CN105539761A - 一种宽范围侧扫式吃水检测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种宽范围侧扫式吃水检测系统及其工作方法，包括发射端压力传感器模块、发射工作组选通及使能模块、同步模块、超声波发射模块、接收端压力传感器模块、接收工作组选通模块、超声波接收模块、数据采集及处理模块和数据传输模块；所述的数据采集及处理模块通过数据线与超声波接收模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、同步模块、数据传输模块连接；所述的同步模块通过数据线与发射组工作组选通及使能模块、数据采集及处理模块连接；所述的接收工作组选通模块控制超声波接收模块供电、通过数据线与接收端压力传感器模块连接。本发明降低了功耗及超声波发射探头之间的干扰，因为在相同时间内测量点数增加，所以提高了系统的测量精度，且延长了系统寿命。

Description

一种宽范围侧扫式吃水检测系统及其工作方法

技术领域

本发明应用于船舶吃水检测和船舶安全检测等领域，特别涉及一种宽范围侧扫式吃水检测系统及其工作方法。

背景技术

目前，随着内河航运量不断增大，船舶密度大幅提高。船舶吃水检测对于保障通航船舶安全具有十分重要的意义。受水位变化影响，现有的侧扫式吃水检测系统是利用机械装置改变超声波发射阵列相对水面的位置，然后利用同步使能模块分时控制超声波发射阵列等间隔地依次循环发射超声波，再根据超声波接收阵列接收的直达波推出船舶吃水深度。此方法不仅设备检修不便，而且所有超声波发射探头同时工作增加了功耗以及超声波发射探头之间的干扰。因此，该方法有一定的局限性。

发明内容

为解决以上问题，本发明要提出一种设备检修方便、降低功耗、降低超声波发射探头之间干扰的宽范围侧扫式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：

一种宽范围侧扫式吃水检测系统，包括发射端压力传感器模块、发射工作组选通及使能模块、同步模块、超声波发射模块、接收端压力传感器模块、接收工作组选通模块、超声波接收模块、数据采集及处理模块和数据传输模块；所述的数据采集及处理模块通过数据线与超声波接收模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、同步模块、数据传输模块连接；所述的同步模块通过数据线与发射组工作组选通及使能模块、数据采集及处理模块连接；所述的接收工作组选通模块控制超声波接收模块供电、通过数据线与接收端压力传感器模块连接；所述的发射工作组选通及使能模块控制超声波发射模块供电及发射，通过数据线与发射端压力传感器、同步模块连接；超声波发射模块构成发射端；超声波接收模块构成接收端；所述的超声波发射模块由N组超声波发射子阵列和一个安装支架组成；所述的N组超声波发射子阵列由N*M个超声波发射探头以间距d排成一列安装于安装支架上，每组长度为(M-1)*d,设安装支架上超声波发射子阵列从上而下依次编号为0，1，2，….，N-1，

其中M≥1；

超声波发射探头安装时，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直，然后将安装支架固定在航道一侧，保证上电工作的超声波发射子阵列完全浸没水中且安装支架所在的平面与水平面垂直；所述的发射端压力传感器模块安装在编号为N-1的超声波发射子阵列的末端，其通过测量超声波发射子阵列末端距离水面的压力来测量超声波发射子阵列末端距离水面的深度H；所述的同步模块固定在发射端一侧，其产生的同步信号给发射工作组选通及使能模块、数据采集及处理模块，保证发射端和接收端同步；所述的发射工作组选通及使能模块由数据处理单元、N个供电开关、发射使能构成，设N个供电开关依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收发射端压力传感器传送的水位信息及同步模块传送的同步信号，根据水位信息计算出符合要求的超声波发射子阵列编号并闭合供电开关使其处于上电状态，根据同步模块传送的同步信号发射使能超声波发射子阵列；所述的超声波接收模块由N组超声波接收子阵列和一个安装支架组成；其安装和编号方式同超声波发射模块相同，然后将安装支架固定在航道另一侧，并且保证安装支架长度方向中心线与水面垂直；所述的接收端压力传感器模块安装在编号为N-1的超声波接收子阵列的末端，其通过测量超声波接收子阵列末端距离水面的压力来测量超声波接收子阵列末端距离水面的深度L；所述的接收工作组选通模块由数据处理单元、N个供电开关构成，设N个供电开关依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收接收端压力传感器传送的水位信息，根据水位信息计算出符合要求的超声波接收子阵列编号并闭合供电开关使其处于上电状态；所述的数据采集及处理模块安装在接收端一侧，采集发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、同步模块以及超声波接收子阵列接收的信号，根据发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、同步模块以及超声波接收子阵列接收的信号强弱计算出出船舶吃水深度；所述的数据传输模块安装在接收端一侧的岸上，其传输吃水值给显示单元。

