CN102107723B - 侧扫声纳测量船舶吨位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其包括：当光电传感器探测到有船舶经过的信号，启动设置于水下的拖鱼开始工作，对测量水域进行扫侧，获得船舶水下部分的水声图像；同时测出船舶航行速度和通过时间，依据船速与通过时间的乘积计算出船体的长度；与拖鱼相连的计算机得出测量区域的水声图像，再对其进行图像处理提取出被测船舶的声遮挡阴影，并根据投影关系结合测量环境参数获得船体的吃水深度和水线下船体宽度；根据船体长度、吃水深度、水线下船体宽度、以及船载证书所标的该船舶的方模系数，计算出该船舶的总吨位；总吨位与船载证书所标的该船舶的净吨位之差即为该船舶的实载吨位。

Description

侧扫声纳测量船舶吨位的方法

技术领域

本发明涉及一种侧扫声纳测量船舶吨位的方法。

背景技术

根据《中华人民共和国航道管理条例实施细则》(2009年)和《江苏省船舶过闸费征收和使用办法》(1997年)，船舶过闸时，应按船舶的实载吨位向航政部门缴纳相应的船舶过闸费。目前，国内多数船闸对船舶吨位的认定主要是依据航行证件为主，并结合人工测量为辅的方式进行，即根据船载证书的总吨位、船体的载重线和实际吃水深度估计该船的实载吨位。该方式存在着以下问题：

1、水运行业超载过载现象屡禁不止，极易引发船闸安全事故并危及航道及航道设施的安全；

2、不法分子腐蚀收买测量人员，与其沆瀣一气，肆意虚报船舶实载吨位，逃避应当缴纳的费用，造成国家规费的大量流失和贪污腐败猖獗；

3、不法船主可采用多装和逃避规费的办法减少成本，使得合法缴费的船户失去市场竞争优势，扰乱水运市场的正常秩序。

中国专利申请200610011508.7公开的方案是：在航道测量段两侧河床壁上设置分离的声纳探头阵列，利用超声测距原理，通过Kalman滤波算法对各个传感器采集船体反射回波的距离信息实现信息融合，采用最小二乘拟合曲线计算船体水下部分近似截面积，最终结合速度传感器测得的船速，将诸多近似截面进行船速方向上的积分获得其实际排水量吨位的测量方法。然而文献所提出的方法较为理论化，缺乏实用性和可靠性的考虑，主要存在以下几项问题：

1、混响严重，声纳探头难以准确获得其与船体之间的准确距离。在航道两侧设置的众多声纳探头，在没有进行波束控制、波束形成的情况下。以同一声频率无指向性的发射声波，声波将在船体壁和航道壁之间反射并产生严重的混响，声纳探头难以正常工作；

2、系统难以长时间的稳定的工作。水体环境中水流的冲击、盐分的侵蚀、淤泥的沉降和水生物的活动等因素会使为数众多的声纳探头的可靠性和续航能力受到严重的影响。声纳探头设置在水下，保养和维护较为困难，当一定数量的声纳探头发生故障将导致测量的重大误差或系统的瘫痪；

3、抗干扰能力差。如果水文环境出现较大变化、水体中出现漂浮物、涡流或鱼群等障碍物时，声纳传感器采集的距离数据将出现较多野点，测量结果容易出现较大偏差；

4、系统架构庞大复杂，响应时间长。每一次的测量需要等待每一个探头传回的数据才能进行相应的计算，后续算法步骤较多，计算量偏大，系统的响应时间较长。

在水介质中声波是传播的最佳能量形式，声纳已作为探测水下目标的最佳设备得到广泛应用，尤其是20世纪60年代之后，声纳成像技术及以侧扫声纳为代表的声成像设备的出现，使得测量结果能够以水声图像的形式输出，对水下目标的探测更为有效和直观。其成像原理是通过拖鱼所载换能器发射超声波，声波在具有不同声阻抗的介质分界面上发生的反射，换能器接收并对反向散射回波时间的自然顺序检测，记录回波信号的能量与回波角度，计算机软件根据生成声波回波强度及其他测量参数的灰度水声图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实用性和可靠较好的侧扫声纳测量船舶吨位的方法，适于为船舶吨位测量提供准确可信的信息，进而为船舶过闸收费提供可靠的依据。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其特点是包括：当光电传感器探测到有船舶经过的信号，启动设置于水下的拖鱼开始工作，对测量水域进行扫侧，获得船舶水下部分的水声图像；

