長(zhǎng)基線聲學(xué)定位技術(shù)在水下軟體排檢測(cè)中的應(yīng)用
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黃 龍
（上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站，上海200232）
【摘要】 本文簡(jiǎn)要介紹了長(zhǎng)基線聲學(xué)定位測(cè)量技術(shù)在水下軟排體檢測(cè)中的工作原理和檢測(cè)工藝，并結(jié)合長(zhǎng)興潛堤后方灘涂圈圍工程，對(duì)長(zhǎng)基線聲學(xué)定位技術(shù)在水下軟體排施工定位控制和質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。研究表明，長(zhǎng)基線聲學(xué)定位測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的非實(shí)時(shí)水下定位，是水下排體施工定位控制和質(zhì)量檢測(cè)的新工藝、新方法。
【關(guān)鍵詞】 長(zhǎng)基線；聲學(xué)定位；軟體排；水下檢測(cè)
中圖分類號(hào)：TV36文章編號(hào)：1005-4774( 2016) 04-0046-04
軟體排因其良好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于圍海造地、航道整治與維護(hù)、筑堤等，排體鋪設(shè)的質(zhì)量將直接關(guān)系到主體工程的安全和使用壽命。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，軟體排的鋪設(shè)水平不斷提高，但由于鋪設(shè)后的排體處于水下，具有隱蔽性，如何對(duì)排體的鋪設(shè)效果進(jìn)行判斷和檢測(cè)也就成了水下排體工程質(zhì)量控制的難點(diǎn)。排體鋪設(shè)的最終位置和相鄰排體的搭接寬度是后續(xù)施工及運(yùn)營(yíng)管理期的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如何獲得可追溯、可量化的客觀數(shù)據(jù)，對(duì)水下排體工程的檢測(cè)提出了新的要求。
在水下排體工程檢測(cè)中，目前比較常用的方法是浮標(biāo)法、水下探摸法和水下攝影法。這些方法不僅工作效率較低，受人為因素和外界環(huán)境影響比較大，準(zhǔn)確度較差，而且很難實(shí)施對(duì)大批量排體的檢測(cè)。因此，開(kāi)發(fā)利用先進(jìn)的水下工程檢測(cè)技術(shù)，形成方便有效的檢測(cè)方法，對(duì)于有效提高檢測(cè)能力、改進(jìn)水下排體施工質(zhì)量、保證整體工程的效益具有重要的意義。
本文以長(zhǎng)興潛堤后方灘涂圈圍工程為例，對(duì)長(zhǎng)基線聲學(xué)定位系統(tǒng)在水下軟體排施工檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索，對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量實(shí)施有效控制，取得了良好的效果，而且為軟體排水下施工檢測(cè)提供了新的技術(shù)手段。
1水下聲學(xué)定位系統(tǒng)
根據(jù)定位系統(tǒng)基線的長(zhǎng)度和工作原理的區(qū)別，可將目前主要的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)分為三類：長(zhǎng)基線、短基線和超短基線。
長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的基線長(zhǎng)度一般為上百米到幾千米，主要由以一定形狀組成的海底定位基線陣和安裝在船只上的收發(fā)器組成，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)與基陣之間的距離來(lái)確定目標(biāo)的坐標(biāo)，工作方式有聲學(xué)應(yīng)答式、電觸發(fā)式兩種。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)不受水深影響，具有非常高的定位精度，而且對(duì)于大面積的調(diào)查區(qū)域，可以得到非常高的相對(duì)定位精度，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作相對(duì)繁瑣。
短基線定位系統(tǒng)的基線長(zhǎng)度一般為幾米到幾十米，主要由三只以上基元構(gòu)成的基線陣和被定位應(yīng)答器組成，通過(guò)各基元測(cè)得的多個(gè)斜距值交匯得到目標(biāo)的坐標(biāo)。系統(tǒng)復(fù)雜程度較低，易于使用，但定位精度比長(zhǎng)基線要低，而且整個(gè)系統(tǒng)需要做大量的校準(zhǔn)工作。
