雙頻識別聲吶水下影像監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

陳星辰　陳　斌

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤　223126)

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雙頻識別聲吶水下影像監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

陳星辰陳斌

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤223126)

【摘要】本文介紹了雙頻識別聲吶水下影像監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，對通過仿射變換特征圖像配準(zhǔn)法對數(shù)據(jù)進行處理得到清晰整體圖像的核心技術(shù)進行了分析論證；并通過系統(tǒng)在三河閘水下結(jié)構(gòu)損壞監(jiān)測中的運用情況，闡述了系統(tǒng)在我國水利工程水下監(jiān)測中的推廣應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】雙頻識別聲吶水下影像系統(tǒng)；監(jiān)測；應(yīng)用

1概述

目前對水利工程水上結(jié)構(gòu)部分的監(jiān)測方法較多，技術(shù)也已成熟，但對于工程水下結(jié)構(gòu)部分的監(jiān)測技術(shù)還很缺乏。水工建筑物水下結(jié)構(gòu)如果發(fā)生裂縫、沖坑、剝蝕等損壞，由于處于運行檢查、觀測的盲區(qū)，在水流的作用下?lián)p壞的部分發(fā)生和擴展非常迅速，工程維修加固不及時極易發(fā)生安全事故，造成不可估量的損失。因此研制一款科學(xué)、高精度的現(xiàn)代化水利工程水下結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，進行科學(xué)、有效的監(jiān)測顯得極為重要。

本文通過雙頻識別聲吶水下影像影系統(tǒng)的闡述及在三河閘損壞檢測中的應(yīng)用，提出了應(yīng)用雙頻識別聲吶技術(shù)監(jiān)測水工建筑物損壞的應(yīng)用前景，不但彌補了水工建筑物水下?lián)p壞監(jiān)測的空白，而且提高了工程損壞診斷評估的效果和效率，較好地解決了水工建筑物水下部位損壞的監(jiān)測手段，為工程運行維護和加固提供了依據(jù)。

2雙頻識別聲吶工作原理

雙頻識別聲吶具有較高分辨率，可以在黑暗渾濁能見度極低的水中，利用聲學(xué)透鏡通過聲波聚焦形成非常狹窄的波束生成接近光學(xué)照片畫質(zhì)的圖像，是目前唯一運用聲學(xué)透鏡的聲吶，其實質(zhì)是一臺水下高性能攝像機。根據(jù)監(jiān)測對象和監(jiān)測目的的需要，前期可設(shè)計監(jiān)測路線、控制儀器工作姿態(tài)，后期對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一定的處理。

2.1工作特性及參數(shù)

雙頻識別聲吶工作時，其主體通過電纜與接線盒連接，再通過網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集用的電腦相連，主要部分與連接方式如圖1所示。其中，雙頻識別聲吶主體由聲透鏡和電子艙組成，工作時通過聲學(xué)透鏡對波束進行壓縮，聚焦形成非常狹窄的波束生成接近光學(xué)照片畫質(zhì)的圖像，如圖2所示。

雙頻識別聲吶有兩個工作頻率(低頻1.1MHz和高頻1.8MHz)，工作時的視角水平方向為29°，垂直方向為14°，高頻水平方向共發(fā)射96條波束，波束寬為0.3°，最大探測量程為10m，低頻水平方向共反射48條波束，波束寬度為0.6°，最大的探測量程為40m。

圖1　雙頻識別聲吶主體及工作連接方式

圖2　雙頻識別聲吶透鏡及成像方式

標(biāo)準(zhǔn)型雙頻識別聲吶主要的特性見表1。從中可以看出，其成像清晰、體積小、重量輕，便于安裝和攜帶。根據(jù)不同的用途，可以手持觀測、支架安裝、AUV 搭載、ROV 搭載等，安裝如圖3所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)型雙頻識別聲吶主要的特性

