侧扫基金项目：水利部“９４８”项目防洪防汛堤坝安全监测系统声纳、合成孔径声纳、多波束探测系统和水下地形剖面仪（２０１１１３）。
作者简介：戴林军（１９８６一），男，助理工程师，硕士研究生，等［１’。
主要从事水工结构研究。Ｅ一Ⅱｌａｉｌ：ｄａｆｌｊ８６＠１６３．ｃｏｒｎ
１．１侧扫声纳（Ｓｉｄｅ—ｓｃａｎｓｏｎａｒ）
侧扫声纳由水中拖鱼、线缆和船上处理器３部分组成。
万方数据
・６２・
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
其基本原理是由拖鱼产生２束与船行进方向垂直的扇形波束，声波碰到目标物体反射回来，反射信号经接收系统转换放大，最终以图像的形式记录、显示反射信号。２０世纪６０年代初，最初是由英国海洋研究所推出的实用型侧扫声纳，随后各类侧扫声纳系统相继被研发，如ＧＬＯＲＩＡ、Ｑ—ＭＩＰＳ／ＤＳＰ声纳系统等¨。２ｊ。
子系统组成：声纳头、电脑终端（ＰＣ）和电源。声纳头包含发射和接收阵，同时控制波束形成的电路；电源为声纳头提供所需电力；声纳头通过以太网链路与ＰＣ机接１：３，由上行链路将实时数据传输至ＰＣ，并接受下行链路的命令。ＥＳ系统示意图及声纳头见图１、２。
１．２合成孔径声纳（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ
ＳＡＳ）
ＡｐｅｒｔｕｒｅＳｏｎａｒ，
合成孔径声纳技术是利用一些实体小阵列的移动而合成一个大得多的阵列，可使分辨率和信噪比得到显著改善，用以提高水下声纳的成像效果。ＳＡＳ很大程度上依据２０世纪五六十年代合成孔径雷达早期的研究理论和实践而研发。目前，美、欧等国均已相继掌握该项技术，并成功应用于海洋测绘、地质找矿、地形测绘、水资源探测等多种领域。
声纳头
图１
ＥＳ系统示意图
１．３多波束探测系统（Ｍｕｔｉｂｅａｍ
Ｓｏｎａｒ
Ｓｙｓｔｅｍ）
多波束探测系统是利用同时发射和同时接收多个波束对水底进行条带式全覆盖测量，主要由多波束主系统、辅助系统和后处理系统３部分组成。与传统单波束测深系统相比，多波束探测具有全覆盖、工作效率高、数据采集点密集、兼有测深和侧扫功能等优点。国际上于２０世纪６０年代开始研究该项技术，目前的主要研究内容是由它的记录进行底介质分类研究，并且不断提高成图软件性能【１．３Ｊ。
１．４水下地形剖面仪
目前水下地形剖面仪主要以浅地层剖面仪为主，是利用声纳技术和数字信号处理等技术合成的探测水下地形的综合仪器。国际上，美国ＥｄｓｅＴｅｃｈ公司设计的“Ｘ—ＳＴＡＲ全谱扫频式数字水底剖面仪”是世界上最先进的水下剖面探测仪器，其最大特点是可以穿透浑水和淤泥层。
以上４类声纳系统单独使用时各有利弊，无法同时满足各类工程需求。综合利用上述几类工具进行工程测量，可实现对单一手段探测数据的相互印证和补充，大大提高了工程测量质量。２
与传统２Ｄ多波束成像手段相比，Ｅｓ具有如下优点：（１）能够实时观察一个完整的目标或特征，使数据的分析简单快捷，增强复杂３Ｄ结构的成像能力，诸如桩、船底或海底设施，可以实时成像，无需穿过这些物体的结构完成扫描成像；
（２）使用３Ｄ实时图像，能够在很大的水域中，远距离跟踪移动目标，或在水体内任何地方检测到接近的目标。
与其余可视化探测手段相比，Ｅｓ的优越性十分明显：
图２声纳头图
ＥＳ简介
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）最早受美国国防部
（１）声纳技术不会受到低能见度的影响；（２）Ｅｓ可提供较大的观测距离；
（３）点击鼠标即可调出任何目标物的真实地理坐标。３
委托，由英国ＣｏｄａＯｃｔｏｐｕｓ公司为美国海岸警卫队特别设计开发。该系统成功集侧扫声纳、合成孔径、多波束成像及水下定位等功能于一体，能在零能见度的水域（浑水）中大范围、远距离探测水下全景目标，是美国海岸警卫队防恐和港１３海岸监测使用的实时三维立体成像声纳系统。目前广泛用于世界各地军用、警用和民用领域，主要应用于港１３、水下施工、水底勘探、疏浚监控、水下地形勘测和水下建筑物探测等工程．在中国首次应用于三峡船闸的水下结构探测。
ＥＳ是基于ＥｃｈｏＳｃｏｐｅ１６００Ｂ成功应用技术之上的特殊三维成像声纳，采用相控阵技术，可同时处理１６０００多条波束，形成三维影像。其更新速率最多可达２０次／ｓ，每帧均可实时产生１个完整的２Ｄ图形。该系统由３个相对独立的
ＥＳ工作原理
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）首先通过声纳头，
