CN101769778B - 港口航道水深实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的港口航道水深实时监测方法包括以下步骤：以一定的倾斜角度安装于航道一侧的水下声纳发射组件将超声波入射到航道底部中心位置，并经过航道底部反射至安装于航道另一侧的水下声纳接收组件；水下声纳接收组件接收超声波信号，并基于所述信号获取航道水深参数；将航道水深参数传送到监控中心。采用本发明的方法和系统，不会影响航道的正常运营，可以工作在大风、大浪等恶劣环境下，系统结构合理、安装简单、成本低、测量精度高，更适用于航道狭窄的工程实际，有利于推广普及应用。

Description

港口航道水深实时监测方法及系统

技术领域

本领域涉及一种港口航道水深实时监测方法及系统。

背景技术

港口泥沙淤积现象在世界范围内普遍存在，由于其直接影响安全航行和航运效益，各有关国家对此十分重视，开展了多种泥沙淤积预报理论和现场监测技术的研究。目前，港口航道淤积的测量方法有直接测量法和间接测量法。

直接测量法的常用手段是利用船载双频测深仪、侧扫声纳、多波束测深系统等进行水下淤泥厚度的测量。该方法虽然能够直接测量出淤积不严重的港口的淤积状况，但测量时存在以下问题：要想实现实时监测，需要测量船反复不断地在港口进行测量，这样就会影响航道的正常运营；在大风浪等恶劣环境下，测量船不能够出航测量。

间接测量法是利用光学或声学方法测量出不同时段的水深，结合相应的潮位信息推算出淤积厚度，主要手段有机载激光测量法和预报模型法。其中：

(1)机载激光测深技术是集成激光、全球卫星定位与导航、自动控制、航空、计算机等前沿技术，以直升机或固定翼飞机为平台，从空中向海面发射激光束来测量水深的海洋高技术。机载海洋激光测深系统通过分析激光测海的回波波形来确定海底的位置。

该方法存在缺点：利用该方法的探测深度与激光功率大小、接收机的效率、水体浑浊程度和背景噪声影响有关。浑浊水体探测深度和测深精度相对较低，而且以直升机或固定翼飞机为平台成本太高。

(2)由于港口航道的泥沙淤积受到风浪、潮流、泥沙运动等各种因素的影响，所以如果想了解预定港口的淤泥淤积情况，需要结合潮汐、气象、海流、流体力学、水动力学等多门学科的基本理论建立数学模型来预测航道泥沙淤积规律。

但是，已有文献中所建立的淤积预报模型，均需要知道港口风浪的数值模型，潮流的数值模型，泥沙运动的数学模型和航道回淤模型，所以建立的模型均带有较大的经验性。模型中的一些参数取值的合理性以及所代表的物理背景尚存质疑和争论，因此现有技术所采用方法的客观性存在问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种方便简捷的港口航道水深实时监测方法和简单实用、测量精度高的港口航道水深实时监测系统。

本发明提供的港口航道水深实时监测方法包括：以下步骤：a.以一定的倾斜角度安装于航道一侧的水下声纳发射组件将超声波入射到航道底部中心位置，并经过航道底部反射至安装于航道另一侧的水下声纳接收组件；b.水下声纳接收组件接收超声波信号，并基于所述信号获取航道水深参数；c.将航道水深参数传送到监控中心。

优选地，在步骤a中：发射换能器和接收换能器以相同角度相对航道底部中心位置对称安装。

优选地，发射换能器与接收换能器通过GPS同步技术实现同步开启。

优选地，所述倾斜角度为0-90度。

优选地，在步骤b中，采用短时能量法和多途时延估计算法对所述超声波信号进行端点检测和多途分离，以便获取航道水深参数。

本发明还提供了一种港口航道水深实时监测系统，所述系统包括：发射换能器、接收换能器和监控中心，其中，所述发射换能器和接收换能器分别安装在航道两侧；监控中心与所述接收换能器无线连接。

优选地，水下声纳发射组件包括发射换能器及其驱动模块、GPS授时模块、无线数据传输模块、电源管理模块及蓄电池。

优选地，水下声纳接收组件包括：接收换能器、声纳接收驱动模块、数据采集与处理模块、无线数据传输模块、GPS授时模块、高精度计时模块、电源管理模块、海水温度采集模块及蓄电池。

优选地，监控中心包括服务器和无线数据传输模块。

采用本发明的方法和系统，只需将测量系统安装到航道的两侧即可，不会影响航道的正常运营，与现有技术相比，可以提高船舶运营效益。

本发明的港口航道水深实时监测系统可以工作在大风、大浪等恶劣环境下，可以实时掌握港口航道的淤泥变化规律，为船舶的安全运行提供保障。

本发明的港口航道水深实时监测系统的测量精度高，可以准确获得港口航道水深参数，进而可以减少挖泥工作的盲目性，有效地提高挖泥工程的工作效率，大大减少挖泥工程作业的成本，提高航道维护工作的效益和效率。

