CN107010181B - 一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统与方法 - Google Patents

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    • B63B39/12—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude for indicating draught or load
    • B63B2726/00—

Abstract

本发明公开了一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统与方法，该系统包括：多波束声纳测量模块、数据传输模块、深度计算模块和修正模块；所述的多波束声纳与数据传输模块通过电缆连接，所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连。本发明系统采用可移动水底仰视扫法，将多波束声纳固定在支架的一端，从水底向上扫描。支架的另一端与检测船相连，采用一种全局法的滤波方式对实际测量中产生的异常数据进行识别并剔除。本发明系统具有检测精度高，机动灵活，易于维护的优点。

Description

一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统与方法
技术领域
本发明涉及一种船舶吃水的自动检测系统，具体地指一种基于多波束声纳仰扫的船舶吹水自动检测系统与方法。
背景技术
随着内河航运业的发展，船舶的吨位日益增大，船舶吃水量也随之增大。部分船舶为追求经历利益，超吃水航行，搁浅撞地事故时有发生，破坏航道，影响通航秩序，更严重的是给人民生命财产安全带来极大的风险。另外，内河航道受季节影响，航道水位变化极大，对通航安全也构成一定的威胁。因此，船舶吃水量的检测也变得日益重要。
目前，我国航道海事监管部门主要还是通过人工观察船舶侧面的吃水线来确定船舶吃水，这种方法效率低，精确度差，且吃水线可以伪造。国内专家学者，把声纳测量技术应用于船舶吃水检测。声纳是利用水中声波对水下目标进行探测、定位的设备。目前采用的声纳主要为单波束声纳，测量范围小，测量数据精确度低。
发明内容
针对这种情况，本发明提出了一种可移动的基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统与方法，本发明可提高船舶吃水检测精度，且系统具有可靠性强和易维护的特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统，包括多波束声纳测量模块、数据传输模块、深度计算模块和修正模块；所述的多波束声纳与数据传输模块通过电缆连接，所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连；
所述多波束声纳测量模块，用于记录并保存进入多波束声纳的测量范围船只的声纳检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
数据传输模块，用于将接收的声纳检测数据发送给深度计算模块；
深度计算模块，用于当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水D＝H-L·cosα。
其中,
V为声纳声波在水中的传播速度；
修正模块，用于采用全局滤波方法对原始测量的深度数据进行修正；
显示模块，用于对最终船舶吃水量进行显示，最终船舶吃水量是所有深度修正数据中的最大值。
按上述方案，所述船舶吃水自动检测系统还包括供电单元，供电单元为水下多波束声纳和系统各模块提供电源。
按上述方案，所述支架为L型可伸缩支架。
按上述方案，所述修正模块中修正采用以下公式：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；L表示自变量x的范围；λ为正系数。
一种基于多波束船舶吃水自动检测方法，包括以下步骤：
(1)测量多波束声纳与水面的距离H；所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连；
(2)当有船进入多波束声纳的测量范围，记录并保存检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
(3)当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水D＝H-L·cosα。
其中,
V为声纳声波在水中的传播速度，则：
一条波束从发射点到检测点的距离
船舶吃水D＝H-L·cosα
4)对原始测量的深度数据进行修正：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；L表示自变量x的范围；λ为正系数；
5)对最终船舶吃水量进行显示，最终船舶吃水量是所有深度修正数据中的最大值。
按上述方案，所述支架为L型可伸缩支架。
与现有技术相比，本发明的优点如下；
1.本发明中，支架可以伸缩，可以适应内河水位变化，检测地点也可以根据需要变化。
2.由于采用了多波束声纳，检测范围广。
3.由于采用了全局化的滤波算法，检测精度高。
3.本系统结构简单，灵活，易于维护和保养。
附图说明
图1是本发明系统构成图；
图2是本发明系统工作流程图；
图3是本发明系统检测原理图；
图4是原始模拟深度数据图；
图5是加入了随机噪声和粗差干扰的模拟深度数据图；
图6是采用全局法复原后的深度数据图；
图7是本发明系统获得多波束深度数据实际检测图；
图8是本发明系统采用全局法复原得到的多波束深度数据图。
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。
一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统，包括多波束声纳测量模块、数据传输模块、深度计算模块和修正模块；所述的多波束声纳与数据传输模块通过电缆连接，所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连。
所述多波束声纳测量模块，用于记录并保存进入多波束声纳的测量范围船只的声纳检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
数据传输模块，用于将接收的声纳检测数据发送给深度计算模块；
深度计算模块，用于当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水D＝H-L·cosα；
其中,
V为声纳声波在水中的传播速度；计算原理如图3所示；
修正模块，用于对原始测量的深度数据进行修正，修正采用以下公式：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；L表示自变量x的范围；λ为正系数；
显示模块，用于对最终船舶吃水量进行显示，最终船舶吃水量是所有深度修正数据中的最大值。
本系统采用可移动水底仰视扫法，工作状态如图1所示，将多波束声纳安装在水下从下向上扫描。所述的多波束声纳通过发射和接收的时间间隔，来测量一个横截面积的吃水深度。所述的支架呈L型，且可伸缩。支架的一端上固定安装多波束声纳，支架的另一端与检测船相连。所述的数据处理模块为数字信号处理器，以串口通信的方式接收来自多波束声纳的数据。
本系统还包括供电单元，供电单元为水下多波束声纳和系统各模块提供电源。
如图2所示，一种基于多波束船舶吃水自动检测方法，包括以下步骤：
(1)测量多波束声纳与水面的距离H；所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连；
(2)当有船进入多波束声纳的测量范围，记录并保存检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
(3)当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水D＝H-L·cosα。
其中,
V为声纳声波在水中的传播速度，则：
一条波束从发射点到检测点的距离
船舶吃水D＝H-L·cosα
4)对原始测量的深度数据进行修正：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；L表示自变量x的范围；λ为正系数；
5)最终船舶吃水量进行显示，最终船舶吃水量是所有深度修正数据中的最大值。
由于目标泛函是凸泛函，因此最优化问题等价于求解其对应的Euler-Lagrange方程：
其中∈为非常小的正常数，用于稳定分母为0的情形。同时边界条件选择为Neumann型，亦称为自然边值条件。采用有限差分法将Euler-Lagrange离散化，连同边界条件，可以得到一组非线性方程组A(u)u＝b(u)，其中u为待求解的深度值向量，A(u)是一个非常大的三对角系数矩阵，其系数与未知量u有关，方程组的右端b(u)也是依赖于未知量u的列向量。系统采用固定点迭代的方法求解该方程组：
(1)初始化u0为1；
(2)在k步迭代中，固定A(u)为A(uk)，b(u)为b(uk)；
(3)使用Thomas算法求解A(uk)u＝b(uk)，得到uk+1；
(4)迭代(2)(3)步直至收敛。
为了测试系统的有效性，首先进行了模拟实验。图4是原始模拟深度数据图，深度值为5的数据点模拟水面，深度值为2的数据点模拟船底数据。然后对该数据加入标准差为0.1的高斯随机噪声和40％的粗差噪声，用以模拟实际环境中深度数据收到严重干扰的情形，如图5所示。采用该方法复原之后的结果如图6所示。从结果来看，复原后的深度数据与真值非常接近，噪声和粗差都得到了很好的抑制和剔除。
随后对实际数据进行测试，图7是本发明系统获得多波束深度数据实际检测图，从数据的分布来看，受到了了较为严重的干扰，存在大量野值点，同时受到随机噪声的干扰。图8是经全局法复原后得到的多波束深度数据图，从结果来看，数据得到较好的复原，所有的粗差被自动剔除，噪声得到很好的抑制。

