一种高速侧扫式船舶吃水检测系统及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速侧扫式船舶吃水检测系统，包括多频超声波发射模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、超声波接收模块、同步控制模块、数据处理模块和显示模块；所述的数据处理模块通过数据线分别与接收端压力传感器模块、超声波接收模块和显示模块连接；所述的同步控制模块安装在超声波接收模块一侧。由于本发明以多频发射代替单一频率的超声波发射，解决了单一频率超声波发射造成的干扰问题，采集到的超声波数据更精确；解决了超声波发射信号一个周期耗费时间过长，周期时间缩短了N倍；解决了后端数据采集量过少的问题；大大提高了系统工作效率及其测量精度，扩大了系统应用范围。
【专利说明】
一种高速侧扫式船舶吃水检测系统及其工作方法
技术领域
[0001]本发明应用于船舶吃水检测及其安全检测等领域，特别涉及一种侧扫式吃水检测系统及其工作方法。【背景技术】
[0002]目前，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。现有的侧扫式吃水检测系统是构建单一频率的超声波发射模块，然后同步控制模块采用分时复用的方式控制超声波发射传感器循环发射超声波，再根据超声波传感器接收端接收的直达波推出船舶吃水深度。此方法仅满足在某个工作时间段单个超声波发射传感器工作，同步控制模块控制超声波发射模块工作一个周期消耗时间过长;其次，数据处理模块所采集到的数据量过少，大大降低了系统工作效率及其测量精度； 最后，超声波发射传感器发射单一频率超声波会对对应接收端相邻超声波接收传感器产生干扰，使得其应用受到很大的限制。
【发明内容】
[0003]为解决以上问题，本发明要提出一种提高系统工作效率以及测量精度，并且消除相邻超声波接收传感器之间干扰的高速侧扫式船舶吃水检测系统及其工作方法。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种高速侧扫式船舶吃水检测系统， 包括多频超声波发射模块、发射端压力传感器模块、接收端压力传感器模块、超声波接收模块、同步控制模块、数据处理模块和显示模块;所述的数据处理模块通过数据线分别与接收端压力传感器模块、超声波接收模块和显示模块连接;所述的同步控制模块安装在超声波接收模块一侧，通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块和发射端压力传感器模块连接；同步控制模块由时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制多频超声波发射模块与发射端压力传感器模块同步工作;多频超声波发射模块构成发射端;超声波接收模块构成接收端； 所述的多频超声波发射模块由N个调制不同频率的超声波发射调制电路、一个发射端安装支架及N个超声波发射探头构成，N个超声波发射探头排成一列安装于发射端安装支架上构成超声波发射线阵，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与发射端安装支架长度方向中心线垂直，设发射端安装支架上的超声波发射探头从上至下的编号依次为〇、1、…、N-1; 则第i个超声波发射探头的发射频率为:
[0005]F = f+i*9 ；
[0006]f> = 200Khz；
[0007]i = 〇、1、."、N-l;
[0008]0> = 5OKhz；[〇〇〇9]发射端安装支架固定在航道的一侧，保证发射端安装支架上发射不同频率超声波发射探头发出的超声波中心线构成的竖直平面与水平面垂直且保证超声波发射线阵完全浸没在水中；所述的发射端压力传感器模块安装在超声波发射线阵的第〇个超声波发射探头中心位置之上M高度，通过测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H;所述的超声波接收模块由N个超声波接收探头、 一个接收端安装支架和N个超声波接收解调电路组成，所述的超声波接收解调电路包括放大电路、滤波电路、检波电路及处理电路，所述的放大电路依次与滤波电路、检波电路及处理电路串联，超声波接收解调电路将超声波接收探头接收到的不同频率超声波解调成对应超声波发射探头频率，N个超声波接收探头排成一列安装于接收端安装支架上，每个超声波接收探头接收的超声波中心线与接收端安装支架朝向航道中心方向的竖直平面垂直，构成超声波接收线阵，超声波接收线阵固定安装在航道的另一侧且接收端安装支架所在的平面与水平面垂直;所述的发射端安装支架所在平面与接收端安装支架所在平面平行;所述的接收端压力传感器模块安装在超声波接收线阵的第〇个超声波接收探头中心位置之上M高度，其通过测量接收端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量接收端压力传感器中心位置距离水面的深度L;所述的数据处理模块是一台工控机，根据发射端压力传感器模块和接收端压力传感器模块传送的深度信息以及超声波接收线阵接收的信号强弱计算出船舶吃水深度;所述的显示模块用来通知工作人员过往船舶吃水深度是否超限。