而且，本发明港口航道水深实时监测系统结构合理、安装简单、成本低，更适用于航道狭窄的工程实际，有利于推广普及应用。

附图说明

图1表示本发明港口航道水深实时监测方法的测深原理示意图；

图2(A)表示本发明港口航道水深实时监测系统的结构示意图；

图2(B)表示图2(A)所示系统中水下声纳发射组件的结构示意图；

图2(C)表示图2(A)所示系统中水下声纳接收组件的结构示意图；

图2(D)表示图2(A)所示系统中监控中心的结构示意图。

具体实施方式

本发明的港口航道水深实时监测方法包括以下步骤：以一定的倾斜角度安装于航道一侧的水下声纳发射组件将超声波入射到航道底部中心位置，并经过航道底部反射至安装于航道另一侧的水下声纳接收组件；水下声纳接收组件接收超声波信号，并基于所述信号获取航道水深参数；将航道水深参数传送到监控中心显示。

其中，优选地，发射换能器和接收换能器以相同角度相对航道底部中心位置对称安装。所述倾斜角度是指声传播方向与水平面的夹角，是由需要监测的航道的宽度及水深范围决定的，优选为0-90度。

发射换能器与接收换能器通过GPS同步技术实现同步开启。GPS同步技术是指利用GPS授时系统所提供的精确时间信息来实现航道两侧发射换能器和接收换能器的同步工作。GPS同步技术可以通过高精度GPS授时模块来实现。

在步骤b中，从采集获得的大量水声数据中采用软件算法分离出有效水声信号。采用短时能量法和多途时延估计算法对所述超声波信号进行端点检测和多途分离，以便获取航道水深参数。

图1示出了本发明的测深原理示意图，港口航道水深实时监测方法其测量原理为：在港口航道两侧定点安放一对换能器，其中一侧为发射换能器，以一定的倾角向航道底部中心位置发射超声波，假设图中任意一条入射声波，发射到航道底部经A点反射后被接收换能器接收。

由计算可知当x＝L/2即从发射换能器发出的超声波入射到航道中间声线的声程最短，当然也就是最先到达接收换能器。通过采用高精度GPS同步技术及水声信号检测技术可以测得从信号发射到接收的时间t₁，又因为声波的速度c是已知的，通过该测量系统就可以实时测得入射到航道中间并反射到接收换能器的声程长度为c·t₁，则水深值H为：

$H=\sqrt{{(c\·\frac{t_1}{2})}^2-{(b+L/2)}^2}---\left(1\right)$

式(1)中的b和L如图1所示也是已知的，这样由式(1)可知，只要找到最先到达接收换能器的反射波，确定其到达时间，即可算出水深值，但实际情况下，由于波浪等外界因素对声纳信号稳定性有影响，随着波浪等外界环境因素的变化，最先到达接收换能器的反射波会发生串动，即t₁发生变化，则H会随t₁发生变化，这样就会影响测量的精度。为了提高测量精度，将式(1)中b+L/2＝c·t₀/2，t₀为直达波到达的时间，则式(1)变为式(2)：

$H=\frac{c}{2}\sqrt{{t_1}^2-{t_0}^2}---\left(2\right)$

因同一时刻，波浪等外界因素对直达波和反射波的影响可以认为近似相同，又由于两者为相减关系，对测量结果的环境因素影响可以互相抵消一部分，这样就提高了测量精度。

对t₀的测量，即为对直达波信号第一点的检测，我们将其称之为起点。

对t₁的测量，即为对反射波信号第一点的检测，我们将其称之为分离点。

通过采用水深测量算法来检测起点和分离点即可得到。航道水深参数，通过无线数据传输模块将水深参数传送到监控中心服务器并进行显示，各用户端可以通过Internet网络访问服务器，观测航道水深变化情况。

图2(A)示出了本发明的系统结构示意图，港口航道水深实时监测系统由包括水下声纳发射组件100、水下声纳接收组件200及岸边监控中心300。

如图2(B)所示，所述水下声纳发射组件100包括蓄电池1、电源管理模块2、高精度GPS授时模块3、发射换能器驱动模块4、发射换能器电缆5、无线数据传输模块6、发射换能器7。

