CN110082770A - 一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法 - Google Patents

Abstract

一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法，检测系统包括超声波同步信号调制模块、超声波同步信号解调模块、船舶吃水检测模块；所述船舶吃水检测模块包括N‑1个超声波发射探头、水下压力传感器模块、N‑1个超声波接收探头，N‑1个超声波接收探头接收脉冲信号的幅度，用于测量船舶的吃水深度；所述超声波同步信号调制模块包括第N个超声波发射探头、以及与所述第N个超声波发射探头连接的第一调制模块；所述超声波同步信号解调模块包括第N个超声波接收探头、以及与所述第N个超声波接收探头连接的第二调制模块。本发明采用最后一路超声波同步的方法保证和进行吃水检测的超声波处于一样的环境，实现快速同步，大大提升了检测系统的刷新频率及检测精度。

Description

一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法

技术领域

本发明涉及侧扫式船舶吃水检测系统技术领域，具体是一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法。

背景技术

近些年，随着地方经济的发展，航运业务的普及，内河航运量呈每年递增的趋势，与此同时，船舶超载超吃水的现象也日益突出，为确保通航安全，航运主管部门要有可靠的手段掌握船舶实际吃水情况，因此有必要建立一套船舶吃水检测系统。现有的侧扫式船舶吃水检测系统采用同步线的方式对基于超声波传感器的吃水检测系统实现同步，虽然实时性比较好，但是由于超声波在水下传播需要时间，随着水温的变化，超声波传播速度发生变化，超声波在水下传播时间也会随之变化，因此需要重新设定一个延时时间，导致系统长时间处于等待同步信号的状态，系统采集数据的速度变慢，进而影响整个系统的工作效率并降低了刷新频率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法，采用最后一路超声波同步的方法保证和进行吃水检测的超声波处于一样的环境，实现快速同步，大大提升了检测系统的刷新频率及检测精度。

本发明采取的技术方案为：

一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波同步信号调制模块、超声波同步信号解调模块、船舶吃水检测模块；

所述船舶吃水检测模块包括发射端安装支架、接收端安装支架；

发射端安装支架安装有N-1个超声波发射探头、水下压力传感器模块；

接收端安装支架 安装有N-1个超声波接收探头，N-1个超声波接收探头接收脉冲信号的幅度，用于测量船舶的吃水深度；

所述超声波同步信号调制模块包括安装于发射端安装支架上的第N个超声波发射探头、以及与所述第N个超声波发射探头连接的第一调制模块；

所述超声波同步信号解调模块包括安装于接收端安装支架上的第N个超声波接收探头、以及与所述第N个超声波接收探头连接的第二调制模块；

所述超声波接收探头、水下压力传感器模块连接数据采集传输模块，所述数据采集传输模块连接数据处理模块。

所述第一调制模块包括FPGA单元、驱动电路，FPGA单元连接驱动电路；FPGA单元用于产生调制后的特征同步信号，经驱动电路放大后驱动所述第N个超声波发射探头，第N个超声波发射探头用于周期性的向船舶吃水检测系统发射同步信号。

所述第二调制模块包括依次连接的放大单元、滤波单元、阻抗匹配电路，第二调制模块用于接收第N个超声波发射探头发射的超声波同步信号，并将其解调出脉宽和频率信息。

所述水下压力传感器模块安装在发射端安装支架上，水下压力传感器模块和第N个超声波发射探头保持同一平面，用于对超声波探头和水平面的进行标定和误差补偿。

本发明一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法，技术效果如下：

1：可以通过发射端向接收端发射同步信号，然后通过接收端解调同步信号实现超声波同步的方法。系统通过调制超声波同步信号的频率和脉宽，将同步信号特征加载到其频率和脉宽上。

2：采用最后一路超声波同步的方法保证和进行吃水检测的超声波处于一样的环境，实现快速同步，大大提升了检测系统的刷新频率及检测精度。

3：本发明以超声波同步替代同步线同步，提高了接收数据的有效性，使得采集到的船舶吃水深度数据更准确。

4：本发明系统同步方式采用超声波同步方式，消除了水温、水质带来的声速影响，提高了系统稳定性和采集速率。

附图说明

图1是超声波同步的侧扫式吃水检测系统的发射信号图。

图2是超声波同步的侧扫式吃水检测系统的接收信号图。

图3是超声波同步的侧扫式吃水检测系统的工作原理图。

其中：1-航道，2-N-1个超声波接收探头，3-发射端安装支架， 4-第N个超声波发射探头，5-水下压力传感器模块，6-N-1个超声波接收探头，7-第N个超声波接收探头，8-被测船舶，9-接收端安装支架。

具体实施方式

一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波同步信号调制模块、超声波同步信号解调模块、船舶吃水检测模块。

