CN104590502B - 一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法，所述的系统包括超声波发射阵列、超声波接收阵列、分时控制模块、竖直测距模块、水平测距模块、吃水检测处理单元和显示报警模块，所述的分时控制模块每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列中并控制相应的超声波发射传感器工作。本发明采取将超声波发射传感器固定成一纵列发射阵列的形式，方便了安装和检修。并且超声波发射阵列上的超声波发射传感器分时工作，不会相互干扰，使测量结果更加准确。本发明的超声波发射阵列中的超声波传感器安装个数较少，可以节约成本。本发明可以识别出不同的被测船舶的船底形状，并根据不同的船底形状采用不同的计算方法，提高了测量精度。

Description

一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种船舶吃水量的检测的方法，特别是一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法。

背景技术

目前内河航运运量逐年增加，船舶的吃水超限对航运安全的威胁日益严重，为保证航道安全，必须进行船舶吃水量测量。现有的船舶的吃水检测技术为将单列超声波传感器安装在检测门上，通过测量传感器阵列距船舶底部的距离得到吃水深度。这种形式具有以下缺点:

1、检测结构架安装在航道中，安装难度大；

2、不能适应水位变化，在枯水期时无法使用。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种安装简单、可消除不同船底形状带来的测量误差、且可以适应水位变化的侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波发射阵列、超声波接收阵列、分时控制模块、竖直测距模块、水平测距模块、吃水检测处理单元和显示报警模块，所述的分时控制模块通过数据线与超声波发射阵列连接，所述的超声波接收阵列、竖直测距模块、水平测距模块和显示报警模块分别通过数据线与吃水检测处理单元连接；

所述的超声波发射阵列由多个安装成一纵列的超声波发射传感器构成，所述的超声波接收阵列由多个安装成一纵列的超声波接收传感器构成，所述的分时控制模块安装在超声波发射阵列的一侧，具有每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列中并控制相应的超声波发射传感器工作的功能；所述的竖直测距模块用于测量安装点距水面的距离；所述的水平测距模块的水平测距点与超声波发射阵列位于同一竖直线上，用于测量安装点距过往船舶的距离；所述的吃水检测处理单元依据超声波接收阵列的数据判断出船舶吃水量。

一种侧扫式船舶吃水检测系统的检测方法，包括如下步骤：

A、安装超声波发射阵列和超声波接收阵列；

将超声波发射阵列安装在航道一侧的水下，并测量出竖直测距模块安装点距水面的距离d₀，通过已知的每个超声波发射传感器距竖直测距模块安装点的距离{d₁，d₂，….，d_n}，通过分别得出超声波发射传感器在水下距水面的距离{d₁’，d₂’，….，d_n’}。在航道的另一侧水下与超声波发射阵列相对应的位置安装超声波接收阵列，使超声波接收阵列接收到超声波发射阵列的超声波。

B、分时控制模块控制超声波发射阵列工作；

在一个工作周期T内，分时控制模块每隔一定的时间间隔t发送控制命令到超声波发射阵列中，使超声波发射阵列中的超声波发射传感器从上到下依次分时工作。

C、采集超声波接收阵列信号；

无船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}；有船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}。

D、水平测距模块测量水平距离；

水平测距模块测得超声波发射阵列距船体的距离L。

E、吃水检测处理单元处理数据；

通过船舶自动识别系统的信息得到船底吃水部位宽度为W，且已知超声波发射阵列与超声波接收阵列之间的水平距离为L₁，船底最低点到被遮挡的超声波发射传感器A_x的中心线距离为H，船舶驶过时，根据分时发射的超声波发射传感器对应的超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}与无船舶驶过时有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}进行对比。其中超声波发射传感器{A₁，A₂，….，A_x-1}发射时，因船舶遮挡超声波接收阵列不会接收到超声波信号；超声波发射传感器A_x发射时，超声波接收阵列接收到有效超声波信号，对应的有效圆的范围直径D_x’与D_x相比会缩小，说明船舶吃水值在A_x附近。

F、计算船舶吃水量；

若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器A_x超声波中心线之上，设超声波发射传感器A_x的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器A_x的中心点为对应超声波发射传感器A_x的超声波中心线；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器A_x的超声波中心线作垂线的交点为c，超声波发射传感器A_x的超声波中心线与超声波接收阵列的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器A_x的超声波中心线的竖直距离为H。e、f两点之间距离为Y_X＝D_X’-D_X/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*({D_X}^{\′}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水位置在超声波发射传感器A_x的超声波中心线之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H；

若超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与A_x测得的吃水量相差超过吃水检测处理单元的误差最大值，则说明被测船舶船底较为平缓有多个低点，并定义该船舶为船底较平缓船舶，转至步骤G进一步计算出船舶吃水量。若根据超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与超声波发射传感器A_x测得的吃水量不超过吃水检测处理单元的误差最大值，则定义该船舶为船底突出船舶，取A_x+1与A_x测得的吃水量平均值作为船舶的准确的吃水量。转步骤H。

G、若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器A_x的超声波中心线之上，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*({D_X}^{\&prime;}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水量在超声波发射传感器A_x的超声波中心线之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H。

