CN111579639A - 一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法 - Google Patents

一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，用于计算布署多台声呐进行扫描检测作业的测点位置，水下桩柱为圆截面的单桩或单墩柱；测点布设方法包括声呐环绕桩柱周侧设置的环向测点布设方法、声呐沿桩柱竖向旁侧设置的纵向测点布设方法；环向测点布设方法用于单桩或单墩柱、排桩柱（1×n）有承台、群桩柱（2×n）有承台的桩柱扫描作业；所述测点布设方法中，设α、β分别代表声呐工作参数的水平波束角、扫描范围的中心角，r代表桩柱尺寸的半径，l代表声呐与桩柱边缘之间的最短距离，α、β、r和l相互匹配；本发明能采用最优的测点数量与位置对水下桩柱进行完整的表观图像采集，最大程度的减少测点数量，提高检测效率。

Description

一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法
技术领域
本发明涉及桥梁水下桩柱缺陷检测技术领域，尤其是一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法。
背景技术
桥梁水下结构是确保桥梁安全稳定运行的重要组成部分。但是，由于水下结构长期处于复杂的水环境中，导致其形成各类损伤缺陷,且不易被发现。这些损伤、缺陷导致桥梁承载能力和耐久性降低,严重危及行车安全和桥梁的寿命。
近年来，随着科技的进步，检测仪器和检测技术得到了快速发展。其中，由于声呐仪器对环境的适应能力强，在浑水环境下仍能有效工作，并且具有更高效的检测效率，声成像技术得到了社会的广泛关注。但是，声呐目前大多应用于桩柱冲刷深度的检测及监测，对于桩柱墩表观的检测暂时停留在相对粗糙的定性检测阶段。现研究采用声呐设备对水下桩柱墩进行定性化检测，则声呐的测点布设成为至关重要的一个因素。
发明内容
本发明提出一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，能采用最优的测点数量与位置对水下桩柱进行完整的表观图像采集，最大程度的减少测点数量，提高检测效率。
本发明采用以下技术方案。
一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，用于计算布署多台声呐进行扫描检测作业的测点位置，所述水下桩柱为圆截面的单桩或单墩柱；所述测点布设方法包括声呐环绕桩柱周侧设置的环向测点布设方法，还包括声呐沿桩柱竖向旁侧设置的纵向测点布设方法；所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱、排桩柱(1×n)有承台、群桩柱(2×n)有承台的桩柱扫描作业；所述测点布设方法中，设α、β分别代表声呐工作参数的水平波束角、扫描范围的中心角，r代表桩柱尺寸的半径，l代表声呐与桩柱边缘之间的最短距离，α、β、r和l相互匹配。
当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱无承台，则l和r之间的关系是：
Figure BDA0002497518670000021
β的计算方法如下：
β＝2arcsin[(1+l/r)sin(α/2)]-α (公式2)；
测点所需个数用下述公式表示：
Figure BDA0002497518670000022
公式中α为声呐的水平波束角，int(x)函数和mod(x)函数分别表示整数值函数和分数值函数；
所述环向测点布设方法以Mod(2π/β0)对声呐扫描覆盖区域进行评估，当0≤Mod(2π/β0)<0.5时，表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较小，当0.5≤Mod(2π/β0)<1表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较大；
在所述环向测点布设方法中，若需提高重叠面积，可通过增加测点n的数值来实现。
当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱有承台，则使测点位置外移至承台旁侧处，在测点外移计算中，使各测点外移延伸的距离和角度一致，并使任一测点的扫描波束不会被相邻测点遮挡。
若有承台的桩柱按排桩柱(1×n)方式排列，或是按群桩柱(2×n)排列时，在完成测点外移计算时，若测点仍在承台内，则继续延伸位于承台内部的测点，直至测点位于承台旁侧，在此过程时，所有测点的外移计算需保证其扫描的发出的波束不会被相邻测点遮挡；
上述的计算方法用公式表示为：QA>r；
其中，QA是垂直于外移测点覆盖区域的边缘线并过相邻桩圆心点的线段，r桩柱尺寸的半径。
在对测点外移进行计算时，若测点扫描波束被遮挡而无法外移延伸，则在计算扫描作业的覆盖范围时，尝试通过相邻的未被遮挡测点进行扫描以补偿扫描覆盖范围，或是尝试增加补偿测点来替换被遮挡的测点以补偿扫描覆盖范围，从而保证扫描覆盖范围不变；
上述的计算方法用公式表示为：QB>r，SC>r；