所述船舶吃水检测模块包括发射端安装支架3、接收端安装支架；船舶吃水检测模块在接收到超声波同步信号后开始工作。

发射端安装支架3安装有N-1个超声波发射探头、水下压力传感器模块5；

接收端安装支架 安装有N-1个超声波接收探头，N-1个超声波接收探头接收脉冲信号的幅度，用于测量船舶的吃水深度；

所述超声波同步信号调制模块包括安装于发射端安装支架3上的第N个超声波发射探头4、以及与所述第N个超声波发射探头4连接的第一调制模块；

所述超声波同步信号解调模块包括安装于接收端安装支架9上的第N个超声波接收探头7、以及与所述第N个超声波接收探头7连接的第二调制模块；

所述超声波接收探头、水下压力传感器模块5连接数据采集传输模块，所述数据采集传输模块连接数据处理模块。

超声波发射探头采用型号MH-S5R-A的超声波发射探头，工作频率为200-500KHZ。

超声波接收探头采用型号MH-S500-1的超声波接收探头，工作频率为200-500KHZ。

水下压力传感器模块5采用型号SST-968的数字化液位变送器，内部为传感器压力敏感元件，将液位转换成相应的电流，通过电缆输出4-20mA两线制的标准电流信号。

数据采集传输模块采用基于ARM的集成电路，内置数据采集传输指令。采集超声波接收探头和水下压力传感器模块的数据，并将采集得到的数据传输至数据处理模块。

所述第一调制模块包括FPGA单元、驱动电路，FPGA单元连接驱动电路；FPGA单元用于产生调制后的特征同步信号，经驱动电路放大后驱动所述第N个超声波发射探头4，第N个超声波发射探头4用于周期性的向船舶吃水检测系统发射同步信号。

FPGA单元采用FPGA基本逻辑电路组合而成，在电路上写入特定的程序，用于产生周期性的脉冲信号。

驱动电路采用基于FPGA的集成电路，内置信号放大指令，将输入驱动电路的信号放大，放大达到阈值后将驱动第N个超声波发射探头工作。

所述第二调制模块包括依次连接的放大单元、滤波单元、阻抗匹配电路，第二调制模块用于接收第N个超声波发射探头4发射的超声波同步信号，并将其解调出脉宽和频率信息。

放大单元、滤波单元、阻抗匹配电路采用基于FPGA的集成电路，将放大、滤波、阻抗匹配等功能集成在一块电路板上，用于将超声波接收探头接收到的信号转换成脉宽、频率已知的信号，该信号作为数据处理模块的输入信号。

一种侧扫式船舶吃水检测系统的超声波同步方法，包括以下步骤：

步骤1、调制超声波同步信号：

第一调制模块产生一个特定频率f和持续时间T的方波信号，经驱动电路放大后输出到对应的第N个超声波发射探头4，对应的第N个超声波发射探头4发射一段特定频率f和持续时间T的超声波信号，将第N个超声波发射探头4发射的超声波信号作为同步信号，同步信号的特征在于其频率和持续时间，与前N-1个超声波发射探头发射信号的频率和持续时间不同，同步信号的持续时间为:T不等于△t；

其中，△t为前N-1个超声波发射探头发射信号的脉冲持续时间。T为同步信号脉冲的持续时间，将额外增减脉冲持续时间，作为区分同步信号和前N-1个超声波发射探头发射的吃水检测信号的特征之一；

调制后的信号如图1所示包括：超声波同步信号作为每一帧的帧头判断信号，在第N个超声波发射探头4发射频率为f、脉冲宽度为T的超声波同步脉冲信号后，检测船舶吃水信号发射探头按照1,2,3……N-1的时序，发射脉冲宽度固定为△t的脉冲信号作为数据信号，两者构成一帧，超声波同步脉冲信号周期性地发射，由此构成一帧一帧的信号。

步骤2、解调超声波同步信号：

超声波同步信号调制模块，用于接收发射端发射的同步信号，经过放大、滤波、整形后判断其脉宽，确定脉宽为T后，将采集到的信号数据点阵传输至接收端DSP，经FFT提取其频率信息，判断其中心频率是否为f，确定信号如图2所示，只要第N个超声波接收探头7接收到频率为f、脉冲持续时间为T的同步信号后，前N-1个超声波接收探头所连接的超声波信号接收电路便会被使能，开始接收第1,2,3….N-1路的船舶吃水检测信号，接收端接收的信号时序和发射端发射时序保持一致，确保判定同步信号后能接收到有效吃水检测信号；由此在发射端发射完一帧信号后，接收端将会在一定延时后接收到该信号，随后将一帧信号作为一个整体发送到数据处理模块；每一帧数据都是由超声波同步信号作为帧头，由此用超声波实现了发射端和接收端同步的功能。

步骤3、构建船舶吃水检测模块：

构建超声波传感器发射模块，将前N-1个超声波发射探头安装在发射端安装支架3上，前N-1个超声波发射探头发射的超声波信号为持续时间t的脉冲信号，此信号用于检测船舶吃水深度。

构建超声波传感器接收模块，与构建发射模块相同的方式将N-1个超声波接收探头安装在接收端安装支架上，用于接收超声波信号。

构建水下压力传感器模块5，水下压力传感器模块5安装在发射端安装支架3上，水下压力传感器模块5和第N个超声波发射探头4保持同一平面，用于对超声波传感器和水平面的进行标定和误差补偿。