同时测出船舶航行速度和通过时间，依据船速与通过时间的乘积计算出船体的长度；

与拖鱼相连的计算机得出测量区域的水声图像，再对其进行图像处理提取出被测船舶的声遮挡阴影，并根据投影关系结合测量环境参数获得船体的吃水深度和水线下船体宽度；根据船体长度、吃水深度、水线下船体宽度、以及船载证书所标的该船舶的方模系数，计算出该船舶的总吨位；总吨位与船载证书所标的该船舶的净吨位之差即为该船舶的实载吨位。

进一步，所述计算机对水声图像进行图像处理时，计算机对采集到的图像处理包含列向灰度修正处理，常量迭代去卷积处理，中值滤波处理对水声图像的噪点进行去除，直方图均衡化处理对阴影进行增强，Log算子锐化提取出所需阴影。

进一步，所述根据投影关系结合测量环境参数获得船体的吃水深度和水线下船体宽度时，以水声图像上标距线为参考，测量环境参数包括拖鱼安放时距离水面深度、测量水域水体密度。

进一步，设被测船舶上一点S在三维地理坐标系V下坐标为(S_x，S_y，S_z)；船舶在声波的照射下，所述点S在平面P上的像点为S’，在平面P中建立二维坐标系k，原点及坐标轴均与坐标系V重合；设点S”在所述坐标系k下坐标为(S_x”，S_y”)，作所述点S在投影面P中的投影点S′(S′_x，S′_y)；根据投影关系，点S(S_x，S_y，S_z)的坐标为：

S_X＝S″_x＝S_x+ΔN_x

S_Y＝S″_y＝S′_y

S_Z＝h

其中：ΔN_x为点S″(S″_x，S″_y)与S′(S′_x，S′_y)横坐标在X轴正向上的像素差的绝对值，h为点S距平面P的垂直距离；设拖鱼相对于船舶的航迹线在平面P中的投影为直线l_p，连接点S”和点S’并延长交直线l_p于点j_p(j_x，j_y)，由于s′为投影点，所以线段S″j_p垂直于l_p，则有三角形ΔSS″j相似于ΔSS″S′；设H为所述拖鱼距离水面深度，根据三角形的相似性有：

$h=\frac{|S_x-S_x^{\′}|}{|S_x-j_x|}\×H$

设ΔD为两条标注线的标值距离差的绝对值，N_x为两条标注线间像素个数，则横向每个像素对应的实际距离：

$l_y=\frac{\mathrm{\ΔD}}{N_x}$

设船舶通过测量水域时速度方向与大小均保持不变，N_y为声纳图像中船舶水下部分纵向像素个数，则纵向每个像素对应的实际距离：

$l_y=\frac{L}{N_Y}$

根据投影关系的约束，物点S和像点S”一一对应，若已知点S”则可以唯一确定所对应的点S，即在侧扫声纳声图像所示的船舶遮挡阴影与所求船舶三维截面之间的关系表达式为：

$S(S_x,S_y,S_z)=S[({S^{\′\′}}_x-{\mathrm{\ΔN}}_x)\·l_x,{S^{\′}}_y\·l_y,\frac{|{S^{\′\′}}_x-{S^{\′}}_x|}{|{S^{\′\′}}_x-j_x|}\×H)]$

在声图像阴影的各边缘上选取多个采样点，根据上述关系表达式确定所其在三维地理坐标系下的对应点，进而连接各点，在三维坐标系中即可得到被测船舶截面，同时得到该船舶的吃水深度D及水下部分宽度W，然后根据该船舶的船载证书所标的该船舶的方模系数K、以及水域水体密度ρ，计算该船舶的总吨位T：