一种宽范围侧扫式吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤：

A、产生同步信号

同步模块产生同步信号，传给发射工作组选通及使能模块和数据采集及处理模块；

B、采集发射端压力传感器距离水面深度；

发射端压力传感器模块采集编号为N-1的超声波发射子阵列末端距离水面深度H然后传输给发射工作组选通及使能模块和数据采集及处理模块。

C、选通超声波发射子阵列并发射使能；

发射工作组选通模块中的数据处理单元接收发射端压力传感器传送的水位深度信息以及同步模块传送的同步信号，数据处理单元对水位深度变化信息进行判断，分两种情况：

C1、在水位变化平稳的情况下，根据船舶的申报吃水深度D以及发射端压力传感器模块传送的深度信息H计算出用于系统测量的超声波发射子阵列编号最大值I

$I=INT\left(\frac{D-H+N*(M-1)*d}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

闭合编号为I-1，I，I+1的供电开关并使能超声波发射子阵列；

C2、当水位变化ΔH超出一定范围时，相应的超声波发射子阵列编号向上或向下移动i个，

$i=INT\left(\frac{\mathrm{\Δ}H}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

当水位上涨ΔH超出一定范围时，相应闭合编号为I-1-i，I-i，I+1-i的供电开关并使能超声波发射子阵列；水位下降时，同理。

D、采集接收端压力传感器距离水面深度

接收端压力传感器模块采集编号为N-1的超声波接收子阵列末端距离水面深度L，然后传输给接收工作组选通模块和数据采集及处理模块。

E、选通超声波接收子阵列；

接收工作组选通模块中的数据处理单元接收接收端压力传感器传送的水位深度信息，选择超声波接收子阵列的方法与选择超声波发射子阵列方法相同，然后闭合供电开关，并把数据传给数据采集及处理模块；

F、数据采集及处理；

数据采集及处理模块将采集的发射端压力传感器模块深度值H、接收端压力传感器模块深度值L求和取平均后计算出超声波接收模块水下第一个超声波接收探头距离水面深度S,在同步信号有效范围内根据超声波接收子阵列接收的信号强弱计算出最后一个被遮挡超声波接收探头距离第一个超声波接收探头的长度X进而计算出吃水深度为S+X。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、由于本发明采用发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块实时采集水位深度信息，根据水位信息变化合理选择超声波发射子阵列和超声波接收子阵列，因此更适合宽范围水下船舶吃水检测。

2、一种宽范围侧扫式吃水检测系统采用简单的固定安装方式，系统不需要升降装置，因此，设备检修方便。

3、一种宽范围侧扫式吃水检测系统工作时仅需几组超声波发射子阵列和几组超声波接收子阵列，降低了功耗及超声波发射探头之间的干扰，因为在相同时间内测量点数增加，所以提高了系统的测量精度，且延长了系统寿命。

附图说明

本发明共有附图3幅，其中：

图1为一种宽范围侧扫式吃水检测系统的流程图。

图2为一种宽范围侧扫式吃水检测系统的安装图。

图3为水位上涨时一种宽范围侧扫式吃水检测系统工作图。

图中：1、发射端压力传感器模块，2、发射工作组选通及使能模块，3、超声波发射模块，4、超声波接收模块，5、接收工作组选通模块，6、接收端压力传感器模块，7、同步模块，8、数据采集及处理模块，9、数据传输模块，10、供电开关，11、发射使能，12、超声波发射子阵列，13、超声波接收子阵列。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明：

