长基线声学定位技术在水下软体排检测中的应用

 黄  龙

 （上海市水务建设工程安全质量监督中心站，上海200232）

【摘要】  本文简要介绍了长基线声学定位测量技术在水下软排体检测中的工作原理和检测工艺，并结合长兴潜堤后方滩涂圈围工程，对长基线声学定位技术在水下软体排施工定位控制和质量检测中的应用进行了论述。研究表明，长基线声学定位测量技术能够实现较精确的非实时水下定位，是水下排体施工定位控制和质量检测的新工艺、新方法。

【关键词】  长基线；声学定位；软体排；水下检测

中图分类号：TV36文章编号：1005-4774( 2016) 04-0046-04

 软体排因其良好的技术性能和经济效益，近年来被广泛应用于围海造地、航道整治与维护、筑堤等，排体铺设的质量将直接关系到主体工程的安全和使用寿命。随着工程技术的发展，软体排的铺设水平不断提高，但由于铺设后的排体处于水下，具有隐蔽性，如何对排体的铺设效果进行判断和检测也就成了水下排体工程质量控制的难点。排体铺设的最终位置和相邻排体的搭接宽度是后续施工及运营管理期的关键数据，如何获得可追溯、可量化的客观数据，对水下排体工程的检测提出了新的要求。

 在水下排体工程检测中，目前比较常用的方法是浮标法、水下探摸法和水下摄影法。这些方法不仅工作效率较低，受人为因素和外界环境影响比较大，准确度较差，而且很难实施对大批量排体的检测。因此，开发利用先进的水下工程检测技术，形成方便有效的检测方法，对于有效提高检测能力、改进水下排体施工质量、保证整体工程的效益具有重要的意义。

 本文以长兴潜堤后方滩涂圈围工程为例，对长基线声学定位系统在水下软体排施工检测中的应用进行了研究和探索，对工程建设质量实施有效控制，取得了良好的效果，而且为软体排水下施工检测提供了新的技术手段。

1水下声学定位系统

 根据定位系统基线的长度和工作原理的区别，可将目前主要的水下声学定位系统分为三类：长基线、短基线和超短基线。

 长基线定位系统的基线长度一般为上百米到几千米，主要由以一定形状组成的海底定位基线阵和安装在船只上的收发器组成，通过测量目标与基阵之间的距离来确定目标的坐标，工作方式有声学应答式、电触发式两种。长基线定位系统不受水深影响，具有非常高的定位精度，而且对于大面积的调查区域，可以得到非常高的相对定位精度，但系统比较复杂，操作相对繁琐。

 短基线定位系统的基线长度一般为几米到几十米，主要由三只以上基元构成的基线阵和被定位应答器组成，通过各基元测得的多个斜距值交汇得到目标的坐标。系统复杂程度较低，易于使用，但定位精度比长基线要低，而且整个系统需要做大量的校准工作。

 超短基线定位系统的基线长度一般小于1m，其工作原理和短基线类似，只不过所有的基元都集中安装在一个接收器内，系统尺寸更小、使用灵活，但同样需要进行大量的系统校准工作，定位精度要低于短基线，而且在很大程度上依赖于DGPS、VRU等外围设备。

 随着水下声学定位技术的发展，水下声学定位系统的定位精度不断提高，在水下工程施工检测中逐步得到了应用。但对于水下排体的施工质量控制，大多数单位仍然采用传统方法进行检测，缺乏水下声学定位的实际应用经验。

2检测原理

 水下软体排检测主要集中在检测排体是否出现堆积、相邻软体排的结合部分是否满足搭接要求、是否出现脱接现象这三个方面。利用长基线水下声学定位系统，通过获取每张排体的绝对位置坐标，模拟水下排体的形态，进而量测排体的搭接宽度，实现检测目标。

2.1  长基线定位原理

 为实现高精度的定位指标，测量水下排体固定之后的位置坐标时采用非实时的水下长基线声学定位技术。利用长基线接收声头在每个固定点测量与应答器的斜距信息，至少获取4个固定点与应答器之间的斜距，如图1所示。

 利用多个固定点的斜距信息以及固定点GPS的坐标信息，采用长基线定位的球面交汇算法结合最小二乘法，可以解算出应答器的坐标位置，解算方法如图2所示。

2.2排体水下定位及数据采集方法

 水面定位采用GPS-RTK技术，利用ZHD-H32双频GPS在控制点CQ2处设置基准站，测量船上采用ZHD-H32双频GPS作为流动站，接收岸基电台的差分信号，实现厘米级精确定位。