[0010]—种高速侧扫式船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤:
[0011]A、同步控制模块的构建；
[0012]同步控制模块安装在超声波接收模块一侧，通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块和发射端压力传感器模块连接;同步控制模块由可靠时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制多频超声波发射模块与发射端压力传感器模块同步工作；
[0013]B、采集发射端压力传感器模块深度；[〇〇14]发射端压力传感器模块安装在超声波发射线阵的第0个超声波发射探头中心位置上M高度，其通过测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H;
[0015]C、采集收端压力传感器模块深度；
[0016]接收端压力传感器模块安装在超声波接收线阵的第0个超声波接收探头中心位置上M高度，其通过测量接收端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量接收端压力传感器中心位置距离水面的深度L;[〇〇17] D、发射多频率超声波信号；
[0018]多频超声波发射模块由N个调制不同频率的超声波发射调制电路、一个发射端安装支架及N个超声波发射探头构成，N个超声波发射探头排成一列安装于发射端安装支架上构成超声波发射线阵，每个超声波发射探头发出的超声波中心线与发射端安装支架长度方向中心线垂直，设发射端安装支架上的超声波发射探头从上至下的编号依次为〇、1、…、N-1;则第i个超声波发射探头的发射频率为:
[0019]p = f+i*0；
[0020]f> = 200Khz；
[0021]i = 〇、1、."、N-l;
[0022]0> = 5OKhz；[〇〇23]发射端安装支架固定在航道的一侧，保证发射端安装支架上发射不同频率超声波发射探头发出的超声波中心线构成的平面与水平面垂直且保证超声波发射线阵完全浸没水中；
[0024]E、接收多频率超声波信号；
[0025]超声波接收模块由N个超声波接收探头、一个接收端安装支架、N个超声波接收解调电路组成，超声波接收解调电路将超声波接收探头接收到的不同频率超声波解调成对应超声波发射探头频率，N个超声波接收探头排成一列安装于接收端安装支架上，每个超声波接收探头接收的超声波中心线与接收端安装支架所在的平面垂直，构成超声波接收线阵， 超声波接收线阵固定安装在航道的另一侧且接收端安装支架所在的平面与水平面垂直； [〇〇26] F、数据处理模块进行数据处理；
[0027]数据处理模块根据发射端压力传感器模块安装在超声波发射线阵的第0个超声波发射探头中心位置M高度，测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H，再结合超声波接收线阵接收的信号强弱计算出下端最后一个被遮挡超声波接收探头中心位置距离第〇个超声波接收探头中心位置的长度X; [〇〇28] G、显示模块进行结果显示；[〇〇29]显示模块根据最后计算出的船舶吃水深度为M+H+X，显示计算结果，并提示工作人员判断过往船舶是否吃水深度超限。
[0030]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:[〇〇31]1.由于本发明以多频发射代替单一频率的超声波发射，解决了单一频率超声波发射造成的干扰问题，采集到的超声波数据更精确。[〇〇32]2.由于本发明以多频发射代替单一频率的超声波发射，解决了超声波发射信号一个周期耗费时间过长，周期时间缩短了 N倍。
[0033]3.由于本发明以多频发射代替单一频率的超声波发射，解决了后端数据采集量过少的问题。[〇〇34]4.由于本发明以多频发射代替单一频率的超声波发射，大大提高了系统工作效率及其测量精度，扩大了系统应用范围。【附图说明】[〇〇35]本发明共有附图5幅，其中:[〇〇36]图1为本发明的模块结构示意图。
