CN104386216A - 一种船舶吃水检测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶吃水检测系统及其工作方法，所述的系统包括单波束超声波传感器阵列、检测门、水上基准面测量装置、温度测量装置、声速标定装置和吃水检测处理单元。所述的声速标定装置包括长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置，分别安装在检测门的两侧，通过长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置来反射检测门两侧的一个或多个单波束超声波传感器发射的超声波。由于本发明将水下检测门安装深度的测量转换为水上距离测量，同时缩短测量距离，可以大幅度的提高精度，减小误差。本发明使用温度测量装置测量超声波传感器阵列的温度，并对使用的平均声速值进行修正。提高了现场使用的声速值的准确性。

Description

一种船舶吃水检测系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及船舶吃水检测、船舶运量检测、船舶安全检测等技术领域，特别是一种船舶吃水检测系统及其工作方法。 

背景技术

随着经济的发展，我国的内河航运量逐年增加，航道中船舶数量和密度均大幅提高，船舶吃水超限对航运安全的威胁日益严重，为了保证航道安全和通航效率，必须进行船舶吃水量测量。 

现有船舶吃水检测系统是将单波束超声波传感器阵列固定在检测门上，检测门的两端用缆绳悬挂在作为浮体的船体或固定在桥架、或沉放在水底上。通过在水下向水面发射超声波和接收超声波来得出超声波的飞行时间乘以声速得出检测门到水面的距离，即检测门安装深度。使用的声速是固定的声速值或依据现场温度通过查表法得出声速值。当有船只通过时，船底反射超声波，可以得出检测门到船舶的距离。吃水深度是水面到检测门的距离与检测门到船舶的距离做差得到。 

该系统目前存在的问题如下： 

1、检测门的安装深度测量误差大。 

2、使用的声速值与实际的值相差较大。因传感器处于浅水区变温层，不同深度温度不同。传感器测量的是浅水区变温层距离，温度不是单一值，造成测量误差大。 

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可提高测量精度的船舶吃水检测系统及其工作方法。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种船舶吃水检测系统，包括单波束超声波传感器阵列、检测门、水上基准面测量装置、温度测量装置、声速标定装置和吃水检测处理单元。所述的单波束超声波传感器阵列由多个单波束超声波传感器组成，所述的单波束超声波 传感器安装在检测门上，检测门两端用缆绳固定在水下，并在缆绳水面以上部分设置标识点。所述的声速标定装置包括已知遮挡距离的遮挡装置，所述的遮挡装置包括长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置，分别安装在检测门的两侧，通过长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置来反射检测门两侧的一个或多个单波束超声波传感器发射的超声波。所述的吃水检测处理单元包括补偿标定预处理模块和吃水检测处理模块，所述的补偿标定预处理模块用来构建和存储声速表，所述的吃水检测处理模块计算得出船舶吃水量。所述的温度测量装置安装在每一个单波束超声波传感器附近并将测量的温度值输入到补偿标定预处理模块。所述的水上基准面测量装置安装在缆绳标识点处。 

一种船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤： 

A、检测门安装深度测量 

通过测距仪测得水上基准面测量装置测得标识点距水面的距离h₂，由于标识点距检测门的距离h₁已知，故通过以下公式计算检测门在水下深度h₃： 

h₃＝h₁-h₂

B、声速标定 

声速标定装置通过遮挡装置已知的超声波的传播距离d和单波束超声波传感器测得的飞行时间t，通过以下公式计算得出实时声速值。 

v＝d\t 

C、预先测得声速表 

工作前，用声速标定装置预先构建检测门安装位置在浑水、略浑水、清水不同水质情况的声速与温度关系表。在一定范围内，声速V_T和温度T满足V_T＝V₀+K(T-T₀)的关系。 

D、修订预先测得声速表 

工作时，用声速标定装置实时计算声速-温度修订值。用声速标定装置中的长距离遮挡超声波装置标定一个长距离d₁的平均声速V₁值，用声速标定装置中的短距离遮挡超声波装置标定一个短距离d₂的平均声速V₂值。声速标定装置精确测得超声波的飞行时间和声速标定装置遮挡的单波束超声波传感器附近的温度测量装置测量的温度值，根据已知声速标定装置测量距离，计算声速标定装置所处位置平均声速。采用声速标定装置中的长距离遮挡超声波装置和声速标定装置中的短距离遮挡超声波装置测出吃水检测门不同测量距离和不同温度条 件的平均声速。具体修订步骤如下： 

当船舶的吃水量在声速标定装置的长距离遮挡面的上表面以上或附近的船舶，转步骤D1；当船舶的吃水量在声速标定装置的短距离遮挡面的上表面以下或附近的船舶，转步骤D2；当船舶吃水位置在声速标定的长距离遮挡面和短距离遮挡面之间船舶，转步骤D3； 

D1、使用声速标定装置中的长距离遮挡面的声速值V₁和温度值T₁修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值。转步骤E； 

D2、使用声速标定装置中的短距离遮挡面的声速值V₂和温度值T₂修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值。转步骤E； 