蓄电池1与电源管理模块2相连，为其提供转换输入电压，电源管理模块2将蓄电池1的输入电压转换成其它模块所需要的工作电压，并与其它模块相连为他们提供稳定可靠的工作电压，高精度GPS授时模块3与发射换能器驱动模块4相连为其提供精确的时间信息，无线数据传输模块6与发射换能器驱动模块4相连，用于将发射端蓄电池的电量信息传送到岸边监控中心服务器，发射换能器驱动模块4通过发射换能器电缆5与发射换能器7相连，用于驱动发射换能器产生固定频率、一定功率的超声波信号。

如图2(C)所示，所述声纳接收组件200包括蓄电池8、电源管理模块9、无线数据传输模块10、高精度GPS授时模块11、高精度计时模块12、海水温度采集模块13、数据采集与处理模块14、声纳接收驱动模块15、接收换能器电缆16、接收换能器17。

蓄电池8与电源管理模块9相连，为其提供转换输入电压，电源管理模块9将蓄电池8的输入电压转换成其它模块所需要的工作电压，并与其它模块相连为他们提供工作电压。高精度GPS授时模块11与数据采集与处理模块14相连，为其提供精确的时间信息。海水温度采集模块13与数据采集与处理模块14相连，为其提供海水温度参数。高精度计时模块12与数据采集与处理模块14相连，为其提供精确的时间延时参考。声纳接收驱动模块15通过接收换能器电缆16与接收换能器17相连，将接收到的微弱的海底反射信号调理成适合采集处理的信号，数据采集与处理模块14与声纳接收驱动模块15相连，用于采集处理接收到的经海底反射的超声波信号，数据采集与处理模块14与无线数据传输模块10相连，用于将处理好的水深数据及监视的蓄电池电量信息传输到岸边监控中心的服务器。

如图2(D)所示，所述岸边的监控中心300包括无线数据传输模块18、服务器19、互联网20。服务器19与无线数据模块18相连，用于接收发射端和接收端传送来的水深参数及电量信息，服务器19与互联网20相连，主要用于实现水深参数信息的远程监控。

所述的发射换能器驱动模块4为与发射换能器7匹配，产生固定频率、可调功率等参数的驱动电路。发射换能器驱动模块4主要包括单片机、信号生成电路、信号驱动电路、信号匹配电路及电源电路。一方面与发射换能器相连用于产生一定频率、一定功率的超声波信号，另一方面与无线数据传输模块相连用于监视发射端蓄电池1的电压，并将蓄电池1的电量情况传送到岸边监控中心300。

所述高精度的GPS授时模块为解析GPS卫星信号，获得高精度的秒脉冲PPS(Pulse Per Second)和输出UTC(Universal Time Coordinated)时间信息的部件。在航道水深实时监测系统的发射端和接收端各采用一块该部件。

所述的高精度GPS授时模块3、11在发射端与发射换能器驱动模块4中的单片机相连，为声纳发射组件100提供精确的时间信息；在接收端与数据采集与处理模块14中的单片机相连，为声纳接收组件200提供精确的时间信息，完成声纳发射组件100和接收组件200的同步工作。

所述的无线数据传输模块6为可以实现数据无线传输的部件，包括：电源、无线收发器、单片机及发射天线等。在航道水深监测系统的发射端100、接收端200及岸边监控中心300各采用一个该部件。

所述的无线数据传输模块6在发射端与发射换能器驱动模块4中的单片机相连，用于传送发射端蓄电池的电量信息；在接收端与数据采集与处理模块14中的单片机相连，用于传送接收端蓄电池电量信息、水深参数及海水温度等数据；在岸边监控中心300与中心服务器相连，用于接收来自航道发射端和接收端的数据。

所述的电源管理模块2为可以将蓄电池1的电压转换为系统中各模块所需电压并能够实时监视蓄电池电量信息的部件。包括：单片机、高稳定性的DC-DC模块电源等。

所述的声纳接收驱动模块15为可以实现将来自接收换能器17的超声信号进行前级低噪声放大、带通滤波、中级放大、增益控制及驱动输出等功能的部件。声纳接收模块驱动15包括：电压转换模块、单片机、集成运算放大器等。声纳接收驱动模块15一方面与接收换能器17相连，用于对接收到的微弱超声信号进行调理，另一方面与数据采集与处理模块14相连，为其提供适当幅度的水声信号。

