CN107600356A - 一种高速仰扫式船舶吃水检测系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速仰扫式船舶吃水检测系统及其工作方法，所述的系统包括超声波模块、动态水压模块、倾角模块、声速模块、同步控制模块、数据采集模块和显示模块；所述的同步控制模块控制数据采集模块、动态水压模块、倾角模块和声速模块同步工作。由于本发明以分组发射代替单一顺次的超声波发射，解决了单一顺次超声波发射造成相邻传感器干扰问题，采集到的超声波数据更准确规范。由于本发明以分组发射代替单一顺次的超声波发射，解决了超声波模块工作一个周期测量耗费时间过长问题，周期时间缩短了J倍。由于本发明以测量、传输同时进行代替先测量后传输，解决了超声波模块工作一个周期传输耗费时间过长问题，周期时间大大缩短。
Description
技术领域
本发明属于船舶吃水检测技术领域，特别是一种高速仰扫式船舶吃水检测系统及其工作方法。
背景技术
目前，由于航运成本低，内河航运量不断增大，船舶密度大幅提高，吃水深度不一。为了保障航道畅通以及通航船舶安全，对通航的船舶进行吃水检测有十分重要的意义。
现有的仰扫式吃水检测系统采用的是收发一体的超声波模块，采用单一频率进行检测。由于该测试方法所需的传感器数量较多，且定向排列。致使此方法每个工作周期所需传输采集的数据繁多，所需时间大大增加，使得单位时间内采集的有效数据降低；其次，由于仰扫式吃水检测传感器是通过其收发超声波的时间差判断吃水深度，不同温度、不同介质的水中声速存在差异，因此造成测量结果的不精确；再者，由于超声波传感器发射频率一致且距离较近，使得相邻超声波传感器的接收产生干扰，数据的真实性降低。
发明内容
为解决现有技术存在的以上问题，本发明要提出一种能大大提高工作效率以及测量精度，并且消除相邻超声波传感器之间干扰的高速仰扫式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：
一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，包括超声波模块、动态水压模块、倾角模块、声速模块、同步控制模块、数据采集模块和显示模块；所述的同步控制模块安装在浮体一侧，分别与数据采集模块、动态水压模块、倾角模块和声速模块连接；同步控制模块由可靠时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制数据采集模块、动态水压模块、倾角模块和声速模块同步工作；所述的数据采集模块不含操作系统，由J个FPGA板构成，控制超声波模块的超声波发射信号以及采集超声波模块的超声波返回信号；所述的超声波模块由一个安装支架及L个固定频率的单波束超声波传感器构成，L个单波束超声波传感器排成一列安装于安装支架上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直，安装支架固定在水下，保证安装支架上L个单波束超声波传感器发出的超声波中心线构成的平面与水平面垂直且保证单波束超声波传感器完全浸没水中；所述的动态水压模块由N个压力传感器构成，安装在安装支架上，每隔K个单波束超声波传感器安装一个压力传感器，通过测量压力传感器中心位置的压力来测量该压力传感器中心位置距离水平面的深度H1、H2、…、HN；所述的倾角模块由两个倾角传感器构成，水平安装在安装支架上的两端，通过测量倾角传感器底面与水平面的夹角来测量该倾角传感器所在的位置与水平面的夹角θ1、θ2；所述的声速模块安装在安装支架上，用来测量水中声速，通过测量当前水中声速来补偿单波束超声波传感器测量的吃水深度；所述的显示模块安装在浮体上，与数据采集模块连接，用来通知工作人员过往船只是否超限。
进一步地，所述的浮体安装在河道内靠近岸边一侧。
进一步地，所述的安装支架通过连接杆与浮体连接。
进一步地，所述的单波束超声波传感器在安装支架上等间隔安装。
进一步地，所述的J的取值范围为0<J<10，所述的K的取值范围为9<K<15，所述的L的取值范围为9<L<100，所述的N的取值范围为N<10。
一种高速仰扫式船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、安装超声波模块、动态水压模块、倾角模块和声速模块；
将L个单波束超声波传感器排成一列安装于安装支架上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器发出的超声波中心线与安装支架长度方向中心线垂直；L个单波束超声波传感器按照每K个分为一组，共J组，分别通过J根传输总线与数据采集模块的J个FPGA板相连；
将N个压力传感器安装在安装支架上，每隔K个单波束超声波传感器安装一个压力传感器；
将两个倾角模块安装在安装支架上的两端；
将声速模块安装在安装支架上；
B、构建检测系统；
将同步控制模块安装在浮体一侧，通过同步缓冲电路分别与数据采集模块、动态水压模块、倾角模块和声速模块连接；将显示模块与数据采集模块连接；
C、数据采集模块传输数据；
