CN103675823B - 基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统。包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块，声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；主控子系统包括主控计算机和供电单元，主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件。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
技术领域
本发明涉及一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统。
背景技术
船舶“超吃水”航行主要是指其为了经济利益，在吃水超过所经航道水深而不采取减载措施的行为。轻则造成通航阻塞，重则造成船舶搁浅、船闸或升船机损坏、甚至人身伤亡的严重事故。
由于通航船舶的船型标准化程度不高，且航道水位变化较大，极容易产生“超吃水”，直接影响通航安全。近年来，该现象已成为威胁水电站通航枢纽安全运行的最严重、最迫切的问题。为保证通航枢纽安全畅通，水电站公司每年组织清障爆破，保证航道畅通。但受利益驱使，一些船主置国家航运超载的禁令于不顾，采取瞒报船舶吃水吨位、制造假吃水线等手法逃避检查。
目前，面对船舶“吃水深度”数据测量的需求，国内外的相应检测手段均处于初步研究阶段，尚未有市场化、成品化的系统出现。而国内大多航运管理单位所采取的“人工观测”、“压力传感”等测量方法，均无法满足“离船、快速、自动”的检测要求，且测量误差大，数据可信度低，造成通航事故频发，严重影响了航运调度正常开展。
为此，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，分别在水口大坝上、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。
本系统是位于水电站大坝上游侧，基于“多波束侧扫声纳检测”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、测量精度高特点的基于多波束侧扫声纳技术的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：一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；
所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；
所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；
所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；
所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。
在本发明实施例中，所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。
在本发明实施例中，所述步进电机的驱动扫描流程如下，
步骤S01：启动扫描，设置参数：扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向；
步骤S02：开始扫描：移动一个步长，计数器变化1，测量一次；
步骤S03：判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步；
步骤S04：判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02；若否，直接执行步骤S02。
在本发明实施例中，所述转动电机采用步进电机，所述步进电机的转轴伸出水密电子舱的顶部，并与超声波换能器的360°转动轴连接，带动超声波换能器转动。
在本发明实施例中，所述水密电子舱固定连接在钢制架构的一端，并通过钢制架构固定安装于水下6米位置，所述钢制架构的另一端依托于水电站上游岸基。
在本发明实施例中，所述数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议传输给主控计算机，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心。
在本发明实施例中，所述数字信号处理模块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、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FPGA控制模块还依次连接有DSP信号处理模块和RS458接口电路；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超声波换能器，所述RS485接口电路连接至主控计算机。
在本发明实施例中，所述船舶吃水深度自动测量系统显控软件分为两个部分：1、向数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收数字信号处理模块采集回来的信号；2、根据信号的强度不同，对其进行阈值判断，把其映射为不同颜色的点、线在主控计算机的程序上拟合出来，显示出测量范围内的目标、障碍物情况，并进行测量数据回放显示。
在本发明实施例中，所述系统采用比对法来补偿因温度造成的误差，所述对比法即选择向正上方发送的一列波束作为比对标准，测出该方向上回波到达时间，得到实际声速；所述系统在时间上和空间上为孤立、跳变的异常点进行后台数据分析和滤除，以消除鱼类、悬浮物和船体气泡的影响。
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是本发明系统构成图。
图2是本发明多波束声纳工作原理示意图。
图3是本发明电机驱动扫描流程图。
图4是本发明数字信号处理模块电路图。
图5是本发明系统信号处理流程图。
图6是本发明主控机软件测量界面图。
图7是本发明排除鱼类对测量的影响示意图。
图8是本发明排除气泡对测量的影响示意图。
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1所示，本发明实施例的一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；
所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；
