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      經驗交流三維成像聲納在水下工程中的應用研究

      溪流之海洋人生 2021-10-27 06:19:25
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      影響海洋工程質量安全的因素有很多,一般將這些因素分為兩種,一種是水上結構部分,使用一些常規技術即可排除水上部分的安全隱患,包括觸摸、觀察、NDT檢測等,另一種是水下結構部分,受到環境的限制,使用常規技術無法排除水下部分的安全隱患,這部分隱患不僅難發現、難處理,而且隨著日積月累,微小缺陷可能會逐步擴大,最終導致極大的破壞,三維成像聲納技術就能夠有效解決這一問題,高效檢測海洋工程水下復雜結構部分的安全隱患,保證海洋工程水下施工的安全、穩定運行。

      一、三維成像聲納系統概述

      ⒈ 系統的構成與具體功能

      三維成像聲納系統由三部分構成,其一是聲納頭,其二是電腦終端,其三是電源和設備安裝支架,其中聲納頭有兩個陣,一個是聲納陣,聲波信號沿著錐形方向發射出去,另一個是接收陣,該陣由若干個水聽器傳感器組成,接收返回來的聲波,最終目標物的三維圖像會在電腦終端顯示出來,測距的范圍一般在1米至150米,圖像更新的速度可以達到每秒20次。聲納頭的布局有兩種形式,一種是靠岸加固,另一種是隨船移動,具體布局形式根據周圍環境以及檢測對象的特征確定。而在一般的海洋工程中,經常使用的是二維聲納Seaking DFS,聲納頭的布局有所不同,一般都是固定安裝在ROV(水下機器人)上,通過對水下機器人的操控實現對聲納頭位置的控制,隨著海洋工程的進一步發展,人們對聲吶技術提出更高要求,將三維聲納應用于海洋工程中,通過聲波信號的發射與收集,形成具有較高分辨率的圖像,不僅能做到實時成像,圖像還可以被縮放、旋轉和移動,為水下施工過程提供準確、完整的信息。

      實際操作過程中,技術人員可以通過調節軟件參數來獲取每組圖像對應的坐標和距離等具體信息,為了做到實時觀察,獲得更好的探測效果,可以根據實際情況合理調節聲納頭的角度,可以調節發射角,也可以調節接收角,這樣就打破傳統探測系統的探測局限性。但是要注意的是,三維成像聲納系統在工作時要保證設備靜止,該系統在獨立工作時不能做到行進過程中的連續探測,因此即使設備隨船移動,也要將其固定在船舷上,并且不在行船時探測,如果風浪較大,船體不穩定,探測質量就會受到影響,為了解決這一問題,最好在系統中加入另外兩個系統,一個是GPS定位系統,另一個是姿態穩定系統,對目標進行準確定位,實現連續探測,有效提升系統在使用過程中的穩定性。因此,將GPS定位系統以及姿態穩定系統安裝在ROV上,就能夠解決探測穩定性、連續性差的問題,實現ROV三維聲納深水探測。

      ⒉ 二維成像聲納與三維成像聲納的對比

      二維聲納技術主要用于水下目標的探測、定位以及識別,該技術的基礎也是聲波學,但是最終獲得的是目標物在距離和方向上的二維圖像,與二維聲納技術相比,三維成像聲納具有以下特征:首先,該系統能夠實現水下實時探測,并將復雜的3D結構完整、準確的呈現在電腦終端上,圖像比二維結構更加立體、清晰;其次,系統將水下探測、跟蹤以及成像三項工作融為一體,只要沒有超出探測范圍,就能夠實時獲取三維圖像;最后,該系統利用聲波原理,因此不會受到水質的影響,即使水下能見度為零,系統也可以正常工作,且成像質量完全不會受到影響。