数据采集模块以点名的方式通过传输总线首先触发每组单波束超声波传感器的第一个单波束超声波传感器工作，发射并接收超声波，通过时间差来测量距离；每组超声波阵列的其余单波束超声波传感器每隔时间ΔT依次触发发射一次，即触发第一个单波束超声波传感器工作ΔT时间后触发第二个单波束超声波传感器工作；在第二个单波束超声波传感器工作发射超声波后，数据采集模块立刻通过点名的方式令第一个单波束超声波传感器将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块；以此类推，在第Q个单波束超声波传感器工作发射超声波后，数据采集模块立刻通过点名的方式令第Q-1个单波束超声波传感器将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块；在第K个单波束超声波传感器工作发射超声波ΔT时间后，数据采集模块立刻通过点名的方式令第K个单波束超声波传感器将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块；每个单波束超声波传感器测量的距离分别记为X1、X2、…、XL；
D、采集动态水压模块深度；
动态水压模块由N个压力传感器构成，通过测量压力传感器中心位置距离水平面的压力来测量该压力传感器中心位置距离水平面的深度H1、H2、…、HN；则平均深度为：
E、采集倾角模块角度；
倾角模块由两个倾角传感器构成，通过测量倾角传感器底面与水平面的夹角来测量该倾角传感器所在的安装支架部分与水平面的夹角θ1、θ2；
F、采集声速模块测量速度；
声速模块用来测量水中声速，通过测量当前水中声速V2来补偿单波束超声波传感器测量的距离；
G、数据采集模块计算吃水深度；
设当前水中声速V2，单波束超声波传感器默认声速为V1，则补偿后的距离为：
取计算出的最短的距离为Ymin，通过船舶吃水深度计算公式计算出当前船舶吃水深度D；
H、显示模块显示计算结果；
显示模块根据计算出的船舶吃水深度D，提示工作人员判断过往船舶是否吃水超限。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.由于本发明以分组发射代替单一顺次的超声波发射，解决了单一顺次超声波发射造成相邻传感器干扰问题，采集到的超声波数据更准确规范。
2.由于本发明以分组发射代替单一顺次的超声波发射，解决了超声波模块工作一个周期测量耗费时间过长问题，周期时间缩短了J倍。
3.由于本发明以测量、传输同时进行代替先测量后传输，解决了超声波模块工作一个周期传输耗费时间过长问题，周期时间大大缩短。
4.由于本发明以有声速补偿代替无声速补偿，大大提高了系统测量精度，使得系统可靠性大大提高。
附图说明
图1为一种单波束超声波仰扫式吃水检测系统的流程图。
图2为单波束超声波传感器与数据采集模块之间的数据通信示意图。
图3为超声波发射模块视图。
图4为单波束超声波仰扫式吃水检测系统的工作原理。
图5为单波束超声波仰扫式吃水检测系统总体框架结构。
图中：1、同步控制模块，2、倾角模块，3、数据采集模块，4、动态水压模块，5、声速模块，6、超声波模块，7、显示模块，8、单波束超声波传感器，9、安装支架，10、船舶，11、超声波发射信号，12、超声波返回信号，13、水平面，14、浮体，15、连接杆，16、压力传感器，17、倾角传感器。
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1-5所示，一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，包括超声波模块6、动态水压模块4、倾角模块2、声速模块5、同步控制模块1、数据采集模块3和显示模块7；所述的同步控制模块1安装在浮体14一侧，分别与数据采集模块3、动态水压模块4、倾角模块2和声速模块5连接；同步控制模块1由可靠时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制数据采集模块3、动态水压模块4、倾角模块2和声速模块5同步工作；所述的数据采集模块3不含操作系统，由J个FPGA板构成，控制超声波模块6的超声波发射信号11以及采集超声波模块6的超声波返回信号12；所述的超声波模块6由一个安装支架9及L个固定频率的单波束超声波传感器8构成，L个单波束超声波传感器8排成一列安装于安装支架9上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器8发出的超声波中心线与安装支架9长度方向中心线垂直，安装支架9固定在水下，保证安装支架9上L个单波束超声波传感器8发出的超声波中心线构成的平面与水平面13垂直且保证单波束超声波传感器8完全浸没水中；所述的动态水压模块4由N个压力传感器16构成，安装在安装支架9上，每隔K个单波束超声波传感器8安装一个压力传感器16，通过测量压力传感器16中心位置的压力来测量该压力传感器16中心位置距离水平面13的深度H1、H2、…、HN；所述的倾角模块2由两个倾角传感器17构成，水平安装在安装支架9上的两端，通过测量倾角传感器17底面与水平面13的夹角来测量该倾角传感器17所在的位置与水平面13的夹角θ1、θ2；所述的声速模块5安装在安装支架9上，用来测量水中声速，通过测量当前水中声速来补偿单波束超声波传感器8测量的吃水深度；所述的显示模块7安装在浮体14上，与数据采集模块3连接，用来通知工作人员过往船只是否超限。
