CN103661836A - 基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统。包括单波束声纳基元阵列、声纳信号处理机和后台主控系统；单波束声纳基元阵列安装在引航道横截面上，构成吃水深度检测门装置；单波束声纳基元阵列是一组单波束换能器的组合；声纳信号处理机对各个换能器进行顺序采集、信号放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的数字信号通过RS485协议传输给后台主控系统；单波束声纳基元阵列通过一水密电缆与置于岸边的声纳信号处理机进行连接；后台主控系统包括主控计算机和供电单元；主控计算机上运行上位机软件系统。本发明系统具有投资小、安装及维护简单，测量过程简捷高效、测量精度高的特点。

Description

基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统。

背景技术

船舶“超吃水”，即船舶吃水深度超过船闸所允许的最大安全深度。“超吃水”是目前船闸运行中面临的最常见和最直接的安全威胁，轻则可能造成船舶搁浅，阻塞通航，重则可能导致船闸损坏，给大坝建筑造成严重的安全威胁。水电站在其通航管理过程中常因此类行为，遭遇过坝船只闸口搁浅事故，给船员、航道和坝体建筑安全带来较大威胁，引起纠纷事件，影响正常通航调度工作的开展。

本项目针对上述问题，本发明申请人于2012年开展了船舶吃水实时检测技术的研究，结合多波束超声波检测技术和DSP数据处理技术，分别在大坝上、下游采用“多波束侧扫声纳检测”和“阵列式单波束声纳检测”两种方法，对过往船只的水底形状进行扫描，并将扫描数据经DSP数据处理和后台计算，获得船只最大吃水深度数据，为船舶通航调度管理提供科学依据，达到“事前预防、事中控制”的目的。这对于保障航道通航安全具有重要的意义。

本系统是位于大坝下游侧，基于“阵列式单波束声纳扫描”技术的自动检测平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装及维护简单，测量过程简捷高效、测量精度高的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：包括单波束声纳基元阵列、声纳信号处理机和后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列安装在引航道横截面上，构成吃水深度检测门装置；所述单波束声纳基元阵列是一组单波束换能器的组合；

所述声纳信号处理机对各个换能器进行顺序采集、信号放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的数字信号通过RS485协议传输给后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列通过一水密电缆与置于岸边的声纳信号处理机进行连接；

所述后台主控系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行上位机软件系统；所述供电单元为整个系统提供电源。

在本发明实施例中，所述一组单波束换能器包括安装在固定水深处的线阵声纳换能器组和安装在同样深度的引航道侧边单独换能器；所述换能器并联连接。

在本发明实施例中，所述线阵声纳换能器组安装方式为：每隔0.5米布放一个换能器，作为垂直方向的测距基元；所述安装在同样深度的引航道侧边单独换能器，其信号收发的轨迹与引航道的实际宽度直线平行，用作实时水温的数据的获取。

在本发明实施例中，所述一组单波束换能器安装的深度是待测船只最大吃水深度加上最大水位变化。

在本发明实施例中，所述声纳信号处理机包括依次连接的收发转换开关模块、前置放大模块、带通滤波模块、二级放大模块、抗混叠滤波模块、模数转换模块、RS485接口电路、DSP信号处理模块、FPGA控制模块、波形发生器模块、功率放大器模块和阻抗匹配网络模块；所述阻抗匹配网络模块连接至收发转换开关模块；所述数字信号处理模块的收发转换开关模块连接至换能器组，所述RS485接口电路连接至主控计算机。

在本发明实施例中，所述上位机软件系统分为两部分，一是给声纳信号处理机发送信号采集命令并接收声纳信号处理机返回的回波到达时间数据，通过一定的算法进行计算、校正并进行结果显示；二是对测量过程的数据变化进行记录和回放显示。

在本发明实施例中，所述声纳信号处理机对于每个换能器采集的超声波回波到达时间，均整理成$CxxRxxxx数字信号格式，并通过串口协议传送给后台主控系统，其中的Cxx表示换能器的通道号，Rxxxx表示回波的传播时间。

在本发明实施例中，所述单波束声纳基元阵列的安装地点、声纳信号处理机的安放位置和后台主控系统分别处于不同地点，由于串口的传输距离有限，采用串口转以太网的方式让声纳信号处理机输出的信号接入水电厂的局域网中，通过网络与后台主控系统相连。