圖3　雙頻識別聲吶船上工作圖

2.2主要成像特點

雙頻識別聲吶是利用聲學(xué)透鏡對聲波進行壓縮匯聚，形成狹窄的波束，得到高清的圖像數(shù)據(jù)。這也是目前唯一一款使用聲學(xué)透鏡來壓縮波束的聲吶，使用聲學(xué)透鏡壓縮波束主要有兩個優(yōu)點：?壓縮波束不需要消耗能量，其工作功率只有 30W；?很容易發(fā)射和接收同一波束，不會與其他波束相混淆，從而出現(xiàn)接收錯誤的波束。

雙頻識別聲吶發(fā)射的波束經(jīng)過物體表面時，根據(jù)回波的強度來顯示圖像。波束的頻率高，在對其圖像進行顯示時會出現(xiàn)聲學(xué)陰影的現(xiàn)象。

運用雙頻識別聲吶探測物體時，只要根據(jù)物體與儀器的距離調(diào)整好雙頻識別聲吶的位置與角度，保證目標(biāo)物在雙頻識別聲吶的探測視野范圍內(nèi)，就可以獲得較好的成像。

2.3雙頻識別聲吶系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理

2.3.1處理方法

水下雙頻識別聲吶(DIDSON)運用聲頻“鏡頭”，在黑暗或渾水中能生成幾乎等同影像質(zhì)量圖像的高清晰度聲吶影像，但是雙頻識別聲吶儀器由于受儀器觀測視場及物理性能的限制，每次只能獲取一定范圍內(nèi)的掃描影像，無法一站式獲取某觀測體的完整數(shù)字影像，因此無法直觀地全面了解觀測體的外觀及特征點而獲得其損壞情況，因此外業(yè)監(jiān)測結(jié)束后需由雙頻識別聲吶圖像數(shù)字化處理系統(tǒng)進行識別與讀圖。后處理系統(tǒng)的核心是用特征圖像配準(zhǔn)法得到水下完整清晰的圖像，從圖像中獲得建筑物的水下特征點(損壞情況)，同時結(jié)合高精度GPS定位系統(tǒng)，對水下?lián)p壞準(zhǔn)確定位，為工程維修加固提供第一手資料。

2.3.2基于仿射變換的特征圖像配準(zhǔn)法

特征圖像配準(zhǔn)法是該檢測系統(tǒng)的核心，分為特征提取、變換模型、坐標(biāo)變換與插值、圖像配準(zhǔn)實現(xiàn)等步驟，其目的是將不同的場幅圖像進行無縫配接，形成直觀、完整、清晰的圖像，以便判讀分析。

2.3.2.1特征提取

在正式進行圖像配準(zhǔn)之前，對各場幅圖像(參考圖像)和待配準(zhǔn)圖像進行準(zhǔn)確而有效的圖像特征提取是十分重要的。它不僅能夠提高圖像匹配的準(zhǔn)確性，還可以提高匹配速度。該步驟要把握以下3個方面：

a.抽取的控制點在圖像中的分布要均勻。

b.所選擇的控制點在待配準(zhǔn)圖像和參考圖像中的定位應(yīng)同步一致。

c.控制點所處區(qū)域或其周圍區(qū)域的特征應(yīng)獨特。

2.3.2.2仿射變換

仿射變換是常用的變換模型，是根據(jù)參考圖像和待配準(zhǔn)圖像之間所產(chǎn)生的幾何上的畸變，選擇可以擬合兩圖像之間變化情況的最優(yōu)幾何模型。

仿射變換步驟如下：

a.用控制點求得變換參數(shù)，將參考圖像的坐標(biāo)按參數(shù)進行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)變換。

b.經(jīng)過對坐標(biāo)軸的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)后得到各圖像點陣原坐標(biāo)在新坐標(biāo)領(lǐng)域中的值。