一种宽范围侧扫式吃水检测系统，包括发射端压力传感器模块1、发射工作组选通及使能模块2、同步模块7、超声波发射模块3、接收端压力传感器模块6、接收工作组选通模块5、超声波接收模块4、数据采集及处理模块8和数据传输模块9；所述的数据采集及处理模块8通过数据线与超声波接收模块4、发射端压力传感器模块1、接收端压力传感器模块6、数据传输模块9、同步模块7连接；所述的同步模块7通过数据线与发射组工作组选通及使能模块2、数据采集及处理模块8连接；所述的接收工作组选通模块5控制超声波接收模块4供电、并通过数据线与接收端压力传感器模块6连接；所述的发射工作组选通及使能模块2控制超声波发射模块3供电及发射，通过数据线与发射端压力传感器1、同步模块连接7连接；超声波发射模块3构成发射端；超声波接收模块4构成接收端；所述的超声波发射模块3由N组超声波发射子阵列12和一个安装支架组成；所述的N组超声波发射子阵列12由N*M个超声波发射探头以间距d排成一列安装于安装支架上，每组长度为(M-1)*d,设安装支架上超声波发射子阵列12从上而下依次编号为0，1，2，….，N-1，

其中M≥1；

超声波发射探头安装时，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直，然后将安装支架固定在航道一侧，保证上电工作的超声波发射子阵列12完全浸没水中且安装支架所在的平面与水平面垂直；所述的发射端压力传感器模块1安装在编号为N-1的超声波发射子阵列12的末端，其通过测量超声波发射子阵列12末端距离水面的压力来测量超声波发射子阵列12末端距离水面的深度H；所述的同步模块7固定在发射端一侧，其产生的同步信号给发射工作组选通及使能模块2、数据采集及处理8模块，保证发射端和接收端同步；所述的发射工作组选通模块2由数据处理单元、N个供电开关10、发射使能11构成，设N个供电开关10依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收发射端压力传感器1传送的水位信息及同步模块7传送的同步信号，根据水位信息计算出符合要求的超声波发射子阵列12编号并闭合供电开关10使其处于上电状态，根据同步模块7传送的同步信号发射使能超声波发射子阵列12；所述的超声波接收模块4由N组超声波接收子阵列13和一个安装支架组成；其安装和编号方式同超声波发射模块3相同，然后将安装支架固定在航道另一侧，并且保证安装支架长度方向中心线与水面垂直；所述的接收端压力传感器模块6安装在编号为N-1的超声波接收子阵列13的末端，其通过测量超声波接收子阵列13末端距离水面的压力来测量超声波接收子阵列13末端距离水面的深度L；所述的接收工作组选通模块5由数据处理单元、N个供电开关10构成，设N个供电开关10依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收接收端压力传感器6传送的水位信息，根据水位信息计算出符合要求的超声波接收子阵列13编号并闭合供电开关10使其处于上电状态；所述的数据采集及处理模块8安装在接收端一侧，采集发射端压力传感器模块1、接收端压力传感器模块6、同步模块7以及超声波接收子阵列13接收的信号，根据发射端压力传感器模块1、接收端压力传感器模块6、同步模块7以及超声波接收子阵列13接收的信号强弱计算出出船舶吃水深度；所述的数据传输模块9安装在接收端一侧的岸上，其传输吃水值给显示单元。

发射端压力传感器模块1采用精度为±0.2％F.S、输入为4-20mA，适合远距离传输的485通信方式的水下压力传感器；发射工作组选通及使能模块2采用Xilinx系列的FPGA；超声波发射模块3采用发射频率为500K，发射角度为1-3度的超声波发射传感器；超声波接收模块4采用发射和接收分离式、接收频率为500K的超声波接收传感器；接收工作组选通模块5采用Xilinx系列的FPGA；

接收端压力传感器模块6采用精度为±0.2％F.S、输入为4-20mA，适合远距离传输的485通信方式的水下压力传感器；同步模块7采用Xilinx系列的FPGA；

数据采集及处理模块采用高速模数转换芯片、采样频率为200Kps配合高速处理器；数据传输模块9采用电缆。

一种宽范围侧扫式吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤：

A、产生同步信号

同步模块产生同步信号，传给发射工作组选通及使能模块2和数据采集及处理模块8；

B、采集发射端压力传感器距离水面深度；

发射端压力传感器模块1采集编号为N-1的超声波发射子阵列12末端距离水面深度H然后传输给发射工作组选通及使能模块2和数据采集及处理模块8。

C、选通超声波发射子阵列12并发射使能信号；

发射工作组选通及使能模块2中的数据处理单元接收发射端压力传感器1传送的水位深度信息以及同步模块7传送的同步信号，数据处理单元对水位深度变化信息进行判断，分两种情况：