所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；
所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；
所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。
在本发明实施例中，所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。
在本发明实施例中，所述步进电机的驱动扫描流程如下，
步骤S01：启动扫描，设置参数：扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向；
步骤S02：开始扫描：移动一个步长，计数器变化1，测量一次；
步骤S03：判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步；
步骤S04：判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02；若否，直接执行步骤S02。
在本发明实施例中，所述转动电机采用步进电机，所述步进电机的转轴伸出水密电子舱的顶部，并与超声波换能器的360°转动轴连接，带动超声波换能器转动。
在本发明实施例中，所述水密电子舱固定连接在钢制架构的一端，并通过钢制架构固定安装于水下6米位置，所述钢制架构的另一端依托于水电站上游岸基。
在本发明实施例中，所述数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议传输给主控计算机，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心。
在本发明实施例中，所述数字信号处理模块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、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FPGA控制模块还依次连接有DSP信号处理模块和RS458接口电路；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超声波换能器，所述RS485接口电路连接至主控计算机。
在本发明实施例中，所述船舶吃水深度自动测量系统显控软件分为两个部分：1、向数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收数字信号处理模块采集回来的信号；2、根据信号的强度不同，对其进行阈值判断，把其映射为不同颜色的点、线在主控计算机的程序上拟合出来，显示出测量范围内的目标、障碍物情况，并进行测量数据回放显示。
在本发明实施例中，所述系统采用比对法来补偿因温度造成的误差，所述对比法即选择向正上方发送的一列波束作为比对标准，测出该方向上回波到达时间，得到实际声速；所述系统在时间上和空间上为孤立、跳变的异常点进行后台数据分析和滤除，以消除鱼类、悬浮物和船体气泡的影响。
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。
如图2所示，由于本系统需要测量的是经过某一特定区域内（如距离码头10-12m宽度范围内）的船只吃水深度，因此可以考虑将本系统的单只声纳换能器固定安装在水面下的某一固定深度，通过转动声纳换能器的朝向来改变它向水面发射信号的角度，同时也接收该角度上的回波反射信号，从而得到该传播方向上目标的距离信息。
如图1所示，本发明系统测量过程中，将硬件系统安装在码头一侧，并利用电机带动水下声纳换能器探头的转动方向，得到一个扫描周期中与船只航迹垂直的平面内的信号反射情况；同时在软件系统中根据角度和距离关系，计算出船只剖面上各点的吃水深度。
如图2所示，在本实施例中，水下声纳扫描子系统由1个超声波换能器，1个带动其转动的步进电机构成；超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；由于需要测量的距离为10-12米，根据角度和距离的换算关系，本系统中将超声波换能器固定安装在水面以下6米位置，扫描测量的范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°，一共扫描返回37组数据，每一组数据反映的是一个角度方向上的测量值，数据的内容格式为：数据头+角度值+500个回波信号数据，数据头是用于判断是否为一组新的数据，作用相当于标记；角度值反映的就是换能器当前所处的角度；500个回波数据就是经过采集模块采集到的回波数字信号，然后根据每一点的信号数值的强弱在软件的显示界面上的相应位置点映射为相应颜色，从而得到测量图像，即实现对37个点的距离测算，从而构成一次船型数据的采集图；如图3所示为电机驱动扫描的流程图，其扫描流程如下：
步骤S01：启动扫描，设置参数：扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向；
步骤S02：开始扫描：移动一个步长，计数器变化1，测量一次；
步骤S03：判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步；
步骤S04：判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02；若否，直接执行步骤S02。
在本实施例中，声纳信号处理子系统包含水密电子舱，及位于其中的数字信号处理模块；其中水密电子舱是主控子系统和扫描子系统的连接部分，通过一条水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；声纳信号处理部分主要是对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议传输给后台主控计算机，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心；同时该数字信号处理模块也接收主控计算机的主控系统程序下达的命令，并进行信号发发生、发射、收发开关动作等一系动作。
如图4所示为数字信号处理模块电路图，数字信号处理模块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、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FPGA控制模块还依次连接有DSP信号处理模块和RS458接口电路；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超声波换能器，所述RS485接口电路连接至主控计算机。