进一步地，所述的浮体14安装在河道内靠近岸边一侧。
进一步地，所述的安装支架9通过连接杆15与浮体14连接。
进一步地，所述的单波束超声波传感器8在安装支架9上等间隔安装。
进一步地，所述的J的取值范围为0<J<10，所述的K的取值范围为9<K<15，所述的L的取值范围为9<L<100，所述的N的取值范围为N<10。
一种高速仰扫式船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、安装超声波模块6、动态水压模块4、倾角模块2和声速模块5；
将L个单波束超声波传感器8排成一列安装于安装支架9上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器8发出的超声波中心线与安装支架9长度方向中心线垂直；L个单波束超声波传感器8按照每K个分为一组，共J组，分别通过J根传输总线与数据采集模块3的J个FPGA板相连；
将N个压力传感器16安装在安装支架9上，每隔K个单波束超声波传感器8安装一个压力传感器16；
将两个倾角模块2安装在安装支架9上的两端；
将声速模块5安装在安装支架9上；
B、构建检测系统；
将同步控制模块1安装在浮体14一侧，通过同步缓冲电路分别与数据采集模块3、动态水压模块4、倾角模块2和声速模块5连接；将显示模块7与数据采集模块3连接；
C、数据采集模块3传输数据；
数据采集模块3以点名的方式通过传输总线首先触发每组单波束超声波传感器8的第一个单波束超声波传感器8工作，发射并接收超声波，通过时间差来测量距离；每组超声波阵列的其余单波束超声波传感器8每隔时间ΔT依次触发发射一次，即触发第一个单波束超声波传感器8工作ΔT时间后触发第二个单波束超声波传感器8工作；在第二个单波束超声波传感器8工作发射超声波后，数据采集模块3立刻通过点名的方式令第一个单波束超声波传感器8将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块3；以此类推，在第Q个单波束超声波传感器8工作发射超声波后，数据采集模块3立刻通过点名的方式令第Q-1个单波束超声波传感器8将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块3；在第K个单波束超声波传感器8工作发射超声波ΔT时间后，数据采集模块3立刻通过点名的方式令第K个单波束超声波传感器8将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块3；每个单波束超声波传感器8测量的距离分别记为X1、X2、…、XL；
D、采集动态水压模块4深度；
动态水压模块4由N个压力传感器16构成，通过测量压力传感器16中心位置距离水平面13的压力来测量该压力传感器16中心位置距离水平面13的深度H1、H2、…、HN；则平均深度为：
E、采集倾角模块2角度；
倾角模块2由两个倾角传感器17构成，通过测量倾角传感器17底面与水平面13的夹角来测量该倾角传感器17所在的安装支架9部分与水平面13的夹角θ1、θ2；
F、采集声速模块5测量速度；
声速模块5用来测量水中声速，通过测量当前水中声速V2来补偿单波束超声波传感器8测量的距离；
G、数据采集模块3计算吃水深度；
设当前水中声速V2，单波束超声波传感器8默认声速为V1，则补偿后的距离为：
取计算出的最短的距离为Ymin，通过船舶10吃水深度计算公式计算出当前船舶10吃水深度D；
H、显示模块7显示计算结果；
显示模块7根据计算出的船舶10吃水深度D，提示工作人员判断过往船舶10是否吃水超限。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：包括超声波模块(6)、动态水压模块(4)、倾角模块(2)、声速模块(5)、同步控制模块(1)、数据采集模块(3)和显示模块(7)；所述的同步控制模块(1)安装在浮体(14)一侧，分别与数据采集模块(3)、动态水压模块(4)、倾角模块(2)和声速模块(5)连接；同步控制模块(1)由可靠时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制数据采集模块(3)、动态水压模块(4)、倾角模块(2)和声速模块(5)同步工作；所述的数据采集模块(3)不含操作系统，由J个FPGA板构成，控制超声波模块(6)的超声波发射信号(11)以及采集超声波模块(6)的超声波返回信号(12)；所述的超声波模块(6)由一个安装支架(9)及L个固定频率的单波束超声波传感器(8)构成，L个单波束超声波传感器(8)排成一列安装于安装支架(9)上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器(8)发出的超声波中心线与安装支架(9)长度方向中心线垂直，安装支架(9)固定在水下，保证安装支架(9)上L个单波束超声波传感器(8)发出的超声波中心线构成的平面与水平面(13)垂直且保证单波束超声波传感器(8)完全浸没水中；所述的动态水压模块(4)由N个压力传感器(16)构成，安装在安装支架(9)上，每隔K个单波束超声波传感器(8)安装一个压力传感器(16)，通过测量压力传感器(16)中心位置的压力来测量该压力传感器(16)中心位置距离水平面(13)的深度H1、H2、…、HN；所述的倾角模块(2)由两个倾角传感器(17)构成，水平安装在安装支架(9)上的两端，通过测量倾角传感器(17)底面与水平面(13)的夹角来测量该倾角传感器(17)所在的位置与水平面(13)的夹角θ1、θ2；所述的声速模块(5)安装在安装支架(9)上，用来测量水中声速，通过测量当前水中声速来补偿单波束超声波传感器(8)测量的吃水深度；所述的显示模块(7)安装在浮体(14)上，与数据采集模块(3)连接，用来通知工作人员过往船只是否超限。