[0037]图2为本发明的多频超声波发射模块示意图。[〇〇38]图3为本发明的工作原理图。[〇〇39]图4为本发明的总体框架结构图。[〇〇4〇]图5为本发明的超声波接收解调电路的流程图。[〇〇41]图中:1、同步控制模块，2、发射端压力传感器模块，3、接收端压力传感器模块，4、 数据处理模块，5、显示模块，6、超声波接收模块，7、多频超声波发射模块，8、超声波发射线阵，9、发射端安装支架，10、船舶，11、超声波发射探头，12、超声波接收探头，13、超声波信号，14、水平面，15、航道，16、接收端安装支架，17、放大电路，18、滤波电路，19、检波电路， 20、处理电路。【具体实施方式】
[0042]下面结合附图，对本发明作进一步的说明:
[0043]如图1-4所示，一种高速侧扫式船舶吃水检测系统，包括多频超声波发射模块7、发射端压力传感器模块2、接收端压力传感器模块3、超声波接收模块6、同步控制模块1、数据处理模块4和显示模块5;所述的数据处理模块4通过数据线分别与接收端压力传感器模块 3、超声波接收模块6和显示模块5连接;所述的同步控制模块1安装在超声波接收模块6 — 侦I通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块7和发射端压力传感器模块2连接；同步控制模块1由时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制多频超声波发射模块7与发射端压力传感器模块2同步工作;多频超声波发射模块7构成发射端;超声波接收模块6构成接收端;所述的多频超声波发射模块7由N个调制不同频率的超声波发射调制电路、一个发射端安装支架9及N个超声波发射探头11构成，N个超声波发射探头11排成一列安装于发射端安装支架9 上构成超声波发射线阵8,每个超声波发射探头11发出的超声波中心线与发射端安装支架9 长度方向中心线垂直，设发射端安装支架9上的超声波发射探头11从上至下的编号依次为 0、1、…、N-1;则第i个超声波发射探头11的发射频率为:
[0044]p = f+i*0；
[0045]f> = 200Khz；
[0046]i = 〇、1、."、N-l;
[0047]0> = 5OKhz；[〇〇48]发射端安装支架9固定在航道15的一侧，保证发射端安装支架9上发射不同频率超声波发射探头11发出的超声波中心线构成的竖直平面与水平面14垂直且保证超声波发射线阵8完全浸没在水中；所述的发射端压力传感器模块2安装在超声波发射线阵8的第0个超声波发射探头11中心位置之上M高度，通过测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H;所述的超声波接收模块6由N个超声波接收探头12、一个接收端安装支架16和N个超声波接收解调电路组成，所述的超声波接收解调电路包括放大电路17、滤波电路18、检波电路19及处理电路20,所述的放大电路17依次与滤波电路18、检波电路19及处理电路20串联，超声波接收解调电路将超声波接收探头 12接收到的不同频率超声波解调成对应超声波发射探头11频率，N个超声波接收探头12排成一列安装于接收端安装支架16上，每个超声波接收探头12接收的超声波中心线与接收端安装支架16朝向航道15中心方向的竖直平面垂直，构成超声波接收线阵，超声波接收线阵固定安装在航道15的另一侧且接收端安装支架16所在的平面与水平面14垂直;所述的发射端安装支架9所在平面与接收端安装支架16所在平面平行;所述的接收端压力传感器模块3 安装在超声波接收线阵的第〇个超声波接收探头12中心位置之上M高度，其通过测量接收端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量接收端压力传感器中心位置距离水面的深度 L;所述的数据处理模块4是一台工控机，根据发射端压力传感器模块2和接收端压力传感器模块3传送的深度信息以及超声波接收线阵接收的信号强弱计算出船舶10吃水深度;所述的显示模块5用来通知工作人员过往船舶10吃水深度是否超限。
[0049]如图1-5所示，一种高速侧扫式船舶吃水检测系统的工作方法，包括以下步骤:
[0050]A、同步控制模块1的构建；
[0051]同步控制模块1安装在超声波接收模块6—侧，通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块7和发射端压力传感器模块2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，控制多频超声波发射模块7与发射端压力传感器模块2同步工作；[〇〇52]B、采集发射端压力传感器模块2深度；
[0053]发射端压力传感器模块2安装在超声波发射线阵8的第0个超声波发射探头11中心位置上M高度，其通过测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H;[〇〇54]C、采集收端压力传感器模块深度；