在本发明实施例中，所述主控计算机连接有音箱，所述主控计算机运行的上位机软件系统设定有超吃水警告功能，当被测船只超出警戒吃水线时，软件会发出声光报警。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、测量过程简捷高效、同时满足“离船”、“快速”、“自动”、“不停船“、“单边检测”等条件；

2、测量测量精度高，误差≤3cm；

3、事前预控能力强，真正达到防止超载船入闸的目的；

4、结构简单，总体投资小，运维成本低，极大地降低施工和维护难度；

5、总体安全性高，大大降低了设备被船只撞击、损坏的概率。

附图说明

图1是单波束声纳工作原理示意图。

图2是本发明系统整体构成示意图。

图3是本发明水下单波束声纳基元阵列示意图。

图4是本发明声纳信号处理机电路图。

图5是本发明上位机软件系统软件流程图。

图6是本发明上位机软件系统数据处理框图。

图7是本发明上位机软件系统软件界面。

图8是本发明系统传输网络图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图2所示，本发明的一种基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，包括单波束声纳基元阵列、声纳信号处理机和后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列安装在引航道横截面上，构成吃水深度检测门装置；所述单波束声纳基元阵列是一组单波束换能器的组合；

所述声纳信号处理机对各个换能器进行顺序采集、信号放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的数字信号通过RS485协议传输给后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列通过一水密电缆与置于岸边的声纳信号处理机进行连接；

所述后台主控系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行上位机软件系统；所述供电单元为整个系统提供电源。

在本发明实施例中，所述一组单波束换能器包括安装在固定水深处的线阵声纳换能器组和安装在同样深度的引航道侧边单独换能器；所述换能器并联连接。

在本发明实施例中，所述线阵声纳换能器组安装方式为：每隔0.5米布放一个换能器，作为垂直方向的测距基元；所述安装在同样深度的引航道侧边单独换能器，其信号收发的轨迹与引航道的实际宽度直线平行，用作实时水温的数据的获取。

在本发明实施例中，所述一组单波束换能器安装的深度是待测船只最大吃水深度加上最大水位变化。

在本发明实施例中，所述声纳信号处理机包括依次连接的收发转换开关模块、前置放大模块、带通滤波模块、二级放大模块、抗混叠滤波模块、模数转换模块、RS485接口电路、DSP信号处理模块、FPGA控制模块、波形发生器模块、功率放大器模块和阻抗匹配网络模块；所述阻抗匹配网络模块连接至收发转换开关模块；所述数字信号处理模块的收发转换开关模块连接至换能器组，所述RS485接口电路连接至主控计算机。

在本发明实施例中，所述上位机软件系统分为两部分，一是给声纳信号处理机发送信号采集命令并接收声纳信号处理机返回的回波到达时间数据，通过一定的算法进行计算、校正并进行结果显示；二是对测量过程的数据变化进行记录和回放显示。

在本发明实施例中，所述声纳信号处理机对于每个换能器采集的超声波回波到达时间，均整理成$CxxRxxxx数字信号格式，并通过串口协议传送给后台主控系统，其中的Cxx表示换能器的通道号，Rxxxx表示回波的传播时间。

在本发明实施例中，所述单波束声纳基元阵列的安装地点、声纳信号处理机的安放位置和后台主控系统分别处于不同地点，由于串口的传输距离有限，采用串口转以太网的方式让声纳信号处理机输出的信号接入水电厂的局域网中，通过网络与后台主控系统相连。

在本发明实施例中，所述主控计算机连接有音箱，所述主控计算机运行的上位机软件系统设定有超吃水警告功能，当被测船只超出警戒吃水线时，软件会发出声光报警。

为方便本领域人员更好的理解本发明，以下为本发明的具体实施例。

图1给出了单个声纳的工作原理：声纳换能器向垂直于水平面方向发射声波，当声波遇到船底时被反射，其中有漫反射波传回换能器，被换能器接收。

设船底到换能器的直达最短距离为H，则

                                                                                