沿锥形方向以５０。Ｘ５０。开角发射１个３７５ｋＨｚ的声纳信号，然后由安装在声纳头上的水听器接收阵接收反射回来的声学信号。接收阵为４８
Ｘ
４８水听器传感器组成的矩阵，使用
了相控阵技术，可同时形成１６３８４个声学波束（见图３）。每个小方格均可得到１个独立的回波，每个回波分别代表着探测目标物相应的地理坐标、探测距离以及信号强度等数据。对某个时间片段内收到的数据进行处理后生成１个２Ｄ图像（帧），由ＰＣ软件负责实测距离的转换，在不到１
Ｓ
的时间内可以处理大量的２Ｄ图像，若干个２Ｄ图像共同组
・
６３
・
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
成１个３Ｄ区域，从而生成３Ｄ声学图像。表１参数表
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）主要技术
名称
工作频率波束数量最大测距最小测距距离分辨率
角度分辨率刷新率发射角
物理尺寸（ｈ×ｗ×ｄ）’质量
功率消耗
标准耐压水深
数值
３７５ｋＨｚ
１２８×１２８（共１６３８４）条
１５０ｍ／５００ｆＩ
１ｍ／３
ｆｔ
３ｃｍ／１．２”
０．３９。（水平和垂直波束的开角）
１２Ｈｚ５０
ｏｘ
５０
ｏ
３８０ｍ／ｎｘ３００Ｉｎｌｎ×１１８ｉｎｍ
空气中２２ｋｇ／４８１ｂ，水下１２ｋｇ／２６１
直流２４Ｖ下工作电流３～６Ａ
６００ｍ／２０００ｆｔ
ｂ
图３声脉冲及回波图
在同一个时间空挡中会有若干个与球面反射能量相对应的２Ｄ帧，这些２Ｄ帧会被叠加并定义３Ｄ区域。应用了先进的３Ｄ数据可视化程序后，３Ｄ数据的特异优点更能显示出来。３Ｄ声学图像见图４。
探测过程中将三维声纳系统形成的三维图像、水下机器人拍摄的照片与坝坡设计结构进行多方位、多角度、多因素的对比分析，反复对声纳系统各参数进行调整，最终实现水下坝坡的三维结构成像，完成预期目标。
通过对三维实时声学成像声纳系统（ＫＳ）的实测数据进行全面分析可知，该系统各项技术参数指标均较为稳定，可满足工程结构探测要求。同时，由该系统生成的水下结构三维图像能准确展现探测目标的实际工况，利于技术人
员对其各个部位的功能进行简单、快捷、准确的判断，由
此提出的检测报告和相关结论对于水利工程的维修和保护具有重要的指导意义。
为保证三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）能够正常运行，得到准确的探测数据，需注意以下事项：
（１）声纳头输入电压范围是２４～３２ＶＤＣ，接收电源最低为２４
ＶＤＣ；
（２）声纳头在空气中通电时，一次不得超过数分钟，防止因内部过热而导致压力过大；
（３）如果重复开关ＥＳ声纳头，需至少使声纳头冷却（关闭）３０ｓ，确保声纳头能够达到完全放电状态；
图４被探测结构三维图
浙江省水利科技推广与发展中心引进的Ｅｓ系统可发射１２个／ｓ声脉冲，即三维图像的更新频率为１２次／ｓ，从而可生成高精度图像。现场作业时，通过调整ＵＩＳ软件参数，可在三维环境下实时显示每个声学图像所对应的强度、坐标和距离等数据。同时，调整声纳头的发射和接收角度，可全方位实时观察目标，获取最佳探测效果。４
ＥＳ实际应用时，根据声纳头布放方式的不同主要可分为４类：①固定式平台布放：作为一个独立的可视化工具，声纳的位置、旋转、倾斜等都是固定的。对于监视水下的静止目标，此种布放方法非常有效；②安装在ＲＯＶ上的布放：将ＥＳ声纳头安装在ＲＯＶ上，使用户能够在船载安装传感器不能达到的区域来观察和采集数据；③船载式布放：
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）整体性能较为稳定，其各项关键技术指标见表１。
目前该系统已经通过一系列严格的验收程序，并在浙江省丽水市某水库完成初次应用，达到预期效果。此次三维实时声学成像声纳系统结合水下机器人（ＲＯＶ），对该水库迎水坝坡水下部分进行了全面探测，圆满完成首次下水任务。
当在浅水、近岸使用时，一般会将声纳头安装在舰船上。该布放方式最为普遍，从绘制海底地图到检查水体中复杂结构都可应用；④吊车一挖掘机式布放：将声纳头固定在吊车吊臂或挖掘机铲斗上，通过机械运动控制测试角度，一般用于防洪堤坝石料投放等水利建设项目。
目前，Ｅｓ系统在国内水利工程中的应用主要包括：水下结构安全监测、桥墩及冲刷情况检测、河道疏浚工程等。还能应用于水下沉船搜救和考古、探测和排除水下不明物体（如炸弹、航道障碍物等）、检查和铺设海底管线、勘探
・６４・
