王洪斌，吴乃红，孙文慧

（水利部机电研究所，天津 301900）

1 引言

涵洞和管道作为重要的交通和供水设施，承担着重要的运输任务。但是，在使用过程中，由于多种因素的影响，涵洞和管道内部的金属结构可能会出现损坏、腐蚀等问题，给安全运输和供水带来隐患。因此，对涵洞和管道内部的金属结构进行安全检测变得非常重要。

传统的涵洞和管道内部金属结构检测方法主要是人工巡检，这种方法效率低、成本高、易出错。为此，本文提出一种水下金属结构自动探测系统，通过水下机器人、高清摄像头、声呐探测设备和管道检测软件的组合，实现涵洞内部及管道内部金属结构的安全检测。

水下金属结构探测是近年来广泛关注的研究领域，主要用于海洋工程、水下管道、涵洞等领域的安全检测。该方案采用高清摄像头和水下机器人相结合，能够在水下环境中实时监测和探测金属结构的状况，大大降低了检测人员的危险环境，保证了人身安全。实验结果表明，该系统具有较高的准确性和稳定性，能够有效地应用于水下金属结构的探测领域。

2 系统设计

2.1 水下机器人

水下机器人是本系统的核心组成部分，它能够在涵洞和管道内部进行自主巡航和探测。水下机器人采用全自主式控制系统，能够根据预设路径自主巡航，同时根据探测情况进行实时调整。水下机器人是本系统的核心部件，它主要由机体、推进器、控制系统、传感器、通信系统等组成。机体采用防水、抗压、耐腐蚀的材料制成，具有较高的机械强度和耐久性。推进器采用多种形式，如螺旋桨、喷水推进器等，可以实现机器人的前进、后退、左右、上下等各向运动。控制系统采用遥控和自主控制两种方式，可以实现对机器人的远程控制和自主导航。水下机器人的外壳采用高强度材料制成，具有优异的防水性能和抗压力性能[1]。

图1 水下机器人及控制

2.2 高清摄像头

高清摄像头是水下机器人的重要配件，它可以拍摄高清晰度的涵洞及管道内部图像，实现对金属结构的可视化检测。本系统采用CMOS 图像传感器，具有较高的分辨率和灵敏度，能够在较暗的环境下进行拍摄。同时，经过图像处理和识别算法，可以自动识别金属结构，实现对金属结构的快速检测。高清摄像头是用于获取管道内部图像信息的设备。该设备采用全高清模式，能够获取清晰的图像信息，对管道内部金属结构的损伤、腐蚀等问题进行观察和检测。

2.3 声呐探测设备及技术研究

声呐探测[2]设备是水下机器人的另一重要配件，它可以通过声波的反射和回声，实现对涵洞及管道内部金属结构的探测和定位。声呐探测设备采用多波束技术和扫描技术，可以实现对金属结构的准确定位和距离测量。同时，结合高清摄像头的图像处理技术，可以实现对金属结构的三维重建和形态分析。

声呐探测设备通过发射声波信号对管道内部金属结构进行探测，并将探测结果传输给管道检测软件进行分析和处理。声呐探测设备具有高灵敏度、高精度、高稳定性等优点，能够有效提高检测效率和准确度。

声呐探测在水下金属结构探测中具有广泛的应用价值。首先，声呐探测可以实现对水下金属结构的定位和测量。通过测量声波的传播时间和路径，可以确定水下金属结构的位置和形状。其次，声呐探测可以实现对水下金属结构的识别和分类。通过分析声波信号的频谱、幅度和相位等特征，可以判断水下金属结构的材料和类型。此外，声呐探测还可以实现对水下金属结构的实时成像。通过将声波信号转换为图像，可以直观地观察水下金属结构的分布和形态。

声呐探测技术在水下金属结构探测中仍然存在一些问题和挑战。由于声波在水中的传播受到多种因素的影响，如水下环境的复杂性和水下金属结构的多样性，导致声波信号的传播路径和特性难以准确预测和模拟。再有，声呐探测技术在实际应用中需要考虑能量损耗、噪声干扰和多路径效应等问题，以提高探测的精度和可靠性。最后，声呐探测技术在水下金属结构探测中的实时成像技术还需要进一步发展，以满足对水下金属结构的高分辨率成像需求。

声呐探测技术作为水下金属结构探测的重要手段，已经取得了显著的发展。未来声呐继续研究可以从以下几个方面展开。首先，可以进一步研究声波在水中的传播特性和声呐系统的性能优化，以提高声呐探测技术对水下金属结构的探测效果。其次，可以开展声呐探测信号处理算法的研究，以提高对水下金属结构的识别和分类精度。最后，可以研究新型的声呐探测技术，如多波束声呐和多频声呐，以实现对水下金属结构的高分辨率成像。总体来看，声波传播特性、信号处理算法和新型声呐探测技术等方面展开研究是未来的发展方向，可以进一步提高声呐探测技术在水下金属结构探测中的应用效果和精度。

2.4 涵洞及管道检测系统软件

涵洞及管道检测系统[3]软件是本套系统的关键部件，它是数据处理和分析的核心工具。管道检测软件主要包括数据采集、数据处理、图像识别、报警处理等功能模块。数据采集模块负责从水下机器人传回的传感器数据和图像数据中提取有用信息；数据处理模块通过算法处理和分析数据，实现对金属结构出现缺陷时的自动识别和定位；图像识别模块通过图像处理和识别算法，实现对金属结构的自动分析；报警处理模块负责对金属结构的危险程度进行判断和处理，及时报警并采取相应的措施。

涵洞及管道检测系统软件是用于对声呐探测设备获取的数据进行分析和处理的软件。该软件能够自动识别管道内部金属结构的类型和状态，并进行分析和评估。同时，该软件还能够生成相应的检测报告，为后续维护和管理提供参考。

3 系统应用

本系统在实验过程中，准确、快速地检测出了涵洞内和管道内部的金属结构，取得了较好的应用效果。在实验中，本系统实现了对涵洞及管道内部金属结构的自动探测和识别，同时实现了对金属结构的三维重建和形态分析，为涵洞及管道的安全检测提供了有效的技术手段。具有较高的实用价值和推广前景。在实际应用中，可以通过对水下机器人进行控制，使用高清摄像头获取管道内部图像信息，同时使用声呐探测设备探测管道内部金属结构，并将数据传输给管道检测软件进行分析和处理。该系统具有高效、准确、可靠，还具有体积小、重量轻、成本低等优点，能够有效保障涵洞内部及管道内部金属结构的安全。

通过对实际涵洞和管道进行试验验证，结果表明本系统应用的水下金属结构探测方法可以实现对涵洞和管道内部金属结构的高精度检测和成像。实验结果显示，该方法具有较高的准确性和可靠性。同时降低了人员在水下的操作难度和水下操作人员人身安全危险系数。

4 结语

本文设计并开发了一种水下金属结构自动探测系统，主要包括水下机器人、高清摄像头、声呐探测设备以及管道检测软件等部分，具有高效、准确、可靠等优点。实验结果表明，本系统可以准确、快速地检测出涵洞内部和管道内部的金属结构，具有很高的实用价值和推广前景。

在实际应用中，该系统可以保障涵洞内部及管道内部金属结构的安全，提高交通和供水设施的可靠性和安全性。未来，我们将进一步完善和优化本系统，实现更高效、更精确的涵洞及管道安全检测。