                                            （1）

上式中，其中L表示测量到的距离；c表示声波在水里的传播速度；T表示换能器从发射信号到接收到信号所用的时间。

由式（1）可得出影响测量精度的两个主要因素：一是▽t 的测定准确性，实验系统采用工作频率为350KHz，带宽为60KHz的换能器，并使用电平比较法测定回波到达时间，由于采用的换能器频带较宽，且在上位机的软件设计中做一个固定的补偿测量以减小固定误差，本试验中得到的▽t相对准确，另一个影响因素是声速c，而声波的传播速度主要是受温度的影响，下式是纯水的声速计算经验公式：

                              （2）

式中t为摄氏温度，为了消除温度对声速的影响，一般的测距系统都加上温度补偿系统，但是这样会增加系统的复杂性和投资成本。

在本试验中，采用的是一种比对的方法来解决声速随温度的变化问题，即使用一个换能器安装在线阵的中间位置并向一块与之为固定距离的钢板发射信号，检测信号被钢板反射回来的时间利用该已知距离的与时间来与其他换能器的测量做比对，如下式：

                                

                                               （3）

其中H为换能器测量到的船体与其之间的距离，T为该换能器回波到达的时间；h为标定换能器与固定钢板间的距离，t为标定换能器回波到达时间。

若测量时间时，存在一个固定的由回波检测误差造成的测量距离误差Δ，则上式可变为式（4），并推导出式（5）。

                         

                                （4）

                            

                                （5）

本系统硬件部分安装于水口大坝主体结构的引航道处，组成结构包括单波束声纳基元阵列、声纳信号处理机和后台主控系统三个部分，其中单波束声纳基元阵列安装在引航道横截面上，构成吃水深度检测门装置；当船只经过检测门时，可顺序采集到船头至船尾各横截面上的吃水深度数据，由软件绘制出船形三维图形，得到最大吃水深度数据，系统整体构成参见图2。

在本实施例中，单波束声纳基元阵列是一组单波束换能器的组合，作用是往水面方向发射并接收水面或船体反射的信号模拟量，并将测量结果通过缆线传送给声纳信号处理机的声纳信号处理单元，根据实验引航道的实际宽度、船宽的变换范围，本实验在固定水深处，每隔0.5米布放一个换能器，作为垂直方向的测距基元，而在同样深度的引航道的侧边安装一个单独换能器，使其信号收发的轨迹与引航道的实际宽度直线平行，用作实时水温的数据的获取，其中单波束换能器安装的深度是待测船只最大吃水深度加上最大水位变化。

由于在本发明系统中，声纳系统采用单频信号体制，工作中心频率350kHz，即波长小于0.5厘米，测距误差能够控制在一个波长以内，因此系统完全能够达到小于3个厘米的船舶吃水深度测量精度要求。

另外，另一精度指标即水平测深二维分辨率，是沿船行进方向和与之垂直方向上的测深分辨率，沿船行进方向的分辨率与船速和测量频率有关，由于船速一般不高于5节，测量频率不低于每秒5次，因此其分辨率高于0.5米，与船航行方向垂直方向的分辨率取决于阵元数量，本实验在12米距离上有17个等间距布放的阵元，分辨率为0.5米。

在系统中，最低水位为58米，船只吃水深度最大值为2.5米（按取3米考虑），因此线阵声纳安装深度考虑在55米水线以下，水下单波束声纳基元阵列参见图3。

在本实施例中，岸基上的声纳信号处理机的对各个换能器进行顺序采集、信号放大、滤波、模数转换和DSP处理，并将整理而成的一定格式的数字信号通过RS485协议传输给后台主控系统；同时该声纳信号处理机也接收后台主控系统程序下达的命令，并进行信号发生、发射、收发开关动作等一系动作，声纳信号处理机电路参见图4。

在本实施例中，后台主控系统的上位机软件系统运算分为两部分，一是给声纳信号处理机发送信号采集命令并接收声纳信号处理机返回的回波到达时间数据，通过一定的算法进行计算、校正并进行结果显示；二是对测量过程的数据变化进行记录和回放显示，上位机软件系统软件流程参见图5。

