用于堤坝检测的剖面声纳系统实验研究

　　近年来,随着海洋开发和水下探测技术的发展,高分辨率剖面声纳的研究越来越受到重视。剖面声纳可以广泛用于地质探测、海深测量、考古学研究、管道定位、浅海海底沉积层分层等。不同用途以及不同工作环境的剖面声纳的频率、功率和作用距离各有不同,因此对不同用途的剖面声纳进行研究,提高探测精度和作用距离日益迫切。

　　堤坝安全检测一直是困扰水利部门的难题。一般说来,堤坝的破损主要表现在水泥护面的冲蚀、裂缝、孔洞和内部的空洞、断裂、材质密度出现较大的不均匀性病变等。堤坝表面和内部的探测可以采用声学无损探伤的原理进行。声波作用于物体和通过不同的介质界面后会产生反向散射、折射、透射和衍射等现象。反向散射中所带回的物体表面粗糙度的信息,取决于声信号的波长,即波长越短,分辨率越高。因此,在对坝体表面状况进行探测时,需选用波长尽可能短的声波,在另一方面,由于介质吸收等因素与信号频率的平方成正比,即频率越高,信号能量在坝体介质中的吸收衰减越严重。因而,为获得较大的穿透深度,宜选用尽可能低的信号频率。然而,过低的频率会由于绕射、模糊尺度过大等原因,造成内部探测分辨率误差。综合考虑影响剖面声纳工作的主要因素,结合堤坝安全检测机器人的设计思想,我们对剖面声纳的发射信号频率、换能器辐射角度、垂直分辨率和作用距离等系统参数进行最优折衷选取。最后,确定基于水下堤坝安全检测机器人的剖面声纳的技术指标(见表1)。

　　1 剖面声纳的工作原理

　　剖面声纳工作在主动方式下[1],发射换能器垂直于被测堤坝发射一束圆锥形波束,声波到达堤坝表面时,一部分能量被反射回来,得到一个很强的回波,另一部分能量透射进入堤坝内部,在堤坝内部继续向深处传播,而由于堤坝内部介质不连续(如堤坝内部的管涌、空洞等,)产生回波,该回波能量一部分由于固体物质的散射损耗,另一部分能量反向散射回换能器,这部分回波包含了堤坝的不连续信息。所以可以根据堤坝的内部回波很好地反应出堤坝的内部分层结构。依靠机器人载体垂直于堤坝的运动,换能器的接收信号经过接收机的处理传输到水上主机重建出堤坝内部剖面的二维结构图,再根据机器人的测高、测距及定位声纳可以后续处理出被测区域的三维剖面图。图1给出了剖面声纳工作原理示意图。

　　2 剖面声纳的系统结构

　　基于堤坝安全检测机器人的剖面声纳系统,既可以安装在机器人的底部,也可以悬挂于机器人的前端,具有灵活安装的特点。剖面声纳安装在水下机器人载体上并与测深声纳、测高测距声纳、罗经以及多普勒测速仪协同工作。