      二、三維成像聲納在水下工程中的具體應用

      ⒈ 三維成像聲納的常規應用范圍

      目前,三維成像聲納技術在水下工程中的應用非常廣泛:第一,可以利用該技術進行水下結構安全檢測,排除安全隱患;第二,可以檢查水下的堤防護坡,根據圖像判斷防護坡是否被破壞;第三,檢查河道底部積淤狀況,為后續清淤工作做好準備;第四,可以為沉船事故的搜救工作提供支持;第五,可以利用該技術開展水下考古工作??偠灾?,系統可以完成所有水下探測工作,使人們準確掌握水下工程現狀,做到工程結構數據的實時讀取,同時,系統可以利用繪圖軟件繪制出工程結構的斷面圖,這樣水下施工作業的準確性就大大提高了,總而言之,該系統可以應用于各類水下工程探測中,有效保證水下工程建設和運行的穩定性。

      ⒉ 三維成像聲納在海洋工程中的應用拓展

      隨著三維聲納、ROV水下機器人、工程船DP系統的飛速發展,在海洋工程領域,三維成像聲納的應用越來越廣,為安裝施工帶來了更大的便利。具體可歸納為以下幾方面。

      ⑴海洋工程結構安裝施工中的應用

      在進行海洋工程水下結構吊裝作業時,由于水下環境的能見度不高,通過ROV水下機器人攝像頭監控往往效果不佳,不能實時掌握吊放狀態。如采用三維聲納成像技術對作業過程進行觀察,作業位置及機械裝備會反射系統發射出的波束信號,并將聲音信號轉化為電信號,這些電信號傳輸到聲納控制單元以后,操作軟件就會將信息轉換成圖像,顯示吊放作業全景過程,把握結構物吊放姿態,并通過計算機的模擬功能,與理論數據進行對比,指揮人員可以以此為依據對作業過程進行指揮,提高安裝施工的效率和精度。

      ⑵海洋工程海底線纜路由探查中的應用

      在安裝水下工程中的附屬管線時,要對安裝環境進行檢查,利用三維成像聲納技術檢查水下環境,可以清晰的看到海底地形以及各個岸坡的分布情況,明確該地區的海底環境是否適合鋪裝海底線纜,并可依據三維數據提前進行挖溝及懸跨處理的方案設計,縮短設計周期。安裝結束以后,仍可使用該技術對安裝結果進行檢查,確保安裝位置正確,安裝結構沒有出現錯誤,如果三維圖像與設計不符,說明安裝存在問題,要找出問題所在并及時調整,問題解決以后重新探測,直到合格為止。

      ⑶海洋工程結構質量檢查中的應用

      為了保證海洋工程的質量,一般要定期對海洋工程中重要結構進行檢查,主要包括導管架、海底管道、電纜、管匯、基盤等。例如導管架,每隔一段時間就要進行整體結構外觀檢查,對于簡單結構,往往是通過ROV水下機器人的攝像頭進行查看即可。對于較復雜的導管架結構,ROV為防止臍帶電纜纏繞,不能進入內部檢查,都是通過潛水員進行人工檢查,不僅效率低而且成本高。使用由ROV搭載的三維成像聲納,對導管架進行外圍探測,根據探測結果獲得原始掃描數據,并根據實際需要對這些數據做出處理,得出相關信息,包括長度、寬度以及深度等,將這些信息與原始設計資料對比,判斷這些結構的質量是否滿足要求。

      三、結束語

      三維成像聲納技術應用了聲學的基本原理,利用聲波的發射和收回獲取目標物的三維圖像,同時能夠實時讀取坐標等關鍵數據,不會受到水質以及風浪等外界因素的影響,因此被廣泛應用于水下工程中。文章簡單介紹了三維成像聲納系統的構成、功能、優勢以及應用范圍,并分析了其在海洋工程安裝及質量檢查的具體應用。

      ■作者來自深圳海油工程水下技術有限公司,文章來自《科技創新與應用》(2016年第6期),參考文獻略,用于學習與交流,版權歸作者與出版社共同擁有。

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