其中，QB是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的边缘点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；SC是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的中心点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；r桩柱尺寸的半径。
所述纵向测点布设方法中，设声呐在桩柱面上扫描的垂直范围的高度为h；则有公式
Figure BDA0002497518670000031
公式中，l为声呐与桩柱的边缘之间的距离，R为声呐扫描范围的半径；
则所需的垂直方向测点数量m为：
m＝int(L/h)+1 (公式3-30)；
公式中L为处在水中的桩柱总长度。
在所述纵向测点布设方法中，m个声呐沿竖向均匀分布。
本发明能采用最优的测点数量与位置对水下桩柱进行完整的表观图像采集，最大程度的减少测点数量，提高检测效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明无承台单桩和单墩柱测点环向布设示意图；
附图2为本发明有承台单桩和单墩柱测点环向布设示意图；
附图3为本发明有承台群桩柱(2×n)环向测点布设示意图；
附图4为本发明环向测点替换示意图；
附图5为本发明竖向测点布设示意图；
图中：1-单桩(单墩柱)；2-承台；3-移动前测点；4-移动后测点；5-测点；6-补偿测点。
具体实施方式
如图1-5所示，一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，用于计算布署多台声呐进行扫描检测作业的测点位置，所述水下桩柱为圆截面的单桩1或单墩柱；所述测点布设方法包括声呐环绕桩柱周侧设置的环向测点布设方法，还包括声呐沿桩柱竖向旁侧设置的纵向测点布设方法；所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱、排桩柱(1×n)有承台、群桩柱(2×n)有承台的桩柱扫描作业；所述测点布设方法中，设α、β分别代表声呐工作参数的水平波束角、扫描范围的中心角，r代表桩柱尺寸的半径，l代表声呐与桩柱边缘之间的最短距离，α、β、r和l相互匹配。
当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱无承台2，则l和r之间的关系是：
Figure BDA0002497518670000041
β的计算方法如下：
β＝2arcsin[(1+l/r)sin(α/2)]-α (公式2)；
测点5所需个数用下述公式表示：
Figure BDA0002497518670000042
公式中α为声呐的水平波束角，int(x)函数和mod(x)函数分别表示整数值函数和分数值函数；
所述环向测点布设方法以Mod(2π/β0)对声呐扫描覆盖区域进行评估，当0≤Mod(2π/β0)<0.5时，表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较小，当0.5≤Mod(2π/β0)<1表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较大；
在所述环向测点布设方法中，若需提高重叠面积，可通过增加测点n的数值来实现。
当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱有承台，则使测点位置外移至承台旁侧处，在测点外移计算中，使各测点外移延伸的距离和角度一致，并使任一测点的扫描波束不会被相邻测点遮挡。
若有承台的桩柱按排桩柱(1×n)方式排列，或是按群桩柱(2×n)排列时，在完成测点外移计算时，若测点仍在承台内，则继续延伸位于承台内部的测点，直至测点位于承台旁侧，在此过程时，所有测点的外移计算需保证其扫描的发出的波束不会被相邻测点遮挡；
上述的计算方法用公式表示为：QA>r；
其中，QA是垂直于外移测点覆盖区域的边缘线并过相邻桩圆心点的线段，r桩柱尺寸的半径，详见附图3。
在对测点外移进行计算时，若测点扫描波束被遮挡而无法外移延伸，则在计算扫描作业的覆盖范围时，尝试通过相邻的未被遮挡测点进行扫描以补偿扫描覆盖范围，或是尝试增加补偿测点6来替换被遮挡的测点以补偿扫描覆盖范围，从而保证扫描覆盖范围不变；
上述的计算方法用公式表示为：QB>r，SC>r；
其中，QB是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的边缘点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；SC是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的中心点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；r桩柱尺寸的半径，详见附图4。
所述纵向测点布设方法中，设声呐在桩柱面上扫描的垂直范围的高度为h；则有公式