D3、使用声速标定装置的长距离d₁和短距离d₂组合修订法。通过公式： 

V＝2*[(t-t₂)*(d₁-d₂)/(t₁-t₂)+d₂]/t 

计算出平均声速V₅和测得的温度T₅修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值。 

E、查询声速值 

通过检测门上的温度测量装置，将实测的温度值输入补偿标定预处理模块查询声速表得出声速值。 

F、计算吃水检测结果 

吃水检测处理单元根据单波束超声波传感器测得的飞行时间和步骤E中修订后的准确声速值的乘积得出检测门到船舶的距离h₄。检测门的深度h₃与检测门到船舶的距离h₄的差为船舶的吃水数据结果。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

1、由于本发明将水下检测门安装深度的测量转换为水上距离测量，同时缩短测量距离，可以大幅度的提高精度，减小误差。与安装在水下的测量装置相比，水上基准面测量装置安装在水上标识点处，更利于提高设备的稳定性，易于安装调试。 

2、由于本发明在检测门上安装声速标定装置，测得实际平均声速并对预先构造的声速值进行修改，消除了因现场水质和温度变化带来的影响。使用温度测量装置测量超声波传感器阵列的温度，并对使用的平均声速值进行修正。提高了现场使用的声速值的准确性。 

3、由于本发明使用声速标定装置根据不同的吃水量来选择不同距离的平均 声速，实时修订预先构建的声速表的方法，进一步提高了现象使用的声速值的准确性。 

附图说明

本发明共有附图5张，其中： 

图1为本发明的结构示意图。 

图2为本发明的原理框图。 

图3为水上基准面测量原理示意图。 

图4为声速标定装置安装示意图。 

图中：1、浮体或固定装置，2、卷扬装置，3、水上基准面测量装置，4、缆绳，5、检测门，6、单波束超声波传感器阵列，7、声速标定装置，8、温度测量装置，9、吃水检测处理单元。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明： 

如图1所示，一种高精度吃水检测系统，包括水上基准面测量装置3、单波束超声波传感器阵列6、声速标定装置7、温度测量装置8和吃水检测处理单元9。检测门5通过缆绳4安装在浮体或固定装置1上，单波束超声波传感器阵列6安装在检测门5上，声速标定装置7安装在检测门5的两端，检测门5的两端通过缆绳4由两个卷扬装置2悬吊在水下预设深度为H的位置，在两个标识点上安装水上基准面测量装置3，若一侧一条缆绳4悬挂可安装一台水上基准面测量装置；若悬挂多条缆绳4且间距较大，可安装多台水上基准面测量装置。本发明各模块之间的相互联系如图2所示。 

本发明的具体操作步骤如下： 

S1、如图3所示，水上基准面测量装置3测得标识点距水面的距离h₂，并已知标识点距检测门5的距离h₁(安装前已准确测出)。通过公式： 

h₃＝h₁-h₂

计算得出检测门5在水下深度h₃。 

S2、工作前用声速标定装置7预先构建检测门5安装位置在浑水、略浑水、清水不同水质情况的声速与温度关系表，在一定范围内，声速V_T和温度T满足V_T＝V₀+K(T-T₀)的关系。 

S3、工作中，如图4所示，声速标定装置7测得已知单波束超声波传感器 距声速标定装置7遮挡面的距离d₁、d₂、d₃和d₄对应的超声波飞行时间t₁、t₂、t₃和t₄，通过速度计算公式得出，在现场水质中超声波从检测门5到声速标定装置7的平均声速分别为v₁、v₂、v₃和v₄。 

S4、当有船只驶过反射单波束超声波传感器发射的超声波时，超声波经过船底反射回到单波束超声波传感器，可以测得超声波的飞行时间t。检测门5上布置的温度测量装置8测得现场的温度，通过查询预先构建的声速-温度表得出声速值。通过声速和飞行时间可以计算出检测门5大概的最大吃水量h。补偿标定预处理模块9根据初步测量的最大吃水深度h进行声速修订，得出更准确的声速值进而得出测量点更加准确的吃水值。如图4中的船A吃水测量点位置在声速标定装置7以上的船舶使用声速标定中的v₁和v₄进行修订；船C吃水测量点位置在声速标定装置7以下的船舶使用声速标定中的v₂和v₃进行修订；船B吃水测量点位置在声速标定装置7之间的船舶，使用分段组合修正，即: 

V₅＝2*[(t-t₂)*(d₁-d₂)/(t₁-t₂)+d₂]/t 

V₆＝2*[(t-t₃)*(d₄-d₃)/(t₄-t₃)+d₃]/t 

修订方法为：将每次测量的检测门5两端的速度和温度取平均值，修订原查询表中的计算公式： 

V_T＝V₀+K(T-T₀) 

中的V₀值，也可采用其它相似的修订方法。 

S5、检测门5上的温度测量装置8测出温度{T₃,T₄,…T_N-2}后，使用修订后的声速表中温度值{T₃,T₄,…T_N-2}对应的声速值{V′₃,V′₄,…V′_N-2}。 

