高分辨率隧洞检测新方法——360°图像声呐应用实例
2019-08-08
目前对于绝大多数的水务、水电及矿业用户来说，准确地进行通水隧道、竖井及水下洞穴完整性扫测是一项极富挑战的任务。虽然把隧洞里的水放掉是一种解决方法，但这可能会可能会因为压强对这些设施造成其他的损坏。此外，放水操作也是费用非常高的一种方式，某些情况下会造成生产力的损失。近些年也有一些单位开始使用ROV进行管道内部图像及声呐数据采集，但由于管道内的低可视度，摄像头采集的视频数据通常是不完整的或是不清晰的。
使用声呐技术进行三维数据采集是很有优势的，因为它可以采集隧洞内的准确剖面数据。一般会使用单波束扫描声呐进行单线扫测以做周期性的巡检。在这种任务中，ROV必须在扫描中保持固定位置。此外，如果声呐需要连续扫描隧洞，还需要进行螺旋形的剖面扫描，但是这些覆盖是非常有限的，可能会错过某些重点区域。
偶然情况也会使用高分辨率多波束测深仪进行扫测，但如果需要360°覆盖的话需要集成使用多个多波束探头，这样的话设备体积过大且费用高昂。并且需要使用更大的ROV进行搭载，这又会带来新的问题。
本案例中介绍的Blueview T2250多波束扫描声呐为紧凑型的整体解决方案，能够获取厘米级高密度三维数据。它使用了高频率低功率声学多波束技术，发出2100个重叠窄波束来生成连续360°剖面，将数据通过20Hz的数据刷新率导入Teledyne PDS软件内，从而产生高密度的三维点云数据，可以清晰地展示隧洞的结构细节。T2250主要用来ROV搭载，但通过内置的数据采集器也可以比较方便地进行AUV集成，通过该设备检测单位可以避免任何排水风险，使用现有的ROV技术进行隧洞扫测。以下将对芬兰Loxus Technologies公司使用T2250实测案例进行介绍。
使用产品： Teledyne BlueView T2250 360°多波束图像声呐及Teledyne PDS软件
应用： 淡水隧洞检测
项目名称： 派延奈通水隧洞
施工单位： LOXUS Technologies公司
日期： 2016年5月
位置： 芬兰南部派延奈湖
图| ROV被带到通水隧洞入口处的竖井
图| 隧洞入口的布置需要非常小心
图| 隧洞入口处和项目现场
图| 运送ROV到隧洞布置区域
芬兰南部的派延奈通水隧洞是世界上第二大隧洞，长度总计120km，横截面积约16平方米，可允许通过每秒10立方米的水流速度。隧洞1982年建成，离地表岩石层30-100米，向大赫尔辛基地区的超过一百万人口输送来自派延奈湖的饮用水。
近些年隧洞的部分区域进行了维修工作，但由于很难到达这些区域，这些维修的完整性及持久性检查工作一直没有完成。但是为了确保隧洞的完整，避免坍塌，定期巡检工作是非常重要的。因而避免因排水导致的额外费用和风险即可获取准确的高精度三维数据的方案非常适合这种情况。
该方案使用的ROV是来自挪威的ROV品牌Sperre SUB-Fighter 15k ROV系统。该ROV系统配备了矢量推进器，非常容易操作，并且考虑到了隧洞长度，配备了超过7000米的脐带缆，可以从外面的控制集装箱远程对ROV进行控制操作。它可以搭载Teledyne BlueView T2250 360°多波束图像声呐，采集隧洞内的三维点云数据，通过Teledyne PDS软件进行声呐成像并传输到外界，并同时使用ROV的摄像头进行视频采集。
这项工作是非常具有挑战性的，因为隧洞的入口点在10km之外，并且某些区域因为有紧急转弯，收放非常困难。并且远程的检查作业点没有任何可用设施，所以每次开工前需要将所有的东西，包括电源、帐篷等运送到这些作业点。
由于距离较长，ROV运动速度不能过快。它进入隧洞越远，由于拖动导致速度越慢，返程甚至会更慢，并且为了防止隧洞内ROV出现问题，操控需要特别精准。由于距离、水流及入口因素，不得不在隧洞内回收ROV是一项极富挑战的工作。但ROV控制集装箱内可以实时显示剖面和点云数据可以在低能见度下进行环境可视化，也辅助了ROV的操控。同时定位信息也会直接输入到PDS软件里，确保获取到有问题部分的准确定位信息（ROV提供的标准艏向、横摇、纵摇、深度及其他传感器信息会使用Teledyne RESON制造的精准电缆计数器结合在一起）。
隧洞没有经过排水过程即完成了检测工作。并且检测过程获取了高分辨率点云数据，以便工程师可以对结构完整性进行全位面的准确测量。在数据模型中即使是长度20到30厘米的松动石块都能检测到（在此之前，只能通过花费几个小时查看视频寻找这类目标）。
归功于系统的高刷新率，用户采集到了详细全面的三维数据库。多波束图像声呐相较于单波束扫描图形声呐能够带来隧洞更详细的信息，也更节省时间。同时它的外形又非常紧凑，可以集成在现有的水下潜器上。而且剖面测量是实时显示记录的，既可以辅助ROV航行，也可以为进一步分析提供永久的三维数据集。系统使用了Teledyne PDS用于三维在线可视化显示，它可以提供多个实用的视角来辅助ROV领航员，并且通过它的三维编辑功能，可以进行离线分析后处理。
通过此次项目，此前用户一直担忧的维修工作质量顺利进行了验收，检测的同时也记录了结构的完整性，以进行后续的定期巡检。这样的作业方式无需损坏隧洞，水流甚至有所增加。
图| 展示隧道完整性的三维剖面数据成像
图| 展示隧道完整性的三维剖面数据成像
