2024年2月14日发(作者：麦庆生)
基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术研究进展
摘要：随着声呐技术的快速发展，各种类的声学设备也不断出现，并被应用于实际工程当中。本文从检测方式、工作原理及适用性等方面，总结分析了近年来基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术的研究进展，为再不同检测环境下的水下航道整治建筑物的检测提供依据，并进一步阐述了水下航道整治检测技术今后的发展方向。
关键词：声学设备；航道；水下整治建筑物；检测技术
为确保航道水下整治建筑物的安全稳定，保证航道的安全通畅，定期对已修建航道整治建筑物进行检测是必不可少的工作。随着声呐技术的不断发展，各种新型的声学设备也不断涌现，并被应用于航道整治建筑物的检测当中，使得检测工作趋向于高效化和清晰化。鉴于此，本文对现有基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术进行梳理，对各种检测技术的工作原理及优缺点等方面进行总结分析，为检测人员根据不同检测条件选择适用的检测技术提供依据，并进一步阐明未来检测技术的研究方向。
1 超声波测深探测技术
超声波测深探测技术主要包括单波束检测技术与多波束检测技术，两者都是通过航测船搭载测深设备，沿预先布设的测线对航道水下整治建筑物进行扫测，从而完成航道水下整治建筑物的检测。其工作原理都是测深设备通过换能器向下发射短脉冲声波，脉冲声波以水作为介质进行传播，当脉冲声波传播到水下整治建筑物表面时产生反射，反射回波返回测深声呐被换能器接收，基于发射声波和接收回波之间的时间差计算得到水下测量点的水深。不同的是，单波束检测技术每次只沿航向的垂直方向发射和接收单个声波信号，从而致使航测船每跑一条航线只能得到一条线的测深数据，而多波束检测技术每次声波信号的发射和接收[1]
都是由多个成一定角度的换能器组成的换能器矩阵来实现的，从而使得航测船每跑一条测线可以得到一条以航测船航迹线为中心线的带状水深数据。单波束检测技术与多波束检测技术具有速度快、精度高等显著优势，其中单波束检测技术由于每次只能发射和接收单个波束，效率低于多波束检测技术。这两种检测技术获取的都是水下整治建筑物表面的水深数据，还需要经过后续的数据改正、异常数据调整和数据插值处理才可反演得到水下航道整治建筑物的外部结构高程数据，从而进行水下整治建筑物外部变形情况的展示，难以达到实时检测的目的，同时在数据的改正上较为复杂对处理人员专业素养要求较高。
2侧扫声呐成像探测技术
侧扫声呐检测技术对航道水下整治建筑物的检测方式与多波束检测技术类似，同样是通过航测船搭载侧扫声呐设备对航道水下整治建筑物进行扫测，从而完成对水下整治建筑物的检测。不同的是，侧扫声呐设备是根据回声探测仪的工作原理，利用声波的反向散射回波信号获取水下整治建筑物的外部结构信息，并生成直观反应航道水下整治建筑物外部变形情况的声学图像。侧扫声呐根据检测方式不同可分为船载式与拖曳式，其中船载式侧扫声呐的探测效率较高且探测范围更广，但分辨率较低；拖曳式侧扫声呐可根据实际检测工作需求调节拖鱼高度，以获得精度和分辨率更高的航道水下整治建筑物外部变形情况的声学图像。侧扫声呐检测技术具备造价低、探测范围广及可直观呈现水下航道整治建筑物外部变形情况的优势，但为了获取分辨率较高的声学图像数据只能采用拖曳式侧扫声呐，而拖曳式侧扫声呐由于拖鱼位于距离水底较近的位置，难以进行精确定位，不易从侧扫声呐图像中获取水下整治建筑物外形的精确信息。
3三维成像声呐探测技术
三维声呐检测技术是利用三维声呐系统直接获取水下整治建筑物的三维信息，这些信息同时具有方位角、仰角和距离分辨率高的特点，三维成像声呐可根据这些信息实时生成检测区域内的航道水下整治建筑物三维模型。三维声呐检测技术主要有两种检测方式，分别为固定测站式和移动测站式：固定测站式需提前了解检测现场情况，通过比较三维声呐系统最优扫描范围及目的检测范围，预先确定检测站位置及点数，再在预先确定的检测站位置固定三维声呐对水下整治建筑[5][4][3][2]
物进行扇形扫测；移动测站式是通过水下机器人携带三维声呐设备沿设定航线行进，通过机器人的定位信息对采集数据进行拼接，进而完成三维图像的合成。与其他检测技术相比，三维声呐检测技术可实时进行水下整治建筑物的检测，并生成精确、清晰和立体的高分辨率三维图像，但对检测时的设备稳定性要求很高，同时检测效率较低，在实际工程中应用较少。
4前视成像声呐探测技术
前视声呐检测技术是利用高分辨率前视成像声呐对水下整治建筑物进行实时的高分辨率成像，以实时获取水下整治建筑物外形声学影像资料，获悉其外部变形情况，从而达到检测的目的。新一代的高分辨率前视声呐利用声透镜折射率高、聚焦距离短的特性形成较窄波束，极大程度的减小超声波在水中传播的损失，可在水下阴暗、浑浊的条件下生成分辨率远高于传统成像声呐所成图像的高质量声学图像，因此也被称为“声学相机”。基于高分辨率前视声呐可进行实时高分辨率水下成像的特点，该种声呐是最为适用于进行航道水下整治建筑物实时检测的声学设备。