在本实施例中，主控子系统由供电单元和主控计算机构成；主控计算机上运行自行开发的船舶吃水深度自动测量系统显控软件；供电单元为水下声纳分系统提供直流电源。
其中主控软件的功能设计分为两部分：1、向下位机发送信号采集命令，并接收下位机采集回来的信号；2、根据信号的强度不同，对其进行阈值判断，把其映射为不同颜色的点、线在上位机程序上拟合出来，显示出测量范围内的目标\障碍物情况，并进行测量数据回放显示；图5为系统信号处理流程图，图6为本发明实施例的主控子系统的软件测量界面图。
本系统实际应用中，将所有检测设备的硬件系统集中安装在水口大坝上游码头一侧；为了适应户外的环境，使用485协议通信，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心。
本发明系统实测主要受到几个因素的影响，经过多处试验和修正，基本达到排除干扰的目的。
1、温度影响：
温度是影响声波在水里传播的主要因素，会影响到测量距离的精度，一般的声学测量仪器都会对温度进行补偿，在本发明系统中，补偿温度的方法是用了比对法，即选择向正上方发送的一列波束作为比对标准，测出该方向上回波到达时间，得到实际声速；这样测量的声速较为精确，而且在系统的结构上较为简单，易于设计安装（不必附加温度传感器），由于本系统的应用环境中库区水面平坦，正上方无障碍物，无船只通过，因此可以得到较好实现。
2、鱼类、悬浮物影响：
根据船体吃水深度不会发生剧烈突变的特征，把一些在时间上和空间上为孤立、跳变的异常点进行后台数据分析和滤除，最终得到实际数据，图7给出了在鱼群影响下，测出准确数据的界面图，其中由于鱼类造成的回波反射，能够测到的最低反射点约为水面下3.3米，但实际吃水深度数据显示为0.75米。
3、船底气泡影响：
船体螺旋桨造成的大量气泡也是对测量精度的重要影响，本发明系统目前已根据船体吃水深度的一些特征（如在时间上不会有太大突变，扫描的一个横截面上不会有太大的突变）进行数据分析，改进后的软件基本能将气泡图像排除，在实际应用中还需要长期观察，获取气泡数据类型，进行相关的建模和计算，达到更高的精度，图8给出了在气泡影响下，测出准确数据的界面图，其中由于气泡造成的回波反射，能够测到的最低反射点约为水面下3米，但实际吃水深度数据显示为0.78米。
本发明系统实际应用中，将所有检测设备集中安装在水口大坝上游码头一侧，使得经过船只不必停驶就能接受测量，实现了快速高效的单边检测；测量所得的数据实时传输至调度中心，并在软件界面中将船只实时剖面图进行直观展示，为调度者提供第一手证据，提前防止“超吃水”船只通过水口大坝，真正达到“事前预防、事中控制”的目的。
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 (6)
1.一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；
所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；
所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；
所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；
所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源；
所述水密电子舱固定连接在钢制架构的一端，并通过钢制架构固定安装于水下6米位置，所述钢制架构的另一端依托于水电站上游岸基；
所述船舶吃水深度自动测量系统显控软件分为两个部分：1、向数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收数字信号处理模块采集回来的信号；2、根据信号的强度不同，对其进行阈值判断，把其映射为不同颜色的点、线在主控计算机的程序上拟合出来，显示出测量范围内的目标、障碍物情况，并进行测量数据回放显示；所述系统采用比对法来补偿因温度造成的误差，所述比对法即选择向正上方发送的一列波束作为比对标准，测出该方向上回波到达时间，得到实际声速；所述系统在时间上和空间上为孤立、跳变的异常点进行后台数据分析和滤除。
2.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。
3.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述转动电机的驱动扫描流程如下，
步骤S01：启动扫描，设置参数：扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向；
步骤S02：开始扫描：移动一个步长，计数器变化1，测量一次；
步骤S03：判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步；
步骤S04：判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02；若否，直接执行步骤S02。
4.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述转动电机采用步进电机，所述步进电机的转轴伸出水密电子舱的顶部，并与超声波换能器的360°转动轴连接，带动超声波换能器转动。
5.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议传输给主控计算机，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心。
6.根据权利要求5所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：所述数字信号处理模块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、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FPGA控制模块还依次连接有DSP信号处理模块和RS458接口电路；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超声波换能器，所述RS485接口电路连接至主控计算机。
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