所述的数据采集与处理模块14为可以将高频模拟信号数字化、存储并处理的部件。包括：高速A/D转换器、大容量存储器、可编程逻辑器件及数字信号处理器等构成。

所述的数据采集与处理模块14与声纳接收驱动模块15相连，用于将接收到的模拟水声信号转换成数字信号，存储在大容量存储介质中，并对其采用水深计算方法得出水深参数。

所述的数据采集与处理模块14与海水温度采集模块13相连，用于读取海水温度信息，实时监视海水温度变化。

所述的数据采集与处理模块14与无线数据传输模块10相连，将蓄电池的电量信息、海水温度信息及水深参数信息传送到岸边监控中心300。

所述的高精度计时模块12为可以进行精确定时的部件。高精度计时模块12例如包括：高精度恒温有源晶振、可编程逻辑器件等。高精度计时模块12与数据采集与处理模块14相连，为其提供精确的延时控制信号。

所述的海水温度采集模块13为可以实时监视海水温度的部件。包括：温度传感器、单片机等。海水温度采集模块13与数据采集与处理模块14相连，通过串口查询方式为其提供海水温度信息。

所述的监控中心300的服务器19为可以提供大容量硬盘空间、数据库、文件、打印、网页浏览等功能的高性能计算机。服务器19与无线数据传输模块18相连，通过无线通信方式接收水下声纳发射、接收组件100、200传来的蓄电池电量信息、海水温度信息及大量水深参数并存储在服务器19的数据库中，通过软件编程提供良好的人机交互界面及动态显示水深参数，任何接入Internet的地方都可以实现对航道状态的监控。

所述的蓄电池为可以将化学能转换成电能，可持续提供电能的部件。在航道水深监测系统的发射端100和接收端200均采用蓄电池。在发射端与发射换能器驱动模块及无线通信模块相连，用于为其提供工作电源；在接收端与电源管理模块相连，作为电源转换模块的输入电压。

图2所示的系统其工作过程如下：

水下声纳发射组件和接收组件启动时均处于低功耗的运行状态，供电系统只为核心处理器和无线数据传输模块供电，处理器实时检测监控中心的控制命令。

当接收到监控中心发来的“运行”命令时，供电系统开始为其它模块供电，启动监测工作。在声纳发射组件100和接收组件处理器200的存储器中分别建立同样的测量时间表，处理器实时地读取GPS授时模块中从GPS卫星上接收到的UTC(Universal Time Coordinated)时间信息，若接收到的时间信息与测量时间表里的时间一致时，发射组件和接收组件就会同时启动测量。这时，发射组件向对面发射超声波，接收组件的高精度计时器开始计时，同时通过高速数据采集与处理模块采集直达波信号和海底反射波信号，并经过水深算法处理得到航道水深参数。通过电源管理模块及海水温度采集模块获得电源电量数据和海水温度数据，将这些数据和航道水深参数通过无线数据传输模块传送到监控中心服务器中进行存储和显示，各用户端可以通过Internet网络访问服务器，观测航道水深变化情况。

尽管本发明是通过上述的优选实施方式进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到在不脱离本发明主旨的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修改。

Claims (9)

1.一种港口航道水深实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.以一定的倾斜角度安装于航道一侧的水下声纳发射组件将超声波入射到航道底部中心位置，并经过航道底部反射至安装于航道另一侧的水下声纳接收组件；

b.水下声纳接收组件接收超声波信号，并基于所述信号获取航道水深参数， $H=\frac{c}{2}\sqrt{{t_1}^2-{t_0}^2},$

其中，t₀为直达波到达的时间，t₁为从信号发射到接收的时间，c为声波的速度，H为航道水深参数；

c.将航道水深参数传送到监控中心。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a中：发射换能器和接收换能器以相同角度相对航道底部中心位置对称安装。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发射换能器与接收换能器通过GPS同步技术实现同步开启。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾斜角度为0-90度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b中，采用短时能量法和多途时延估计算法对所述超声波信号进行端点检测和多途分离，以便获取航道水深参数。

6.一种港口航道水深实时监测系统，其特征在于，包括：水下声纳发射组件、水下声纳接收组件和监控中心，其中，

所述水下声纳发射组件以一定的倾斜角度安装于航道一侧，超声波入射到航道底部中心位置并经过航道底部反射至安装于航道另一侧的水下声纳接收组件，水下声纳接收组件用于接收超声波信号并基于所述信号获取航道水深参数： $H=\frac{c}{2}\sqrt{{t_1}^2-{t_0}^2},$

其中，t₀为直达波到达的时间，t₁为从信号发射到接收的时间，c为声波的速度，H为航道水深参数，

监控中心与所述水下声纳接收组件无线连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，水下声纳发射组件包括发射换能器及其驱动模块、GPS授时模块、无线数据传输模块、电源管理模块及蓄电池。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，水下声纳接收组件包括：接收换能器、声纳接收驱动模块、数据采集与处理模块、无线数据传输模块、GPS授时模块、高精度计时模块、电源管理模块、海水温度采集模块及蓄电池。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，监控中心包括服务器和无线数据传输模块。

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