T＝D×L×W×ρ×K

总吨位T与船载证书所标的该船舶的净吨位之差即为该船舶的实载吨位。

本发明具有积极的效果：(1)侧扫声纳一般用于对水底地形地貌或者水底目标的扫侧，拖鱼在水面拖船的拖引下，在距离水面一定的深度下向水底探测。本发明在侧扫声纳成像原理和超声波传播机理的基础上，将侧扫声纳固定与水底，由行驶中的被测船舶提供相对运动，同时调转角度对水面扫侧，进而对水面浮体进行测量，为侧扫声纳的应用方式及应用环境提供了新的思路。(2)本发明的侧扫声纳测量船舶吨位的方法，可以对水温、流速等环境因素造成的影响与误差自行矫正，相比较于由众多声纳探头组成的测量网络，其集成度、稳定性和响应速度远远高于后者，使用侧扫声纳作为测量设备代替声纳探头阵列，以可解决现有技术所存在的问题。(3)在船舶通过测量水域时，通过侧扫声纳系统获得船舶水下部分的水声图像，能实时、准确的测量出被测船舶的总吨位与实载吨位，相比较目前吨位测量由依据航行证件为主，并结合人工测量为辅的方式，提高了测量的自动化程度、测量效率以及数据的准确性和可信行。大大规范船舶过闸收费流程，提高收费效率，防止大量国家规费的流失，维护水运市场的正常秩序。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的侧扫声纳测量船舶吨位的测量系统的电路结构示意图；

图2为本发明在进行船舶吨位测量时的工作流程图；

图3为本发明在实施侧扫声纳测量船舶吨位时，船舶、拖鱼和光电传感器装置的位置关系示意图；

图4为图3中的船舶的投影位置关系示意图；

图5为图4中的二维坐标系k；

图6为本发明实测的含有船舶水下部分的水声图像；

图7为本发明实测船舶水下部分的测量结果。

具体实施方式

(实施例1)

见图1和3，实施本发明的侧扫声纳测量船舶吨位的方法所采用的测量系统包括：设置在测量水域岸边两侧的各两个光电传感器1；设置在水下航道壁6的一侧的侧扫声纳的拖鱼2，拖鱼2距离水面深度H。

光电传感器1用于探测水面是否有船舶5驶入测量水域，同一岸侧的间两个传感器的间距h，任何一端的光电传感器1探测到有船舶时，计算机2均启动水下拖鱼2开始工作。

拖鱼2固定在水下航道壁，经由电缆与计算机2相连接，安装时，调整拖鱼姿态使其扫侧区域覆盖整个航道，水平方向两鳍平行于航道。

在实际应用中，侧扫声纳系统均用于对水底目标的探测，利用的是水介质、目标物体与水底介质(岩石、沙砾、淤泥等)声阻抗的差异，声波在介质分界面上发生反射，被换能器接收并成图。若将声波射向水面，由于空气介质的声阻抗远远小于水介质的声阻抗，在声波非垂直入射的情况下，声波几乎全部反射回水介质，在水面平静接近于镜面的情况下，水面近似为理想的声反射面，声能几乎全部被反射回水介质。实际情况下水面一般具有波动性，既是声波的反射界面又是声波的散射体。换能器发射出的声波入射到具有波浪的水面，即相当于入射到周期变化的不平整的表面，有一部分声能散射到空气中而损失，另一部分声能遵从反射定律反射回水中到达换能器，

根据以上分析，若旋转侧扫声纳的拖鱼使其向水面发射声波，利用水介质、空气介质与目标物体声阻抗的差异，换能器同样可以接收到水面的反射回波近而生成测量区域的声纳图像。同时，拖鱼与被测船舶的相对运动由行驶中的船舶提供。