5结语
通过对现有航道水下整治建筑物检测技术手段的总结分析，各类技术由于工作原理不同，所能取得的检测效果也不尽相同，各种检测技术的优缺点如表1所示。
表1不同类型检测技术优缺点比较
[7][6]类别
测深探测技术
侧扫声呐探测
三维声呐探测
前视声呐探测
优点
效率高、范围探测范围广、成像三维成像直观、实分辨率高、功耗低、实时成
广、精度高
结果直观
时性好
像
数据处缺点
理量大、分辨率低
数据处理量大、分辨率低
检测环境要求高、数据处理复杂
抗噪能力弱
对于较为复杂的情况，可采取多种检测技术互相配合的方式进行，从而获取理想的检测结果。从已有的检测技术手段来看，通过三维成像声呐直接获取水下整治建筑物立体图像的检测方式是最为直观的方式，但该种检测技术对设备稳定性要求太高，且检测范围较小，致使效率低下。因此，未来重点的发展方向应为多设备、多手段相融合的探测技术，尽可能更直观、更高效和精准的反映水下整治建筑物情况，满足检测工作高效化和清晰化的要求。
参考文献
1.
史磊.单波束测深系统与浅水多波束测深系统在水下地形测量中的对比分析[J].黑龙江水利科技,2018,46(05):32-34
2.
赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理［M］. 武汉: 武汉大学出版社，2008.
3.
刘浩林,覃珊珊,李鹏鸽,张晓晖,刘青.基于SFS方法的侧扫声呐图像三维重构[J].舰船科学技术,2021,43(15):125-130.
4.
库安邦,周兴华,彭聪.侧扫声纳探测技术的研究现状及发展[J].海洋测绘,2018,38(01):50-54.
5.
M. L. Henning and J. M. Beresford. Development of an underwater
megahertz frequency 3d system for viewing in turbid conditions[J].
Proceedings of the Undersea Defence Technology Conference, 1993: 425-429.
6.
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（3）:184-188.
7.
余雅松, 王锦柏. 柱面型声透镜设计及验证[J]. 声学技术, 2008(02):150-155.
2024年2月14日发(作者：麦庆生)
基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术研究进展
摘要：随着声呐技术的快速发展，各种类的声学设备也不断出现，并被应用于实际工程当中。本文从检测方式、工作原理及适用性等方面，总结分析了近年来基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术的研究进展，为再不同检测环境下的水下航道整治建筑物的检测提供依据，并进一步阐述了水下航道整治检测技术今后的发展方向。
关键词：声学设备；航道；水下整治建筑物；检测技术
为确保航道水下整治建筑物的安全稳定，保证航道的安全通畅，定期对已修建航道整治建筑物进行检测是必不可少的工作。随着声呐技术的不断发展，各种新型的声学设备也不断涌现，并被应用于航道整治建筑物的检测当中，使得检测工作趋向于高效化和清晰化。鉴于此，本文对现有基于声学设备的航道水下整治建筑物检测技术进行梳理，对各种检测技术的工作原理及优缺点等方面进行总结分析，为检测人员根据不同检测条件选择适用的检测技术提供依据，并进一步阐明未来检测技术的研究方向。
1 超声波测深探测技术
超声波测深探测技术主要包括单波束检测技术与多波束检测技术，两者都是通过航测船搭载测深设备，沿预先布设的测线对航道水下整治建筑物进行扫测，从而完成航道水下整治建筑物的检测。其工作原理都是测深设备通过换能器向下发射短脉冲声波，脉冲声波以水作为介质进行传播，当脉冲声波传播到水下整治建筑物表面时产生反射，反射回波返回测深声呐被换能器接收，基于发射声波和接收回波之间的时间差计算得到水下测量点的水深。不同的是，单波束检测技术每次只沿航向的垂直方向发射和接收单个声波信号，从而致使航测船每跑一条航线只能得到一条线的测深数据，而多波束检测技术每次声波信号的发射和接收[1]
都是由多个成一定角度的换能器组成的换能器矩阵来实现的，从而使得航测船每跑一条测线可以得到一条以航测船航迹线为中心线的带状水深数据。单波束检测技术与多波束检测技术具有速度快、精度高等显著优势，其中单波束检测技术由于每次只能发射和接收单个波束，效率低于多波束检测技术。这两种检测技术获取的都是水下整治建筑物表面的水深数据，还需要经过后续的数据改正、异常数据调整和数据插值处理才可反演得到水下航道整治建筑物的外部结构高程数据，从而进行水下整治建筑物外部变形情况的展示，难以达到实时检测的目的，同时在数据的改正上较为复杂对处理人员专业素养要求较高。