H、报警显示

吃水检测处理单元根据船舶吃水量，判断船舶吃水量是否超限，如果超限则通过显示报警模块报警并报告船舶的吃水量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采取将超声波发射传感器固定成一纵列发射阵列的形式，方便了安装和检修。并且超声波发射阵列上的超声波发射传感器分时工作，不会相互干扰，使测量结果更加准确。

2、本发明的超声波发射阵列中的超声波传感器安装个数较少，可以节约成本。

3、本发明可以识别出不同的被测船舶的船底形状，并根据不同的船底形状采用不同的计算方法，提高了测量精度。

附图说明

本发明共有附图5幅，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作流程图。

图3为超声波发射传感器发射超声波示意图。

图4为船舶船底平缓的吃水深度示意图。

图5为船舶船底突出的吃水深度示意图。

图中：1、分时控制模块，2、超声波发射阵列，3、超声波接收阵列，4、水平测距模块，5、吃水检测处理单元，6、船底突出船舶，7、船底较平缓船舶，8、超声波发射传感器A_x的超声波中心线，9、竖直测距模块，10、显示报警模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波发射阵列2、超声波接收阵列3、分时控制模块1、竖直测距模块9、水平测距模块4、吃水检测处理单元5和显示报警模块10，所述的分时控制模块1通过数据线与超声波发射阵列2连接，所述的超声波接收阵列3、竖直测距模块9、水平测距模块4和显示报警模块10分别通过数据线与吃水检测处理单元5连接；

所述的超声波发射阵列2由多个安装成一纵列的超声波发射传感器构成，所述的超声波接收阵列3由多个安装成一纵列的超声波接收传感器构成，所述的分时控制模块1安装在超声波发射阵列2的一侧，具有每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列2中并控制相应的超声波发射传感器工作的功能；所述的竖直测距模块9用于测量安装点距水面的距离；所述的水平测距模块4的水平测距点与超声波发射阵列2位于同一竖直线上，用于测量安装点距过往船舶的距离；所述的吃水检测处理单元5依据超声波接收阵列3的数据判断出船舶吃水量。

如图2所示，一种侧扫式船舶吃水检测系统的检测方法，包括如下步骤：

A、安装超声波发射阵列2和超声波接收阵列3；

将超声波发射阵列2安装在航道一侧的水下，并测量出竖直测距模块9安装点距水面的距离d₀，通过已知的每个超声波发射传感器距竖直测距模块9安装点的距离{d₁，d₂，….，d_n}，通过分别得出超声波发射传感器在水下距水面的距离{d₁’，d₂’，….，d_n’}。在航道的另一侧水下与超声波发射阵列2相对应的位置安装超声波接收阵列3，使超声波接收阵列3接收到超声波发射阵列2的超声波。

B、分时控制模块1控制超声波发射阵列2工作；

在一个工作周期T内，分时控制模块1每隔一定的时间间隔t发送控制命令到超声波发射阵列2中，使超声波发射阵列2中的超声波发射传感器从上到下依次分时工作。

C、采集超声波接收阵列3信号；

无船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列3测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}；有船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列3测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}。

D、水平测距模块4测量水平距离；

水平测距模块4测得超声波发射阵列2距船体的距离L。

E、吃水检测处理单元5处理数据；

通过船舶自动识别系统的信息得到船底吃水部位宽度为W，且已知超声波发射阵列2与超声波接收阵列3之间的水平距离为L₁，船底最低点到被遮挡的超声波发射传感器A_x的中心线距离为H，船舶驶过时，根据分时发射的超声波发射传感器对应的超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}与无船舶驶过时有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}进行对比。其中超声波发射传感器{A₁，A₂，….，A_x-1}发射时，因船舶遮挡超声波接收阵列3不会接收到超声波信号；超声波发射传感器A_x发射时，超声波接收阵列3接收到有效超声波信号，对应的有效圆的范围直径D_x’与D_x相比会缩小，说明船舶吃水值在A_x附近。

F、计算船舶吃水量；

若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器A_x超声波中心线之上，设超声波发射传感器A_x的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器A_x的中心点为对应超声波发射传感器Ax的超声波中心线8；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器Ax的超声波中心线8作垂线的交点为c，超声波发射传感器Ax的超声波中心线8与超声波接收阵列3的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列3接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器Ax的超声波中心线8的竖直距离为H。e、f两点之间距离为Y_X＝D_X’-D_X/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*({D_X}^{\&prime;}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水位置在超声波发射传感器Ax的超声波中心线8之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H；

若超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与A_x测得的吃水量相差超过吃水检测处理单元5的误差最大值，则说明被测船舶船底较为平缓有多个低点，并定义该船舶为船底较平缓船舶7，如图4所示，转至步骤G进一步计算出船舶吃水量。若根据超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与超声波发射传感器A_x测得的吃水量不超过吃水检测处理单元5的误差最大值，则船舶船底较为突出，定义该船舶为船底突出船舶6，如图5所示，取A_x+1与A_x测得的吃水量平均值作为船舶的准确的吃水量。转步骤H。