（４）炎热环境下应避免声纳头直接暴晒，且不可将声纳头面向地面放置。５
ＥＳ适用性及应用范围
ＥＳ技术参数及应用
戴林军，等：基于三维成像声纳技术的水下结构探测新方法
海洋油气等领域。
５．１
了浙江省水利科技的进步。通过对该系统的引进、消化和吸收，克服了传统声纳及水下探测设备的弊端，实现零能见度水域中探测的可能，为快速、有效、科学地探测堤防、
安全监测
通过三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）对港１３码头、
水库库底、大坝坝体、水闸闸室等水利工程水下结构进行系统的三维扫测，可全面监测其运行情况，极大地提高了建筑物的安全管理综合系数。通过安装在Ｐｃ上的ＵＩＳ
（ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）软件，可实时读出目标物的三
海塘等水利工程的水下结构隐患提供了重要的技术手段，对保障全省水利工程的持久健康顺利运行起到了极其重要
的作用。参考文献：
［１］褚德欣．利用声纳技术对水下抛投体及根石探测定位方法的研
究［Ｄ］．山西：太原理工大学，２００６．
维坐标、直径、距离等数据，便于和原设计方案进行全面对比分析，有效判定各竖桩的实际工作性能ＨＪ。
５．２冲刷检测
三维实时声学成像声纳系统（ＥＳ）主要应用于桥墩、水闸、护堤等水工建筑物水下结构各个位置的冲刷情况检测，对防洪加固工作起到及时、有效的检测探明作用…５。５．３河道疏浚
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）可与ＧＰｓ定位仪联合使用，完成水下地形的测量，并借助计算机专用软件绘制、显示水下地形图和开挖断面图，极大地提高了水下开
［２］唐利娜．水下三维声成像及声纳图像处理技术研究［Ｄ］．沈
阳：哈尔滨工业大学，２００９．
［３］罗深荣．侧扫声纳和多波束测深系统在海洋调查中的综合应用
［Ｊ］．海洋测绘，２００３，２３（１）：２２—２４．
［４］Ｐａｕｌ
Ｂａｘｔｅｒ，Ｃ０ｆｍｍｉａｌ胁岫ｇｅｒ，Ｃ０ｄａｏｃｔｏｐｍ．Ａｐｐｈｃａｔｉ∞ｓ
ｏｆ３Ｄ
［５］Ｐａｕｌ］ｋＪｃｔｅｒ，ｃ０Ｈ蚰ｅｒｃｉａｌ地岫８ｅｒ，Ｃ０椭ｏｐｕｓ［ｚｄｅｔｅ．．Ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ
ｉｍｐｅｃⅡ加ｆｏｒ叫ａｎｄｈ勘ｒｕｓｉＩｌｇ
ｕｎｄｅｒｗｓｔｅｒ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ
３Ｄ
ＳＯＩ＿ｌａｒｉＩｌＭａｒｉｔｉｍｅ
Ｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｃ］．ＥｄｉｎｂＩｌｒｇｈ：ｃｏｄａｏｃｔ叩ｍ，２００６．
ＣｏｄａＥｅｈｏｓｅｏｐｅ
挖作业的效率和测量精度，及时为疏浚工程提供准确的数据，保证水下开挖机械进行科学合理地施工。
ｓ∞Ⅱ【ＣＪ．ＥｄｉｎｂＩｌｒ曲：Ｃ，ｏｄａＯｅｔｏｐｕｓ，２００５．
（责任编辑屠福河）
６结语与展望
三维实时声学成像声纳系统（Ｅｓ）技术的引进，促进
‘—卜。。。卜。—‘卜。。１卜－＋一。—卜一＋一＋一＋一—・卜一＋－＋一＋一＋一＋—＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋－＋－＋—＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋－＋一＋一＋・
（上接第５８页）
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２０１１—１１—１０２０１２—０２—１０
图２拟测渗流量的下游河床段测压管水位实测过程线图
参考文献：
！生？土石坝安全监测技术规范Ｉｓ］．北京：中国水利水电出版社．１９９４．
［３］
［１］壁！、登，余学彦，沈贵华．合溪水库工程大坝渗流监测设计变
，、零专题报告［Ｒ］．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，２０１ｌ。．。‘
［２］中华人民共和国水利部，中华人民共和国电力工业部．ＳＬ
鐾甲奎，望！武，裴云波，等．合溪水库工程监测资料分析报告［Ｒ］－南京：水利部。交通运输部，国家能源局菁景泵莉藉
学研究院，２０１２．
一
（责任编辑姚小槐）
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