C1、在水位变化平稳的情况下，根据船舶的申报吃水深度D以及发射端压力传感器模块1传送的深度信息H计算出用于系统测量的超声波发射子阵列12编号最大值I

$I=INT\left(\frac{D-H+N*(M-1)*d}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

闭合编号为I-1，I，I+1的供电开关10并使能超声波发射子阵列12；

C2、当水位变化ΔH超出一定范围时，相应的超声波发射子阵列12编号向上或向下移动i个，

$i=INT\left(\frac{\mathrm{\Δ}H}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

当水位上涨ΔH超出一定范围时，相应闭合编号为I-1-i，I-i，I+1-i的供电开关10并使能超声波发射子阵列12；水位下降时，同理。

D、采集接收端压力传感器距离水面深度

接收端压力传感器模块6采集编号为N-1的超声波接收子阵列13末端距离水面深度L，然后传输给接收工作组选通模块5和数据采集及处理模块8。

E、选通超声波接收子阵列13；

接收工作组选通模块5中的数据处理单元接收接收端压力传感器6传送的水位深度信息，选择超声波接收子阵列13的方法与选择超声波发射子阵列12方法相同，然后闭合供电开关10，并把数据传给数据采集及处理模块8；

F、数据采集及处理；

数据采集及处理模块8将采集的发射端压力传感器模块1深度值H、接收端压力传感器模块6深度值L求和取平均后计算出超声波接收模块4水下第一个超声波接收探头距离水面深度S,在同步信号有效范围内根据超声波接收子阵列13接收的信号强弱计算出最后一个被遮挡超声波接收探头距离第一个超声波接收探头的长度X进而计算出吃水深度为S+X。

以下通过附图3做进一步地描述：

当水位上涨ΔH超出一定范围时，相应的超声波发射子阵列12编号向上移动i个，

$i=INT\left(\frac{\mathrm{\Δ}H}{(M-1)*d}\right)$

相应闭合编号为I-1-i，I-i，I+1-i的供电开关10并使能超声波发射子阵列12。

Claims (2)

1.一种宽范围侧扫式吃水检测系统，其特征在于：包括发射端压力传感器模块(1)、发射工作组选通及使能模块(2)、同步模块(7)、超声波发射模块(3)、接收端压力传感器模块(6)、接收工作组选通模块(5)、超声波接收模块(4)、数据采集及处理模块(8)和数据传输模块(9)；所述的数据采集及处理模块(8)通过数据线与超声波接收模块(4)、发射端压力传感器模块(1)、接收端压力传感器模块(6)、数据传输模块(9)、同步模块(7)连接；所述的同步模块(7)通过数据线与发射组工作组选通及使能模块(2)、数据采集及处理模块(8)连接；所述的接收工作组选通模块(5)控制超声波接收模块(4)供电、并通过数据线与接收端压力传感器模块(6)连接；所述的发射工作组选通及使能模块(2)控制超声波发射模块(3)供电及发射，通过数据线与发射端压力传感器(1)、同步模块连接(7)连接；超声波发射模块(3)构成发射端；超声波接收模块(4)构成接收端；所述的超声波发射模块(3)由N组超声波发射子阵列12和一个安装支架组成；所述的N组超声波发射子阵列12由N*M个超声波发射探头以间距d排成一列安装于安装支架上，每组长度为(M-1)*d,设安装支架上超声波发射子阵列(12)从上而下依次编号为0，1，2，….，N-1，