Figure BDA0002497518670000051
公式中，l为声呐与桩柱的边缘之间的距离，R为声呐扫描范围的半径；
则所需的垂直方向测点数量m为：
m＝int(L/h)+1 (公式3-30)；
公式中L为处在水中的桩柱总长度。
在所述纵向测点布设方法中，m个声呐沿竖向均匀分布。
以上公开的本发明优选实施例只是用于阐述本发明。优选实施例并未详尽地叙述所有的情况与细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容可作诸多的修改和变化。本说明书选取并具体描述的这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域的人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，用于计算布署多台声呐进行扫描检测作业的测点位置，其特征在于：所述水下桩柱为圆截面的单桩或单墩柱；所述测点布设方法包括声呐环绕桩柱周侧设置的环向测点布设方法，还包括声呐沿桩柱竖向旁侧设置的纵向测点布设方法；所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱、排桩柱(1×n)有承台、群桩柱(2×n)有承台的桩柱扫描作业；所述测点布设方法中，设α、β分别代表声呐工作参数的水平波束角、扫描范围的中心角，r代表桩柱尺寸的半径，l代表声呐与桩柱边缘之间的最短距离，α、β、r和l相互匹配。
2.根据权利要求1所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱无承台，则l和r之间的关系是：
Figure FDA0002497518660000011
β的计算方法如下：
β＝2arcsin[(1+l/r)sin(α/2)]-α (公式2)；
测点所需个数用下述公式表示：
Figure FDA0002497518660000012
公式中α为声呐的水平波束角，int(x)函数和mod(x)函数分别表示整数值函数和分数值函数；
所述环向测点布设方法以Mod(2π/β0)对声呐扫描覆盖区域进行评估，当0≤Mod(2π/β0)<0.5时，表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较小，当0.5≤Mod(2π/β0)<1表示声呐扫描在桩柱处的未覆盖区域相对较大；
在所述环向测点布设方法中，若需提高重叠面积，可通过增加测点n的数值来实现。
3.根据权利要求2所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：当所述环向测点布设方法用于单桩或单墩柱的桩柱扫描作业时，若桩柱有承台，则使测点位置外移至承台旁侧处，在测点外移计算中，使各测点外移延伸的距离和角度一致，并使任一测点的扫描波束不会被相邻测点遮挡。
4.根据权利要求3所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：若有承台的桩柱按排桩柱(1×n)方式排列，或是按群桩柱(2×n)排列时，在完成测点外移计算时，若测点仍在承台内，则继续延伸位于承台内部的测点，直至测点位于承台旁侧，在此过程时，所有测点的外移计算需保证其扫描的发出的波束不会被相邻测点遮挡；
上述的计算方法用公式表示为：QA>r；
其中，QA是垂直于外移测点覆盖区域的边缘线并过相邻桩圆心点的线段，r桩柱尺寸的半径。
5.根据权利要求4所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：在对测点外移进行计算时，若测点扫描波束被遮挡而无法外移延伸，则在计算扫描作业的覆盖范围时，尝试通过相邻的未被遮挡测点进行扫描以补偿扫描覆盖范围，或是尝试增加补偿测点来替换被遮挡的测点以补偿扫描覆盖范围，从而保证扫描覆盖范围不变；
上述的计算方法用公式表示为：QB>r，SC>r；
其中，QB是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的边缘点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；SC是垂直于外移声呐测点与未外移测点波束覆盖范围的中心点相连接的线段，并过相邻桩圆心点的线段；r桩柱尺寸的半径。
6.根据权利要求1所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：所述纵向测点布设方法中，设声呐在桩柱面上扫描的垂直范围的高度为h；
则有公式
Figure FDA0002497518660000021
公式中，l为声呐与桩柱的边缘之间的距离，R为声呐扫描范围的半径；
则所需的垂直方向测点数量m为：
m＝int(L/h)+1 (公式3-30)；
公式中L为处在水中的桩柱总长度。
7.根据权利要求6所述的一种成像声呐扫描桥梁水下桩柱缺陷的测点布设方法，其特征在于：在所述纵向测点布设方法中，m个声呐沿竖向均匀分布。
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