见图2及图3，当光电传感器1检测到有船舶5通过测量水域时，启动设置在水下航道壁的拖鱼3，同时记录下船舶5通过单个光电传感器的时间t₁以及通过同一岸侧的两个光电传感器的间距h所用时间t₂，则船舶速度v＝h/t₂，船舶长度L＝v×t₁。

声遮挡阴影的形成：拖鱼从发射的声波被船舶遮挡，形成无回波区域，换能器无法接受到回波信息，在声图像上遮挡阴影。由于投影映射关系的约束，遮挡阴影的尺寸与被照射船舶的尺寸相关。

见图4，设被测船舶上一点S在三维地理坐标系V下坐标为(S_x，S_y，S_z)，由于拖鱼发射波束的垂直航向(单侧)开角的远远小于波束平行航向开角，声波Ping频率较高，在被测船舶与拖鱼相对运动过程中，可以认为拖鱼为一个的线声源L。船舶在声波的照射下物点S成影于平面P，即图5所示平面，其像点为S’。见图5，在平面P中建立二维坐标系k，原点及坐标轴均与坐标系V重合。设点S”在坐标系k下坐标为(S_x”，S_y”)，作S在投影面P中的投影点S′(S′_x，S′_y)。根据投影关系，点S(S_x，S_y，S_z)的坐标为：

S_X＝S″_x＝S_x+ΔN_x                            (3)

S_Y＝S″_y＝S′_y                              (4)

S_Z＝h                                       (5)

式3中ΔNx为点S″(S″_x，S″_y)与S′(S′_x，S′_y)横坐标在X轴正向上的像素差的绝对值，式5中h为点S距平面P的垂直距离。设拖鱼航迹线在平面P中的投影为直线l_p，连接点S”和点S’并延长交直线l_p于点j_p(j_x，j_y)，因为s′为投影点，所以线段S″j_p垂直于l_p，则有ΔΔSS″j相似于ΔSS″S′。设H为测量拖鱼距离水面深度，根据三角形的相似性有：

$h=\frac{|S_x-S_x^{\′}|}{|S_x-j_x|}\×H---\left(6\right)$

侧扫声纳基本上都已具备斜距校正功能，自动对斜距变形进行校正，输出的声纳图像已有纵向方向上的标距线对横向距离进行标注(声图中白色纵向虚线)且刻度均匀。若ΔD为两条标注线标值距离差的绝对值，Nx为两条标注线间像素个数，则横向每个像素对应的实际距离(米)：

$l_y=\frac{\mathrm{\ΔD}}{N_x}---\left(7\right)$

船舶通过测量水域时一般速度方向与大小均保持不变，Ny为声纳图像中船舶水下部分纵向像素个数，则纵向每个像素对应的实际距离：

$l_y=\frac{L}{N_Y}---\left(8\right)$

根据投影关系的约束，物点S和像点S”必然一一对应，若已知点S”则可以唯一确定所对应的点S，即在侧扫声纳声图像所示船舶遮挡阴影与所求船舶三维截面之间建立了联系：

$S(S_x,S_y,S_z)=S[({S^{\′\′}}_x-{\mathrm{\ΔN}}_x)\·l_x,{S^{\′}}_y\·l_y,\frac{|{S^{\′\′}}_x-{S^{\′}}_x|}{|{S^{\′\′}}_x-j_x|}\×H)]---\left(9\right)$

若在声图像阴影aBcD边缘上选取一定数量的采样点，根据式(9)确定所其在三维地理坐标系下的对应点，进而连接诸点，在三维坐标系中得到被测船舶截面ABCD的同时得到其吃水深度D及水下部分宽度W等信息见图6，进而船载证书所标该型船的方模系数K，水域水体密度ρ：

T＝D×L×W×ρ×K

计算得到总吨位T，总吨位与船载证书所标该船的净吨位之差即为其实载吨位。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其特征在于包括:

当光电传感器探测到有船舶经过的信号，启动设置于水下的拖鱼开始工作，对测量水域进行扫侧，获得船舶水下部分的水声图像；

同时测出船舶航行速度和通过时间，依据船速与通过时间的乘积计算出船体的长度；

与拖鱼相连的计算机得出测量区域的水声图像，再对其进行图像处理提取出被测船舶的声遮挡阴影，并根据投影关系结合测量环境参数获得船体的吃水深度和水线下船体宽度；根据船体长度、吃水深度、水线下船体宽度、以及船载证书所标的该船舶的方模系数，计算出该船舶的总吨位；

总吨位与船载证书所标的该船舶的净吨位之差即为该船舶的实载吨位。

2.根据权利要求1所述的侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其特征在于:所述计算机对水声图像进行图像处理时，计算机对采集到的图像处理包含列向灰度修正处理，常量迭代去卷积处理，中值滤波处理对水声图像的噪点进行去除，直方图均衡化处理对阴影进行增强，Log算子锐化提取出所需阴影。

3.根据权利要求1或2所述的侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其特征在于:所述根据投影关系结合测量环境参数获得船体的吃水深度和水线下船体宽度时，以水声图像上标距线为参考，测量环境参数包括拖鱼安放时距离水面深度、测量水域水体密度。

4.根据权利要求1或2所述的侧扫声纳测量船舶吨位的方法，其特征在于:设被测船舶上一点S在三维地理坐标系V下坐标为(S_x,S_y,S_z);船舶在声波的照射下，所述点S在平面P上的像点为S’，在平面P中建立二维坐标系k，原点及坐标轴均与坐标系V重合；设点S”在所述坐标系k下坐标为（S_x”，S_y”），作所述点S在投影面P中的投影点S′(S′_x,S′_y)；根据投影关系，点S(S_x,S_y，S_z)的坐标为：

S_X=S″_x=S_x+ΔN_x

S_Y=S″_y=S′_y

S_Z=h

其中：ΔN_x为点S″(S″_x,S″_y)与S′(S′_x,S′_y)横坐标在X轴正向上的像素差的绝对值，h为点S距平面P的垂直距离；设拖鱼相对于船舶的航迹线在平面P中的投影为直线l_p，连接点S”和点S’并延长交直线l_p于点j_p(j_x,j_y)，由于s′为投影点，所以线段S″j_p垂直于l_p，则有三角形VSS″j相似于VSS″S′；设H为所述拖鱼距离水面深度，根据三角形的相似性有：

$H=\frac{|S_x-S_x^{\′}|}{|S_x-j_x|}\×H$

设ΔD为两条标注线的标值距离差的绝对值，N_x为两条标注线间像素个数，则横向每个像素对应的实际距离：

$l_x=\frac{\mathrm{\ΔD}}{N_x}$

设船舶通过测量水域时速度方向与大小均保持不变，N_y为水声图像中船舶水下部分纵向像素个数，则纵向每个像素对应的实际距离：

$l_y=\frac{L}{N_Y}$

根据投影关系的约束，物点S和像点S”一一对应，若已知点S”则可以唯一确定所对应的点S，即在侧扫声纳水声图像所示的声遮挡阴影与所求船舶三维截面之间的关系表达式为：

$S(S_x,S_y,S_z)=S[({S^{\′\′}}_x-\mathrm{\Δ}{N}_x)\·l_x,{S^{\′}}_y\·l_y,\frac{|{S^{\′\′}}_x-{S^{\′}}_x|}{|{S^{\′\′}}_x-j_x|}\×H)]$

在声遮挡阴影的各边缘上选取多个采样点，根据上述关系表达式确定所其在三维地理坐标系下的对应点，进而连接各点，在三维坐标系中即可得到被测船舶截面，同时得到该船舶的吃水深度D及水线下船体宽度W，然后根据该船舶的船载证书所标的该船舶的方模系数K、船体长度L以及水域水体密度ρ，计算该船舶的总吨位T:

T=D×L×W×ρ×K

总吨位T与船载证书所标的该船舶的净吨位之差即为该船舶的实载吨位。

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