仿射變換形式為：

f(x)=Hx+k

其中，H是變形矩陣，k是平移矢量。在二維空間中，H可以按照4步進行分解：平移、縮放、扭曲、旋轉(zhuǎn)。

變換后的矩陣為：

3應(yīng)用

三河閘是淮河流域性骨干工程，同時也是淮河下游入江水道的控制口門，屬特大型水利工程。它是新中國成立初期我國自行設(shè)計、施工的大型水閘，設(shè)計流量12000m3/s， 1952年10月動工興建，1953年7月建成放水。閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63孔，每孔凈寬10m，閘孔凈高6.2m。閘底板高程7.5m，單塊底板寬18m，共21塊底板；水閘建成后已運行63年，發(fā)揮了巨大的興利與防洪減災(zāi)效益，其經(jīng)濟社會效益不可估量。

3.1檢測內(nèi)容

對24號、47號等閘孔的閘室底板、伸縮縫、檢修門槽，檢查有無缺陷、破損、剝蝕及淤積等問題。

3.2現(xiàn)場監(jiān)測情況

現(xiàn)場試驗于2013年10月16—18日進行。監(jiān)測時上游閘室水深6.0m左右。

3.3部分監(jiān)測結(jié)果

24號與47號閘孔監(jiān)測情況見表2，對應(yīng)水下監(jiān)測圖像見圖4~圖6。

表2　監(jiān)　測　情　況

圖4　監(jiān)測圖像(一)

圖5　監(jiān)測圖像(二)

圖6　監(jiān)測圖像(三)

4結(jié)論與展望

雙頻識別聲吶水下影像監(jiān)測系統(tǒng)通過聲學(xué)原理成像，彌補了光學(xué)成像系統(tǒng)受環(huán)境光源亮度、水體透明度及環(huán)境對比度限制的缺陷，在渾濁、昏暗水體中也能清晰成像，可為水工建筑物的水下?lián)p壞監(jiān)測提供直觀、連續(xù)、可記錄的影像資料，結(jié)合監(jiān)測成果的后期技術(shù)處理，可得到理想的圖片效果，同時可對監(jiān)測的多幅圖像通過預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、坐標(biāo)定位處理，獲得水工建筑物監(jiān)測區(qū)域整體清晰的圖像及位置信息，實現(xiàn)對水工建筑物水下?lián)p壞及位置的準(zhǔn)確反映，從而達到監(jiān)測水下?lián)p壞的目的。

新中國成立以來，我國興建了大批水利工程，取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。目前，這些水利工程大部分投入運行年數(shù)較久，在復(fù)雜的自然條件和外力作用下，發(fā)生了不同程度的損壞，已經(jīng)嚴重影響工程的安全運行與效益，因此，需要對建筑物水下狀況進行監(jiān)測取得第一手資料，以便于進行科學(xué)的維護與加固，確保工程安全運行、發(fā)揮效益。雙頻識別聲吶水下影像系統(tǒng)監(jiān)測方法簡單、方便、準(zhǔn)確、性價比高，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻

鄭金堂，陳星辰.三河閘上下游地形與泄流流態(tài)異常關(guān)系淺析[J].水利建設(shè)與管理，2013(3):18-21.

Dual-frequency identification sonar underwater image monitoring

system and its application

CHEN Xingchen, CHEN Bin

(JiangsuHongzeLakeWaterConservancyProjectManagementOffice,Hongze223126,China)

Abstract:This paper introduces the working principle of dual-frequency identification sonar underwater image monitoring system. Affine transformation characteristics image registration algorithm is applied for processing data, thereby obtaining clear and integral images. The core technology is analyzed and demonstrated. Promotion and application prospect of the system in China water conservancy engineering underwater monitoring is described through analyzing operation condition of the system in Sanhe gate underwater structure damage monitoring.

Key words:dual-frequency identification sonar underwater image system; monitoring; application

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.006 10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.008

中圖分類號：TV698.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8241(2015)11-0022-04