G、若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器Ax的超声波中心线8之上，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*({D_X}^{\&prime;}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃 水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水量在超声波发射传感器Ax的超声波中心线8之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H。

H、报警显示

吃水检测处理单元5根据船舶吃水量，判断船舶吃水量是否超限，如果超限则通过显示报警模块10报警并报告船舶的吃水量。

Claims (2)

1.一种侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：包括超声波发射阵列(2)、超声波接收阵列(3)、分时控制模块(1)、竖直测距模块(9)、水平测距模块(4)、吃水检测处理单元(5)和显示报警模块(10)，所述的分时控制模块(1)通过数据线与超声波发射阵列(2)连接，所述的超声波接收阵列(3)、竖直测距模块(9)、水平测距模块(4)和显示报警模块(10)分别通过数据线与吃水检测处理单元(5)连接；

所述的超声波发射阵列(2)由多个安装成一纵列的超声波发射传感器构成，所述的超声波接收阵列(3)由多个安装成一纵列的超声波接收传感器构成，所述的分时控制模块(1)安装在超声波发射阵列(2)的一侧，具有每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列(2)中并控制相应的超声波发射传感器工作的功能；所述的竖直测距模块(9)用于测量安装点距水面的距离；所述的水平测距模块(4)的水平测距点与超声波发射阵列(2)位于同一竖直线上，用于测量安装点距过往船舶的距离；所述的吃水检测处理单元(5)依据超声波接收阵列(3)的数据判断出船舶吃水量。

2.一种侧扫式船舶吃水检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、安装超声波发射阵列(2)和超声波接收阵列(3)；

将超声波发射阵列(2)安装在航道一侧的水下，并测量出竖直测距模块(9)安装点距水面的距离d₀，通过已知的每个超声波发射传感器距竖直测距模块(9)安装点的距离{d₁，d₂，….，d_n}，分别得出超声波发射传感器在水下距水面的距离{d₁’，d₂’，….，d_n’}；在航道的另一侧水下与超声波发射阵列(2)相对应的位置安装超声波接收阵列(3)，使超声波接收阵列(3)接收到超声波发射阵列(2)的超声波；

B、分时控制模块(1)控制超声波发射阵列(2)工作；

在一个工作周期T内，分时控制模块(1)每隔一定的时间间隔t发送控制命令到超声波发射阵列(2)中，使超声波发射阵列(2)中的超声波发射传感器从上到下依次分时工作；

C、采集超声波接收阵列(3)信号；

无船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列(3)测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}；有船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列(3)测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}；

D、水平测距模块(4)测量水平距离；

水平测距模块(4)测得超声波发射阵列(2)距船体的距离L；

E、吃水检测处理单元(5)处理数据；

通过船舶自动识别系统的信息得到船底吃水部位宽度为W₁，且已知超声波发射阵列(2)与超声波接收阵列(3)之间的水平距离为L₁，船底最低点到被遮挡的超声波发射传感器A_x的中心线距离为H，船舶驶过时，根据分时发射的超声波发射传感器对应的超声波发射传感器的有效圆的直径{D₁’，D₂’,….,D_n’}与无船舶驶过时有效圆的直径{D₁，D₂,….,D_n}进行对比；其中超声波发射传感器{A₁，A₂，….，A_x-1}发射时，因船舶遮挡超声波接收阵列(3)不会接收到超声波信号；超声波发射传感器A_x发射时，超声波接收阵列(3)接收到有效超声波信号，对应的有效圆的范围直径D_x’与D_x相比会缩小，说明船舶吃水值在A_x附近；

F、计算船舶吃水量；

若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器A_x超声波中心线之上，设超声波发射传感器A_x的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器A_x的中心点为对应超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)作垂线的交点为c，超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)与超声波接收阵列(3)的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列(3)接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)的竖直距离为H；e、f两点之间距离为Y_X＝D_X’-D_X/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*({D_X}^{\&prime;}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水位置在超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1/2}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H；

若超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与A_x测得的吃水量相差超过吃水检测处理单元(5)的误差最大值，则说明被测船舶船底较为平缓有多个低点，并定义该船舶为船底较平缓船舶(7)，转至步骤G进一步计算出船舶吃水量；若根据超声波发射传感器A_X+1测得的吃水量与超声波发射传感器A_x测得的吃水量不超过吃水检测处理单元(5)的误差最大值，则定义该船舶为船底突出船舶(6)，取A_x+1与A_x测得的吃水量平均值作为船舶的准确的吃水量；转步骤H；

G、若D_X’>D_X/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)之上，则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*({D_X}^{\&prime;}-\frac{D_X}{2})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’-H；

若D_X’＝D_X/2，得出此时的船舶的吃水量为d_x’；

若D_X’<D_X/2,则船舶的吃水量在超声波发射传感器A_x的超声波中心线(8)之下，同理则有公式：

$H=\left(\frac{L+W_1}{L_1}\right)*(\frac{D_X}{2}-{D_X}^{\&prime;})$

得出此时船舶的吃水量为d_x’+H；

H、报警显示

吃水检测处理单元(5)根据船舶吃水量，判断船舶吃水量是否超限，如果超限则通过显示报警模块(10)报警并报告船舶的吃水量。