2侧扫声呐成像探测技术
侧扫声呐检测技术对航道水下整治建筑物的检测方式与多波束检测技术类似，同样是通过航测船搭载侧扫声呐设备对航道水下整治建筑物进行扫测，从而完成对水下整治建筑物的检测。不同的是，侧扫声呐设备是根据回声探测仪的工作原理，利用声波的反向散射回波信号获取水下整治建筑物的外部结构信息，并生成直观反应航道水下整治建筑物外部变形情况的声学图像。侧扫声呐根据检测方式不同可分为船载式与拖曳式，其中船载式侧扫声呐的探测效率较高且探测范围更广，但分辨率较低；拖曳式侧扫声呐可根据实际检测工作需求调节拖鱼高度，以获得精度和分辨率更高的航道水下整治建筑物外部变形情况的声学图像。侧扫声呐检测技术具备造价低、探测范围广及可直观呈现水下航道整治建筑物外部变形情况的优势，但为了获取分辨率较高的声学图像数据只能采用拖曳式侧扫声呐，而拖曳式侧扫声呐由于拖鱼位于距离水底较近的位置，难以进行精确定位，不易从侧扫声呐图像中获取水下整治建筑物外形的精确信息。
3三维成像声呐探测技术
三维声呐检测技术是利用三维声呐系统直接获取水下整治建筑物的三维信息，这些信息同时具有方位角、仰角和距离分辨率高的特点，三维成像声呐可根据这些信息实时生成检测区域内的航道水下整治建筑物三维模型。三维声呐检测技术主要有两种检测方式，分别为固定测站式和移动测站式：固定测站式需提前了解检测现场情况，通过比较三维声呐系统最优扫描范围及目的检测范围，预先确定检测站位置及点数，再在预先确定的检测站位置固定三维声呐对水下整治建筑[5][4][3][2]
物进行扇形扫测；移动测站式是通过水下机器人携带三维声呐设备沿设定航线行进，通过机器人的定位信息对采集数据进行拼接，进而完成三维图像的合成。与其他检测技术相比，三维声呐检测技术可实时进行水下整治建筑物的检测，并生成精确、清晰和立体的高分辨率三维图像，但对检测时的设备稳定性要求很高，同时检测效率较低，在实际工程中应用较少。
4前视成像声呐探测技术
前视声呐检测技术是利用高分辨率前视成像声呐对水下整治建筑物进行实时的高分辨率成像，以实时获取水下整治建筑物外形声学影像资料，获悉其外部变形情况，从而达到检测的目的。新一代的高分辨率前视声呐利用声透镜折射率高、聚焦距离短的特性形成较窄波束，极大程度的减小超声波在水中传播的损失，可在水下阴暗、浑浊的条件下生成分辨率远高于传统成像声呐所成图像的高质量声学图像，因此也被称为“声学相机”。基于高分辨率前视声呐可进行实时高分辨率水下成像的特点，该种声呐是最为适用于进行航道水下整治建筑物实时检测的声学设备。
5结语
通过对现有航道水下整治建筑物检测技术手段的总结分析，各类技术由于工作原理不同，所能取得的检测效果也不尽相同，各种检测技术的优缺点如表1所示。
表1不同类型检测技术优缺点比较
[7][6]类别
测深探测技术
侧扫声呐探测
三维声呐探测
前视声呐探测
优点
效率高、范围探测范围广、成像三维成像直观、实分辨率高、功耗低、实时成
广、精度高
结果直观
时性好
像
数据处缺点
理量大、分辨率低
数据处理量大、分辨率低
检测环境要求高、数据处理复杂
抗噪能力弱
对于较为复杂的情况，可采取多种检测技术互相配合的方式进行，从而获取理想的检测结果。从已有的检测技术手段来看，通过三维成像声呐直接获取水下整治建筑物立体图像的检测方式是最为直观的方式，但该种检测技术对设备稳定性要求太高，且检测范围较小，致使效率低下。因此，未来重点的发展方向应为多设备、多手段相融合的探测技术，尽可能更直观、更高效和精准的反映水下整治建筑物情况，满足检测工作高效化和清晰化的要求。
参考文献
1.
史磊.单波束测深系统与浅水多波束测深系统在水下地形测量中的对比分析[J].黑龙江水利科技,2018,46(05):32-34
2.
赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理［M］. 武汉: 武汉大学出版社，2008.
3.
刘浩林,覃珊珊,李鹏鸽,张晓晖,刘青.基于SFS方法的侧扫声呐图像三维重构[J].舰船科学技术,2021,43(15):125-130.
4.
库安邦,周兴华,彭聪.侧扫声纳探测技术的研究现状及发展[J].海洋测绘,2018,38(01):50-54.
5.
M. L. Henning and J. M. Beresford. Development of an underwater
megahertz frequency 3d system for viewing in turbid conditions[J].
Proceedings of the Undersea Defence Technology Conference, 1993: 425-429.
6.
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（3）:184-188.
7.
余雅松, 王锦柏. 柱面型声透镜设计及验证[J]. 声学技术, 2008(02):150-155.