[0055]接收端压力传感器模块3安装在超声波接收线阵的第0个超声波接收探头12中心位置上M高度，其通过测量接收端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量接收端压力传感器中心位置距离水面的深度L;[〇〇56]D、发射多频率超声波信号13;
[0057]多频超声波发射模块7由N个调制不同频率的超声波发射调制电路、一个发射端安装支架9及N个超声波发射探头11构成，N个超声波发射探头11排成一列安装于发射端安装支架9上构成超声波发射线阵8,每个超声波发射探头11发出的超声波中心线与发射端安装支架9长度方向中心线垂直，设发射端安装支架9上的超声波发射探头11从上至下的编号依次为〇、1、…、N-1;则第i个超声波发射探头11的发射频率为:
[0058]F = f+i*9;
[0059]f> = 200Khz；
[0060]i = 〇、1、...、N-l;
[0061]0> = 5OKhz；[〇〇62]发射端安装支架9固定在航道15的一侧，保证发射端安装支架9上发射不同频率超声波发射探头11发出的超声波中心线构成的平面与水平面14垂直且保证超声波发射线阵8 完全浸没水中；[〇〇63]E、接收多频率超声波信号13;
[0064]超声波接收模块6由N个超声波接收探头12、一个接收端安装支架16、N个超声波接收解调电路组成，超声波接收解调电路将超声波接收探头12接收到的不同频率超声波解调成对应超声波发射探头11频率，N个超声波接收探头12排成一列安装于接收端安装支架16 上，每个超声波接收探头12接收的超声波中心线与接收端安装支架16所在的平面垂直，构成超声波接收线阵，超声波接收线阵固定安装在航道15的另一侧且接收端安装支架16所在的平面与水平面14垂直；[〇〇65]F、数据处理模块4进行数据处理；
[0066]数据处理模块4根据发射端压力传感器模块2安装在超声波发射线阵8的第0个超声波发射探头11中心位置M高度，测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H，再结合超声波接收线阵接收的信号强弱计算出下端最后一个被遮挡超声波接收探头12中心位置距离第0个超声波接收探头12中心位置的长度X;[〇〇67]G、显示模块5进行结果显示；[〇〇68]显示模块5根据最后计算出的船舶10吃水深度为M+H+X，显示计算结果，并提示工作人员判断过往船舶10是否吃水深度超限。
【主权项】
1.一种高速侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于:包括多频超声波发射模块(7)、发 射端压力传感器模块(2)、接收端压力传感器模块(3)、超声波接收模块(6)、同步控制模块 (1)、数据处理模块(4)和显示模块(5);所述的数据处理模块(4)通过数据线分别与接收端 压力传感器模块(3)、超声波接收模块(6)和显示模块(5)连接;所述的同步控制模块(1)安 装在超声波接收模块(6)—侧，通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块(7)和发射端 压力传感器模块(2)连接；同步控制模块(1)由时钟发生器和同步缓冲电路组成，控制多频 超声波发射模块(7)与发射端压力传感器模块(2)同步工作;多频超声波发射模块(7)构成 发射端;超声波接收模块(6)构成接收端;所述的多频超声波发射模块(7)由N个调制不同频 率的超声波发射调制电路、一个发射端安装支架(9)及N个超声波发射探头(11)构成，N个超 声波发射探头(11)排成一列安装于发射端安装支架(9)上构成超声波发射线阵(8)，每个超 声波发射探头(11)发出的超声波中心线与发射端安装支架(9)长度方向中心线垂直，设发 射端安装支架(9)上的超声波发射探头(11)从上至下的编号依次为0、1、…、N-1;则第i个超 声波发射探头(11)的发射频率为:F = f+i*9;f> = 200Khz；i = 0、l、…、N-l;9> = 50Khz ；发射端安装支架(9)固定在航道(15)的一侧，保证发射端安装支架(9)上发射不同频率 超声波发射探头(11)发出的超声波中心线构成的竖直平面与水平面(14)垂直且保证超声 波发射线阵(8)完全浸没在水中；所述的发射端压力传感器模块(2)安装在超声波发射线阵 (8)的第0个超声波发射探头(11)中心位置之上M高度，通过测量发射端压力传感器中心位 置距离水面的压力来测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H;所述的超声波接 收模块(6)由N个超声波接收探头(12)、一个接收端安装支架(16)和N个超声波接收解调电 路组成，所述的超声波接收解调电路包括放大电路(17)、滤波电路(18)、检波电路(19)及处 