超短基線定位系統(tǒng)的基線長(zhǎng)度一般小于1m，其工作原理和短基線類似，只不過(guò)所有的基元都集中安裝在一個(gè)接收器內(nèi)，系統(tǒng)尺寸更小、使用靈活，但同樣需要進(jìn)行大量的系統(tǒng)校準(zhǔn)工作，定位精度要低于短基線，而且在很大程度上依賴于DGPS、VRU等外圍設(shè)備。
隨著水下聲學(xué)定位技術(shù)的發(fā)展，水下聲學(xué)定位系統(tǒng)的定位精度不斷提高，在水下工程施工檢測(cè)中逐步得到了應(yīng)用。但對(duì)于水下排體的施工質(zhì)量控制，大多數(shù)單位仍然采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行檢測(cè)，缺乏水下聲學(xué)定位的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
2檢測(cè)原理
水下軟體排檢測(cè)主要集中在檢測(cè)排體是否出現(xiàn)堆積、相鄰軟體排的結(jié)合部分是否滿足搭接要求、是否出現(xiàn)脫接現(xiàn)象這三個(gè)方面。利用長(zhǎng)基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，通過(guò)獲取每張排體的絕對(duì)位置坐標(biāo)，模擬水下排體的形態(tài)，進(jìn)而量測(cè)排體的搭接寬度，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)。
2.1 長(zhǎng)基線定位原理
為實(shí)現(xiàn)高精度的定位指標(biāo)，測(cè)量水下排體固定之后的位置坐標(biāo)時(shí)采用非實(shí)時(shí)的水下長(zhǎng)基線聲學(xué)定位技術(shù)。利用長(zhǎng)基線接收聲頭在每個(gè)固定點(diǎn)測(cè)量與應(yīng)答器的斜距信息，至少獲取4個(gè)固定點(diǎn)與應(yīng)答器之間的斜距，如圖1所示。
利用多個(gè)固定點(diǎn)的斜距信息以及固定點(diǎn)GPS的坐標(biāo)信息，采用長(zhǎng)基線定位的球面交匯算法結(jié)合最小二乘法，可以解算出應(yīng)答器的坐標(biāo)位置，解算方法如圖2所示。
2.2排體水下定位及數(shù)據(jù)采集方法
水面定位采用GPS-RTK技術(shù)，利用ZHD-H32雙頻GPS在控制點(diǎn)CQ2處設(shè)置基準(zhǔn)站，測(cè)量船上采用ZHD-H32雙頻GPS作為流動(dòng)站，接收岸基電臺(tái)的差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確定位。
在排體的沉放過(guò)程中，將研制的小型水下信標(biāo)安裝在排體邊界上的預(yù)定位置，如圖3所示。為滿足測(cè)量精度，每個(gè)信標(biāo)內(nèi)部獨(dú)立編碼，進(jìn)行應(yīng)答管理，工作深度不小于20m，信號(hào)接收與發(fā)射距離不小于300m，定位精度不大于30cm，在水下的工作時(shí)間不小于48h。水下信標(biāo)在排體上的安裝位置，會(huì)直接影響數(shù)據(jù)采集和搭接計(jì)算的準(zhǔn)確度，必須遵守以下幾個(gè)原則：
a．為了保證排體檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，將信標(biāo)安裝在排體邊界，減少排體收縮變形產(chǎn)生的誤差。
b．作為非實(shí)時(shí)的鋪排檢測(cè)，所有信標(biāo)應(yīng)確保不被各類物體覆蓋。
c．安裝位置必須牢固，能客觀反映排體在下水后的伸縮變形情況。
d．安裝的方向應(yīng)能夠滿足信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最高狀態(tài)。
e．混凝土聯(lián)鎖塊的排體寬度，依據(jù)混凝土聯(lián)鎖排的寬度作為基準(zhǔn)，底層排布尺寸僅作為參考。
待信標(biāo)隨排體沉放完成后，利用長(zhǎng)基線接收聲頭獲取每個(gè)測(cè)量位置相對(duì)水下信標(biāo)的斜距信息，實(shí)現(xiàn)水下非實(shí)時(shí)精確定位，定位精度達(dá)到距離的0.1%~0.3%，水下相對(duì)定位示意圖如圖4所示。
將水下定位系統(tǒng)和GPS流動(dòng)站安裝至檢測(cè)船上，固定在船的側(cè)面或其他適當(dāng)位置，在檢測(cè)船上，通過(guò)采集軟件獲取相關(guān)固定點(diǎn)GPS和測(cè)距數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集方式如圖5所示。
3工程實(shí)例