S6、吃水检测处理单元10将步骤S5中的声速值{V′₃,V′₄,…V′_N-2}和飞行时间值{t₃，t₄，...t_N-2}通过下面公式，得出检测门5测量点到船舶的距离{G₃，G₄，...G_N-2}。 

G＝V*t 

S7、使用步骤S1计算的检测门5到标识点的距离h₃和步骤S4中的检测门5到船舶的距离{G₃，G₄，...G_N-2}。通过公式计算可以得出船舶测量点的水下吃水深度{H₃，H₄，...H_N-2}，可以得到更高精度的通航船舶吃水量检测结果。 

{H₃，H₄，...H_N-2}＝h₃-{G₃，G₄，...G_N-2}。 

Claims (2)

1.一种船舶吃水检测系统，其特征在于：包括单波束超声波传感器阵列(6)、检测门(5)、水上基准面测量装置(3)、温度测量装置(8)、声速标定装置(7)和吃水检测处理单元(9)；所述的单波束超声波传感器阵列(6)由多个单波束超声波传感器组成，所述的单波束超声波传感器安装在检测门(5)上，检测门(5)两端用缆绳(4)固定在水下，并在缆绳(4)水面以上部分设置标识点；所述的声速标定装置(7)包括已知遮挡距离的遮挡装置，所述的遮挡装置包括长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置，分别安装在检测门(5)的两侧，通过长距离遮挡超声波装置和短距离遮挡超声波装置来反射检测门(5)两侧的一个或多个单波束超声波传感器发射的超声波；所述的吃水检测处理单元(9)包括补偿标定预处理模块和吃水检测处理模块，所述的补偿标定预处理模块用来构建和存储声速表，所述的吃水检测处理模块计算得出船舶吃水量；所述的温度测量装置(8)安装在每一个单波束超声波传感器附近并将测量的温度值输入到补偿标定预处理模块；所述的水上基准面测量装置(3)安装在缆绳(4)标识点处。

2.一种船舶吃水检测系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、检测门(5)安装深度测量

通过测距仪测得水上基准面测量装置(3)测得标识点距水面的距离h₂，由于标识点距检测门(5)的距离h₁已知，故通过以下公式计算检测门(5)在水下深度h₃：

h₃＝h₁-h₂

B、声速标定

声速标定装置(7)通过遮挡装置已知的超声波的传播距离d和单波束超声波传感器测得的飞行时间t，通过以下公式计算得出实时声速值；

v＝d\t

C、预先测得声速表

工作前，用声速标定装置(7)预先构建检测门(5)安装位置在浑水、略浑水、清水不同水质情况的声速与温度关系表；在一定范围内，声速V_T和温度T满足V_T＝V₀+K(T-T₀)的关系；

D、修订预先测得声速表

工作时，用声速标定装置(7)实时计算声速-温度修订值；用声速标定装置(7)中的长距离遮挡超声波装置标定一个长距离d₁的平均声速V₁值，用声速标定装置(7)中的短距离遮挡超声波装置标定一个短距离d₂的平均声速V₂值；声速标定装置(7)精确测得超声波的飞行时间和声速标定装置(7)遮挡的单波束超声波传感器附近的温度测量装置(8)测量的温度值，根据已知声速标定装置(7)测量距离，计算声速标定装置(7)所处位置平均声速；采用声速标定装置(7)中的长距离遮挡超声波装置和声速标定装置(7)中的短距离遮挡超声波装置测出吃水检测门(5)不同测量距离和不同温度条件的平均声速；具体修订步骤如下：

当船舶的吃水量在声速标定装置(7)的长距离遮挡面的上表面以上或附近的船舶，转步骤D1；当船舶的吃水量在声速标定装置(7)的短距离遮挡面的上表面以下或附近的船舶，转步骤D2；当船舶吃水位置在声速标定的长距离遮挡面和短距离遮挡面之间船舶，转步骤D3；

D1、使用声速标定装置(7)中的长距离遮挡面的声速值V₁和温度值T₁修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值；转步骤E；

D2、使用声速标定装置(7)中的短距离遮挡面的声速值V₂和温度值T₂修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值；转步骤E；

D3、使用声速标定装置(7)的长距离d₁和短距离d₂组合修订法；通过公式：

V＝2*[(t-t₂)*(d₁-d₂)/(t₁-t₂)+d₂]/t

计算出平均声速V₅和测得的温度T₅修订预先测得声速表，即得到新的V₀和T₀值；

E、查询声速值

通过检测门(5)上的温度测量装置(8)，将实测的温度值输入补偿标定预处理模块查询声速表得出声速值；

F、计算吃水检测结果

吃水检测处理单元(9)根据单波束超声波传感器测得的飞行时间和步骤E中修订后的准确声速值的乘积得出检测门(5)到船舶的距离h₄；检测门(5)的深度h₃与检测门(5)到船舶的距离h₄的差为船舶的吃水数据结果。