2.根据权利要求1所述的一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述的安装支架(9)通过连接杆(15)与浮体(14)连接。
3.根据权利要求1所述的一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述的浮体(14)安装在河道内靠近岸边一侧。
4.根据权利要求1所述的一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述的单波束超声波传感器(8)在安装支架(9)上等间隔安装。
5.根据权利要求1所述的一种高速仰扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述的J的取值范围为0<J<10，所述的K的取值范围为9<K<15，所述的L的取值范围为9<L<100，所述的N的取值范围为N<10。
6.一种高速仰扫式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、安装超声波模块(6)、动态水压模块(4)、倾角模块(2)和声速模块(5)；
将L个单波束超声波传感器(8)排成一列安装于安装支架(9)上构成超声波发射线阵，每个单波束超声波传感器(8)发出的超声波中心线与安装支架(9)长度方向中心线垂直；L个单波束超声波传感器(8)按照每K个分为一组，共J组，分别通过J根传输总线与数据采集模块(3)的J个FPGA板相连；
将N个压力传感器(16)安装在安装支架(9)上，每隔K个单波束超声波传感器(8)安装一个压力传感器(16)；
将两个倾角模块(2)安装在安装支架(9)上的两端；
将声速模块(5)安装在安装支架(9)上；
B、构建检测系统；
将同步控制模块(1)安装在浮体(14)一侧，通过同步缓冲电路分别与数据采集模块(3)、动态水压模块(4)、倾角模块(2)和声速模块(5)连接；将显示模块(7)与数据采集模块(3)连接；
C、数据采集模块(3)传输数据；
数据采集模块(3)以点名的方式通过传输总线首先触发每组单波束超声波传感器(8)的第一个单波束超声波传感器(8)工作，发射并接收超声波，通过时间差来测量距离；每组超声波阵列的其余单波束超声波传感器(8)每隔时间ΔT依次触发发射一次，即触发第一个单波束超声波传感器(8)工作ΔT时间后触发第二个单波束超声波传感器(8)工作；在第二个单波束超声波传感器(8)工作发射超声波后，数据采集模块(3)立刻通过点名的方式令第一个单波束超声波传感器(8)将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块(3)；以此类推，在第Q个单波束超声波传感器(8)工作发射超声波后，数据采集模块(3)立刻通过点名的方式令第Q-1个单波束超声波传感器(8)将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块(3)；在第K个单波束超声波传感器(8)工作发射超声波ΔT时间后，数据采集模块(3)立刻通过点名的方式令第K个单波束超声波传感器(8)将测得的数值通过传输总线传回数据采集模块(3)；每个单波束超声波传感器(8)测量的距离分别记为X1、X2、…、XL；
D、采集动态水压模块(4)深度；
动态水压模块(4)由N个压力传感器(16)构成，通过测量压力传感器(16)中心位置距离水平面(13)的压力来测量该压力传感器(16)中心位置距离水平面(13)的深度H1、H2、…、HN；则平均深度为：
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E、采集倾角模块(2)角度；
倾角模块(2)由两个倾角传感器(17)构成，通过测量倾角传感器(17)底面与水平面(13)的夹角来测量该倾角传感器(17)所在的安装支架(9)部分与水平面(13)的夹角θ1、θ2；
F、采集声速模块(5)测量速度；
声速模块(5)用来测量水中声速，通过测量当前水中声速V2来补偿单波束超声波传感器(8)测量的距离；
G、数据采集模块(3)计算吃水深度；
设当前水中声速V2，单波束超声波传感器(8)默认声速为V1，则补偿后的距离为：
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取计算出的最短的距离为Ymin，通过船舶(10)吃水深度计算公式计算出当前船舶(10)吃水深度D；
H、显示模块(7)显示计算结果；
显示模块(7)根据计算出的船舶(10)吃水深度D，提示工作人员判断过往船舶(10)是否吃水超限。
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