長(zhǎng)興潛堤后方灘涂圈圍工程部分施工區(qū)域泥面標(biāo)高低于-7.0m，水深超過(guò)10m。由于造地區(qū)域河床表層地質(zhì)復(fù)雜，水文條件惡劣，基床需要進(jìn)行軟體排鋪設(shè)護(hù)底加固。在先期護(hù)底鋪設(shè)軟體排的過(guò)程中，傳統(tǒng)的鋪排施工定位采用人工吊錘或浮球的形式，受水流條件影響嚴(yán)重，定位不準(zhǔn)，工作效率低，容易造成軟體排搭接不能滿足要求。尤其是在深水區(qū)、大流速、高渾濁度、高邊坡等復(fù)雜工況下進(jìn)行鋪排作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)縮排、卷排、斷排等情況，嚴(yán)重影響了軟體排的鋪設(shè)質(zhì)量和施工進(jìn)展。因此，為了對(duì)水下鋪排狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保相鄰排體的搭接滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)避免不必要的浪費(fèi)，采用了長(zhǎng)基線聲學(xué)定位技術(shù)對(duì)水下排體的施工質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。
3.1排體檢測(cè)
根據(jù)項(xiàng)目的需求，于2015年3-5月，先后對(duì)工程堤中心軸線陡坡段處的3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)和圓弧段處的66號(hào)、67號(hào)排體進(jìn)行了檢測(cè)。項(xiàng)目采用了iTrack-LB3000長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下表所列。
3.2水下信標(biāo)定位精度檢驗(yàn)
為了檢驗(yàn)長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的綜合精度指標(biāo)，在長(zhǎng)興潛堤后方灘涂圈圍工程區(qū)域內(nèi)水深約3. 5m處，插入一根豎桿，接著將信標(biāo)與圓環(huán)相連，通過(guò)豎桿滑至泥面，然后將流動(dòng)站GPS天線固定在桿頂，調(diào)整豎桿為豎直狀態(tài)，采用長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)采集水下信標(biāo)的位置坐標(biāo)1。然后利用CPS-RTK技術(shù)采集豎桿的位置坐標(biāo)2，將坐標(biāo)1與坐標(biāo)2進(jìn)行對(duì)比檢查。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)應(yīng)答器解算坐標(biāo)位置與GPS-RTK采集的數(shù)據(jù)誤差為0. 289m。
3.3檢測(cè)結(jié)果分析
通過(guò)長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，采集預(yù)先安裝在排體上的信標(biāo)應(yīng)答單元的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)信標(biāo)坐標(biāo)位置和安裝記錄，即可模擬排體的輪廓，掌握排體的鋪設(shè)狀態(tài)。被檢測(cè)排體的位置關(guān)系如圖6所示。
由于被檢測(cè)排體多數(shù)位于工程堤中心軸線的陡坡段和圓弧段處，排體的分布不規(guī)則，為了描述相鄰排體的搭接寬度，分別對(duì)量測(cè)排體頭部、中部、尾部搭接寬度進(jìn)行檢測(cè)，以期能夠完整地表達(dá)排體之間的搭接狀態(tài)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，被檢測(cè)排體的頭部搭接寬度最小值為7. 73m，中部搭接寬度最小值為4. 79m，尾部搭接寬度最小值為1.52m。頭部、中部和尾部搭接寬度的最小值差別較大，鋪排定位有明顯的提升空間。6號(hào)和7號(hào)排體之間的搭接寬度平均值為7. 69m，排體自身的寬度約30m，排體的有效利用率僅為74. 4%，水下排體鋪設(shè)的經(jīng)濟(jì)性還有待于進(jìn)一步提高。
4結(jié)語(yǔ)
利用水下長(zhǎng)基線聲學(xué)定位技術(shù)，在復(fù)雜的施工環(huán)境下順利的采集水下排體的坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)了較精確的非實(shí)時(shí)水下定位，為水下排體施工定位控制和質(zhì)量檢測(cè)提供了安全、可靠和高效的新工藝、新方法，通過(guò)長(zhǎng)基線定位技術(shù)在長(zhǎng)興潛堤后方灘涂圈圍工程的應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：