构建数据处理模块，通过数据线与数据采集传输模块连接，用来将接收端的N个超声波接收探头和水下压力传感器模块5传输来的数据进行处理，计算出被测船舶吃水深度。

数据处理模块:该模块为采用C++语言编写的程序，通过程序内部的逻辑和判断条件，将传输来的电流/电压信号转换成数字信号，计算被测船舶的吃水深度，并将计算结果传输给显示模块。

构建显示模块，通过串口将电脑和系统的数据输出端连接，通过绘图，直观显示实时的船舶吃水数据，给工作人员和检查人员带来更方便的监测。

显示模块,采用能显示彩色图像的液晶显示器，显示实时的船舶吃水数据。

Claims (6)

1.一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波同步信号调制模块、超声波同步信号解调模块、船舶吃水检测模块；其特征在于：

所述船舶吃水检测模块包括发射端安装支架（3）、接收端安装支架；

发射端安装支架（3）安装有N-1个超声波发射探头、水下压力传感器模块（5）；

接收端安装支架 安装有N-1个超声波接收探头，N-1个超声波接收探头接收脉冲信号的幅度，用于测量船舶的吃水深度；

所述超声波同步信号调制模块包括安装于发射端安装支架（3）上的第N个超声波发射探头（4）、以及与所述第N个超声波发射探头（4）连接的第一调制模块；

所述超声波同步信号解调模块包括安装于接收端安装支架上的第N个超声波接收探头（7）、以及与所述第N个超声波接收探头（7）连接的第二调制模块；

所述超声波接收探头、水下压力传感器模块（5）连接数据采集传输模块，所述数据采集传输模块连接数据处理模块。

2.根据权利要求1所述一种侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述第一调制模块包括FPGA单元、驱动电路，FPGA单元连接驱动电路；FPGA单元用于产生调制后的特征同步信号，经驱动电路放大后驱动所述第N个超声波发射探头（4），第N个超声波发射探头（4）用于周期性的向船舶吃水检测系统发射同步信号。

3.根据权利要求1所述一种侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述第二调制模块包括依次连接的放大单元、滤波单元、阻抗匹配电路，第二调制模块用于接收第N个超声波发射探头（4）发射的超声波同步信号，并将其解调出脉宽和频率信息。

4.根据权利要求1所述一种侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：所述水下压力传感器模块（5）和第N个超声波发射探头（4）保持同一平面，用于对超声波探头和水平面的进行标定和误差补偿。

5.一种侧扫式船舶吃水检测系统的超声波同步方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、调制超声波同步信号：

第一调制模块产生一个特定频率f和持续时间T的方波信号，经驱动电路放大后输出到对应的第N个超声波发射探头（4），对应的第N个超声波发射探头（4）发射一段特定频率f和持续时间T的超声波信号，将第N个超声波发射探头（4）发射的超声波信号作为同步信号，同步信号的特征在于其频率和持续时间，与前N-1个超声波发射探头发射信号的频率和持续时间不同，同步信号的持续时间为:T不等于△t；

其中，△t为前N-1个超声波发射探头发射信号的脉冲持续时间；

T为同步信号脉冲的持续时间，将额外增减脉冲持续时间，作为区分同步信号和前N-1个超声波发射探头发射的吃水检测信号的特征之一；

调制后的信号包括：超声波同步信号作为每一帧的帧头判断信号，在第N个超声波发射探头（4）发射频率为f、脉冲宽度为T的超声波同步脉冲信号后，检测船舶吃水信号发射探头按照1,2,3……N-1的时序，发射脉冲宽度固定为△t的脉冲信号作为数据信号，两者构成一帧，超声波同步脉冲信号周期性地发射，由此构成一帧一帧的信号；

步骤2、解调超声波同步信号：

超声波同步信号调制模块，用于接收发射端发射的同步信号，经过放大、滤波、整形后判断其脉宽，确定脉宽为T后，将采集到的信号数据点阵传输至接收端DSP，经FFT提取其频率信息，判断其中心频率是否为f，只要第N个超声波接收探头（7）接收到频率为f、脉冲持续时间为T的同步信号后，前N-1个超声波接收探头所连接的超声波信号接收电路便会被使能，开始接收第1,2,3….N-1路的船舶吃水检测信号，接收端接收的信号时序和发射端发射时序保持一致，确保判定同步信号后能接收到有效吃水检测信号；由此在发射端发射完一帧信号后，接收端将会在一定延时后接收到该信号，随后将一帧信号作为一个整体发送到数据处理模块；每一帧数据都是由超声波同步信号作为帧头，由此用超声波实现了发射端和接收端同步的功能。

6.根据权利要求5所述一种侧扫式船舶吃水检测系统的超声波同步方法，其特征在于：通过数据线与数据采集传输模块连接，用来将接收端N个超声波接收探头和水下压力传感器模块（5）传输来的数据进行处理，计算出被测船舶吃水深度；并通过显示模块直观显示实时的船舶吃水数据。