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哈尔滨工程大学水声工程学院，中国哈尔滨，邮编 150001
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1 引言
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理论分析和实测试验都表明，以水下遥控机器人(ROV)为载体，以声纳为主要探测设备的探测技术是很有效的堤坝安全检测技术。 采用不同频段的声纳设备和不同的信号处理方法，既可以探测堤坝表面的破损，又可以探测坝体内部的缺陷；而ROV可以携带这些仪器和设备，按着固定的编程路线或操作员指定的部位进行巡航和扫描检查，从而可以由表及里地对坝体进行全方位检测，可以达到潜水员和其他物探仪器检测所无法达到的深度、广度、和分辨率。 2 堤坝安全的声探测原理
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。实际上，更大的危险是坝基和坝肩被剥离和淘空等。后者由于所处位置较为隐蔽，采用地球物理勘测技术可能会更有效。
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（即频率尽可能高）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差。
解决这些问题的办法是：(1) 在探测堤坝表面时，选用高频声信号；(2) 探测坝体内部时选用合适的中心频率和带宽宽的信号以及Chirp技术，从而使各项相互矛盾的指标达到一个合理的折衷。
3 系统构成
系统中主要包括ROV载体、高分辨率图像声纳、剖面声纳和水下电视等。
下面就几个主要的分系统进行描述：
(1) ROV载体为框架式、模块化结构，可以方便地装载不同的探测模块。
它具有罗经、多普勒声纳、测高声纳、测距声纳等导航设备；六个推进器在控制器的控制下可以使ROV完成四个自由度的运动（前后、上下、左右移和旋转）。
金属表面耐磨涂层隐藏滑轨(2) 高分辨率图像声纳的信号频率为1.0MHZ，它是由128声基元线阵、
信号调理器、数字波束形成器和信号处理与显示器构成。为了获取高的横向和纵向分辨率，发射机和波束形成器所形成的基本分辨单元为o
0.35×o10（短发射阵），
0.35×o
0.5（长发射阵）和o
观测视角分别为o 40×o 0.5和o 40×o毒死蜱颗粒剂
10。高分辨率声纳边探测、边随机器人运动，从而获取坝体表面的三维声图像。
由于频率较高，数字化后数据率很大，因而采用了9片最高速DSP 芯片（TMS320C6416）进行并行处理, 并通过光纤将波束形成后的信号传至水面显示单元。高分辨率图像声纳的原理框图如图1所示。
(3) 担负探测坝体内状况的剖面声纳的信号频率范围为11KHZ~22KHZ ，采用Chirp 信号发射和拷贝相关接收处理技术，可以得到较高分辨率的坝体内剖面切片图像，并随ROV 的运动，获取坝体内的三维图像。在设计剖面声纳时，对穿透深度、纵向和横向分辨率等参数进行了综合考虑和优化处理。其技术难点在于低噪声、大动态范围、大功率发射等电路的设计和调试。剖面声纳的原理框图如图2所示。
4 实验结果
在ROV 系统调试完成后，分别在哈尔滨工程大学的实验水池和长江葛洲坝电厂进行了部分实体的探测检验。其中图1为葛洲坝1号消力池淤泥表面和砼表面等高线图；图2为葛洲坝13号机组进水口冲损状态的三维和二维图；图3为不同介质模型表面的分层图；图4为葛洲坝一号消力池的分层结构三维图；图5为ROV 所携水下微光电视探测到的坝体裂缝图。
图1. 葛洲坝1号消力池淤泥表面和砼表面等高线图
图2. 葛洲坝13号机组进水口冲损状态的三维和二维顶视图
图3. 不同介质模型表面的分层图
图4. 葛洲坝一号消力池的分层结构三维图
图5. ROV所携水下微光电视探测到的坝体裂缝图。
5 结论
仿真研究和实物测试的结果表明，以水下遥控机器人为载体，采用声探测仪器并附以水下电视等探测设备，可以在水中完成对堤坝表面和内部破损状况的测量。其探测的分辨率、探测的深度和广度都是令人满意的。从而为我国堤坝的安全检测提供了一种新的、强有力的手段。这台机器人系统及探测仪器还可在其他水下工程领域进行推广应用。