其中计算换能器距离船底的距离主要原理是根据上述推导出的公式（5），其中H为换能器测量的最终距离数据；h为标定换能器到反射钢板的距离；T为测距换能器回波到达时间；t为标定换能器回波到达时间，而Δ为由回波检测误差造成的测量距离误差，为一个固定值，对于每个换能器采集的回波时间，声纳信号处理机均整理成$CxxRxxxx数字信号格式，并通过串口协议传送给上位机软件系统，其中的Cxx表示的事换能器的通道号，Rxxxx表示回波的传播时间，因此，当上位机软件系统通过串口接收到每一个测量换能器传回的时间数据以后，可以利用式（5）来计算出每个换能器测量得到的距离，再把每一组数据的值进行插值，模拟出最终的测量图像，测距计算过程如图6所示。

在上位机软件系统有实时显示船只吃水深度的功能，能够记录和显示每个超声波传感器单元测量出的吃水深度，并取其中的最大值作为船体实时吃水深度，而一定时间内最大的船体实时吃水深度值即为船体的最大吃水深度，为了方便航管运行人员判定超吃水船只，软件设定了超吃水警告功能，吃水警戒线可以在软件中设定，在显示界面中用一条红色色带来表示，当被测船只超出警戒吃水线时，软件会发出声光报警（上位机需要连接音箱），上位机软件系统界面参见图7。

在本发明系统中，水下单波束声纳基元阵列的安装地点、岸基声纳信号处理机的安放位置和控制监视地点分别处于不同地点，由于串口的传输距离有限，故采用了串口转以太网的方式让岸基声纳信号处理单元输出的信号接入水口电厂的局域网中，通过网络与上位机监控设备相连，设备传输网络如图8所示。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：包括单波束声纳基元阵列、声纳信号处理机和后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列安装在引航道横截面上，构成吃水深度检测门装置；所述单波束声纳基元阵列是一组单波束换能器的组合；

所述声纳信号处理机对各个换能器进行顺序采集、信号放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的数字信号通过RS485协议传输给后台主控系统；

所述单波束声纳基元阵列通过一水密电缆与置于岸边的声纳信号处理机进行连接；

所述后台主控系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行上位机软件系统；所述供电单元为整个系统提供电源。

2.根据权利要求1的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述一组单波束换能器包括安装在固定水深处的线阵声纳换能器组和安装在同样深度的引航道侧边单独换能器；所述换能器并联连接。

3.根据权利要求2的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述线阵声纳换能器组安装方式为：每隔0.5米布放一个换能器，作为垂直方向的测距基元；所述安装在同样深度的引航道侧边单独换能器，其信号收发的轨迹与引航道的实际宽度直线平行，用作实时水温的数据的获取。

4.根据权利要求2的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述一组单波束换能器安装的深度是待测船只最大吃水深度加上最大水位变化。

5.根据权利要求1的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述声纳信号处理机包括依次连接的收发转换开关模块、前置放大模块、带通滤波模块、二级放大模块、抗混叠滤波模块、模数转换模块、RS485接口电路、DSP信号处理模块、FPGA控制模块、波形发生器模块、功率放大器模块和阻抗匹配网络模块；所述阻抗匹配网络模块连接至收发转换开关模块；所述数字信号处理模块的收发转换开关模块连接至换能器组，所述RS485接口电路连接至主控计算机。

6.根据权利要求1的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述上位机软件系统分为两部分，一是给声纳信号处理机发送信号采集命令并接收声纳信号处理机返回的回波到达时间数据，通过一定的算法进行计算、校正并进行结果显示；二是对测量过程的数据变化进行记录和回放显示。

7.根据权利要求7的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述声纳信号处理机对于每个换能器采集的超声波回波到达时间，均整理成$CxxRxxxx数字信号格式，并通过串口协议传送给后台主控系统，其中的Cxx表示换能器的通道号，Rxxxx表示回波的传播时间。

8.根据权利要求1的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述单波束声纳基元阵列的安装地点、声纳信号处理机的安放位置和后台主控系统分别处于不同地点，由于串口的传输距离有限，采用串口转以太网的方式让声纳信号处理机输出的信号接入水电厂的局域网中，通过网络与后台主控系统相连。

9.根据权利要求1的基于单波束声纳阵列扫描技术船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述主控计算机还连接有音箱，所述主控计算机运行的上位机软件系统设定有超吃水警告功能，当被测船只超出警戒吃水线时，软件会发出声光报警。

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