Claims (5)

1.一种基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统，其特征在于，包括多波束声纳测量模块、数据传输模块、深度计算模块和修正模块；所述的多波束声纳与数据传输模块通过电缆连接，所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连；
所述多波束声纳测量模块，用于记录并保存进入多波束声纳的测量范围船只的声纳检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
数据传输模块，用于将接收的声纳检测数据发送给深度计算模块；
深度计算模块，用于当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水量D＝H-L·cosα；
其中，
V为声纳声波在水中的传播速度；
修正模块，用于采用全局滤波方法对原始测量的深度数据进行修正；
所述修正模块中修正采用以下公式：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；u^(x)为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；自变量x的范围为0至L；λ为正系数；
显示模块，用于对最终船舶吃水量进行显示，最终船舶吃水量是所有深度修正数据中的最大值。
2.根据权利要求1所述的基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统，其特征在于，所述船舶吃水自动检测系统还包括供电单元，供电单元为水下多波束声纳和系统各模块提供电源。
3.根据权利要求1所述的基于多波束仰扫的船舶吃水自动检测系统，其特征在于，所述支架为L型可伸缩支架。
4.一种基于多波束船舶吃水自动检测方法，包括以下步骤：
(1)测量多波束声纳与水面的距离H；所述多波束声纳固定在水底的支架上，支架的另一端与检测船相连；
(2)当有船进入多波束声纳的测量范围，记录并保存检测数据；所述检测数据包括所有测量点与垂直线的夹角α及发射波束与接收波速的间隔时间t；
(3)当船舶离开多波束声纳的测量范围时，计算船舶吃水D＝H-L·cosα；
其中,
V为声纳声波在水中的传播速度，则：
一条波束从发射点到检测点的距离
船舶吃水D＝H-L·cosα
(4)对原始测量的深度数据进行修正：
其中：I(x)为原始测量的深度数据，即存在粗差和随机误差的干扰；u(x)为潜在无误差深度数据；u＾(x)为复原深度数据，即无误差深度数据u(x)的估计；自变量x的范围为0至L；λ为正系数。
5.根据权利要求4所述的基于多波束船舶吃水自动检测方法，其特征在于，所述支架为L型可伸缩支架。
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