其中M≥1；

超声波发射探头安装时，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直，然后将安装支架固定在航道一侧，保证上电工作的超声波发射子阵列(12)完全浸没水中且安装支架所在的平面与水平面垂直；所述的发射端压力传感器模块(1)安装在编号为N-1的超声波发射子阵列(12)的末端，其通过测量超声波发射子阵列(12)末端距离水面的压力来测量超声波发射子阵列(12)末端距离水面的深度H；所述的同步模块(7)固定在发射端一侧，其产生的同步信号给发射工作组选通及使能模块(2)、数据采集及处理(8)模块，保证发射端和接收端同步；所述的发射工作组选通模块(2)由数据处理单元、N个供电开关(10)、发射使能(11)构成，设N个供电开关(10)依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收发射端压力传感器(1)传送的水位信息及同步模块(7)传送的同步信号，根据水位信息计算出符合要求的超声波发射子阵列(12)编号并闭合供电开关(10)使其处于上电状态，根据同步模块(7)传送的同步信号发射使能超声波发射子阵列(12)；所述的超声波接收模块(4)由N组超声波接收子阵列(13)和一个安装支架组成；其安装和编号方式同超声波发射模块3相同，然后将安装支架固定在航道另一侧，并且保证安装支架长度方向中心线与水面垂直；所述的接收端压力传感器模块(6)安装在编号为N-1的超声波接收子阵列(13)的末端，其通过测量超声波接收子阵列(13)末端距离水面的压力来测量超声波接收子阵列(13)末端距离水面的深度L；所述的接收工作组选通模块(5)由数据处理单元、N个供电开关(10)构成，设N个供电开关(10)依次编号为0，1，2，….，N-1，数据处理单元接收接收端压力传感器(6)传送的水位信息，根据水位信息计算出符合要求的超声波接收子阵列(13)编号并闭合供电开关(10)使其处于上电状态；所述的数据采集及处理模块(8)安装在接收端一侧，采集发射端压力传感器模块(1)、接收端压力传感器模块(6)、同步模块(7)以及超声波接收子阵列(13)接收的信号，根据发射端压力传感器模块(1)、接收端压力传感器模块(6)、同步模块(7)以及超声波接收子阵列(13)接收的信号强弱计算出出船舶吃水深度；所述的数据传输模块(9)安装在接收端一侧的岸上，其传输吃水值给显示单元。

2.一种宽范围侧扫式吃水检测系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、产生同步信号:

同步模块(7)产生同步信号，传给发射工作组选通及使能模块(2)和数据采集及处理模块(8)；

B、采集发射端压力传感器距离水面深度；

发射端压力传感器模块(1)采集编号为N-1的超声波发射子阵列(12)末端距离水面深度H然后传输给发射工作组选通及使能模块(2)和数据采集及处理模块(8)；

C、选通超声波发射子阵列(12)并发射使能信号；

发射工作组选通及使能模块(2)中的数据处理单元接收发射端压力传感器(1)传送的水位深度信息以及同步模块(7)传送的同步信号，数据处理单元对水位深度变化信息进行判断，分两种情况：

C1、在水位变化平稳的情况下，根据船舶的申报吃水深度D以及发射端压力传感器模块(1)传送的深度信息H计算出用于系统测量的超声波发射子阵列(12)编号最大值I

$I=INT\left(\frac{D-H+N*(M-1)*d}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

闭合编号为I-1，I，I+1的供电开关(10)并使能超声波发射子阵列(12)；

C2、当水位变化ΔH超出一定范围时，相应的超声波发射子阵列(12)编号向上或向下移动i个，

$i=INT\left(\frac{\mathrm{\Δ}H}{(M-1)*d}\right)$

这里INT表示取整数；

当水位上涨ΔH超出一定范围时，相应闭合编号为I-1-i，I-i，I+1-i的供电开关(10)并使能超声波发射子阵列(12)；水位下降时，同理；

D、采集接收端压力传感器距离水面深度：

接收端压力传感器模块(6)采集编号为N-1的超声波接收子阵列(13)末端距离水面深度L，然后传输给接收工作组选通模块(5)和数据采集及处理模块(8)；

E、选通超声波接收子阵列(13)：

接收工作组选通模块(5)中的数据处理单元接收接收端压力传感器(6)传送的水位深度信息，选择超声波接收子阵列(13)的方法与选择超声波发射子阵列(12)方法相同，然后闭合供电开关(10)，并把数据传给数据采集及处理模块(8)；

F、数据采集及处理：

数据采集及处理模块(8)将采集的发射端压力传感器模块(1)深度值H、接收端压力传感器模块(6)深度值L求和取平均后计算出超声波接收模块(4)水下第一个超声波接收探头距离水面深度S,在同步信号有效范围内根据超声波接收子阵列(13)接收的信号强弱计算出最后一个被遮挡超声波接收探头距离第一个超声波接收探头的长度X进而计算出吃水深度为S+X。