理电路(20)，所述的放大电路(17)依次与滤波电路(18)、检波电路(19)及处理电路(20)串 联，超声波接收解调电路将超声波接收探头(12)接收到的不同频率超声波解调成对应超声 波发射探头(11)频率，N个超声波接收探头(12)排成一列安装于接收端安装支架(16)上，每 个超声波接收探头(12)接收的超声波中心线与接收端安装支架(16)朝向航道(15)中心方 向的竖直平面垂直，构成超声波接收线阵，超声波接收线阵固定安装在航道(15)的另一侧 且接收端安装支架(16)所在的平面与水平面(14)垂直;所述的发射端安装支架(9)所在平 面与接收端安装支架(16)所在平面平行;所述的接收端压力传感器模块(3)安装在超声波 接收线阵的第〇个超声波接收探头(12)中心位置之上M高度，其通过测量接收端压力传感器 中心位置距离水面的压力来测量接收端压力传感器中心位置距离水面的深度L;所述的数 据处理模块(4)是一台工控机，根据发射端压力传感器模块(2)和接收端压力传感器模块 (3)传送的深度信息以及超声波接收线阵接收的信号强弱计算出船舶(10)吃水深度;所述 的显示模块(5)用来通知工作人员过往船舶(10)吃水深度是否超限。2.—种高速侧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、同步控制模块(1)的构建；同步控制模块(1)安装在超声波接收模块(6)—侧，通过同步缓冲电路分别与多频超声波发射模块(7)和发射端压力传感器模块(2)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，控制多频超声波发射模块(7)与发射端压力传感器模块(2)同步工作；B、采集发射端压力传感器模块(2)深度；发射端压力传感器模块(2)安装在超声波发射线阵(8)的第0个超声波发射探头(11)中 心位置上M高度，其通过测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量发射端压 力传感器中心位置距离水面的深度H;C、采集收端压力传感器模块深度；接收端压力传感器模块(3)安装在超声波接收线阵的第0个超声波接收探头(12)中心 位置上M高度，其通过测量接收端压力传感器中心位置距离水面的压力来测量接收端压力 传感器中心位置距离水面的深度L;D、发射多频率超声波信号(13);多频超声波发射模块(7)由N个调制不同频率的超声波发射调制电路、一个发射端安装 支架(9)及N个超声波发射探头(11)构成，N个超声波发射探头(11)排成一列安装于发射端 安装支架(9)上构成超声波发射线阵(8)，每个超声波发射探头(11)发出的超声波中心线与 发射端安装支架(9)长度方向中心线垂直，设发射端安装支架(9)上的超声波发射探头(11) 从上至下的编号依次为0、1、…、N-1;则第i个超声波发射探头(11)的发射频率为:F = f+i*9;f> = 200Khz；i = 0、l、…、N-1;9> = 50Khz ；发射端安装支架(9)固定在航道(15)的一侧，保证发射端安装支架(9)上发射不同频率 超声波发射探头(11)发出的超声波中心线构成的平面与水平面(14)垂直且保证超声波发 射线阵(8)完全浸没水中；E、接收多频率超声波信号(13);超声波接收模块(6)由N个超声波接收探头(12)、一个接收端安装支架(16)、N个超声波 接收解调电路组成，超声波接收解调电路将超声波接收探头(12)接收到的不同频率超声波 解调成对应超声波发射探头(11)频率，N个超声波接收探头(12)排成一列安装于接收端安 装支架(16)上，每个超声波接收探头(12)接收的超声波中心线与接收端安装支架(16)所在 的平面垂直，构成超声波接收线阵，超声波接收线阵固定安装在航道(15)的另一侧且接收 端安装支架(16)所在的平面与水平面(14)垂直；F、数据处理模块(4)进行数据处理；数据处理模块(4)根据发射端压力传感器模块(2)安装在超声波发射线阵(8)的第0个 超声波发射探头(11)中心位置M高度，测量发射端压力传感器中心位置距离水面的压力来 测量发射端压力传感器中心位置距离水面的深度H，再结合超声波接收线阵接收的信号强 弱计算出下端最后一个被遮挡超声波接收探头(12)中心位置距离第0个超声波接收探头 (12)中心位置的长度X;G、显示模块(5)进行结果显示；显示模块(5)根据最后计算出的船舶(10)吃水深度为M+H+X，显示计算结果，并提示工 作人员判断过往船舶(10)是否吃水深度超限。
【文档编号】G01V1/38GK105947140SQ201610254889
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】熊木地, 高云飞, 王培滨, 王莹, 乌旭
【申请人】大连海事大学