 在排体的沉放过程中，将研制的小型水下信标安装在排体边界上的预定位置，如图3所示。为满足测量精度，每个信标内部独立编码，进行应答管理，工作深度不小于20m，信号接收与发射距离不小于300m，定位精度不大于30cm，在水下的工作时间不小于48h。水下信标在排体上的安装位置，会直接影响数据采集和搭接计算的准确度，必须遵守以下几个原则：

 a．为了保证排体检测数据真实可靠，将信标安装在排体边界，减少排体收缩变形产生的误差。

 b．作为非实时的铺排检测，所有信标应确保不被各类物体覆盖。

 c．安装位置必须牢固，能客观反映排体在下水后的伸缩变形情况。

 d．安装的方向应能够满足信号强度达到最高状态。

 e．混凝土联锁块的排体宽度，依据混凝土联锁排的宽度作为基准，底层排布尺寸仅作为参考。

 待信标随排体沉放完成后，利用长基线接收声头获取每个测量位置相对水下信标的斜距信息，实现水下非实时精确定位，定位精度达到距离的0.1%~0.3%，水下相对定位示意图如图4所示。

 将水下定位系统和GPS流动站安装至检测船上，固定在船的侧面或其他适当位置，在检测船上，通过采集软件获取相关固定点GPS和测距数据，数据采集方式如图5所示。

3工程实例

 长兴潜堤后方滩涂圈围工程部分施工区域泥面标高低于-7.0m，水深超过10m。由于造地区域河床表层地质复杂，水文条件恶劣，基床需要进行软体排铺设护底加固。在先期护底铺设软体排的过程中，传统的铺排施工定位采用人工吊锤或浮球的形式，受水流条件影响严重，定位不准，工作效率低，容易造成软体排搭接不能满足要求。尤其是在深水区、大流速、高浑浊度、高边坡等复杂工况下进行铺排作业时，经常会出现缩排、卷排、断排等情况，严重影响了软体排的铺设质量和施工进展。因此，为了对水下铺排状况进行监控，确保相邻排体的搭接满足设计要求，同时避免不必要的浪费，采用了长基线声学定位技术对水下排体的施工质量进行了检测。

3.1排体检测

 根据项目的需求，于2015年3-5月，先后对工程堤中心轴线陡坡段处的3号、4号、6号、7号、8号和圆弧段处的66号、67号排体进行了检测。项目采用了iTrack-LB3000长基线定位系统，相关参数指标如下表所列。

3.2水下信标定位精度检验

 为了检验长基线定位系统的综合精度指标，在长兴潜堤后方滩涂圈围工程区域内水深约3. 5m处，插入一根竖杆，接着将信标与圆环相连，通过竖杆滑至泥面，然后将流动站GPS天线固定在杆顶，调整竖杆为竖直状态，采用长基线定位系统采集水下信标的位置坐标1。然后利用CPS-RTK技术采集竖杆的位置坐标2，将坐标1与坐标2进行对比检查。对比发现，长基线定位系统应答器解算坐标位置与GPS-RTK采集的数据误差为0. 289m。

3.3检测结果分析

 通过长基线定位系统，采集预先安装在排体上的信标应答单元的位置坐标数据，根据信标坐标位置和安装记录，即可模拟排体的轮廓，掌握排体的铺设状态。被检测排体的位置关系如图6所示。

 由于被检测排体多数位于工程堤中心轴线的陡坡段和圆弧段处，排体的分布不规则，为了描述相邻排体的搭接宽度，分别对量测排体头部、中部、尾部搭接宽度进行检测，以期能够完整地表达排体之间的搭接状态。通过对检测数据进行分析发现，被检测排体的头部搭接宽度最小值为7. 73m，中部搭接宽度最小值为4. 79m，尾部搭接宽度最小值为1.52m。头部、中部和尾部搭接宽度的最小值差别较大，铺排定位有明显的提升空间。6号和7号排体之间的搭接宽度平均值为7. 69m，排体自身的宽度约30m，排体的有效利用率仅为74. 4%，水下排体铺设的经济性还有待于进一步提高。

4结语

 利用水下长基线声学定位技术，在复杂的施工环境下顺利的采集水下排体的坐标位置，实现了较精确的非实时水下定位，为水下排体施工定位控制和质量检测提供了安全、可靠和高效的新工艺、新方法，通过长基线定位技术在长兴潜堤后方滩涂圈围工程的应用，可得出以下结论：