一种船舶吃水超限检测系统及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶吃水超限检测系统及其检测方法，所述的系统包括同步信号产生模块、超声波发射模块、超声波接收模块、测距模块、数据处理模块和显示报警模块；超声波发射模块固定安装在航道的一侧；超声波接收模块安装在航道与超声波发射模块相对的另一侧；测距模块的测距点与超声波发射模块的超声波发出点位于同一竖直线上。本发明可以在船舶一侧发出超声波，另一侧对超声波进行接收，因此是一种侧扫式的船舶吃水超限检测系统。因为在航道两侧，所以易于安装，不会影响船舶通航，使用范围更加广泛。本发明通过对超声波接收器阵列接收的信号的延迟时间和强度来判定遮挡状况，可以消除声波多途效应对测量结果的影响，使得测量结果更加准确。
【专利说明】一种船舶吃水超限检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水下超声波探测技术、船舶吃水超限检测技术，特别是一种船舶吃水超限检测系统及其检测方法。
【背景技术】
[0002]随着长江航运量不断增大，航道中船舶数量和密度均大幅提高，船舶吃水超限对航运安全的威胁日益严重，尤其是在长江三峡的升船机内，吃水超限的船舶极容易对升船舱和航道造成损害。目前船舶吃水超限检测手段主要有以下几种:
[0003]—、人工手动检测；
[0004]二、基于图像处理技术的船舶水尺读数识别技术；
[0005]三、激光水位测量法；
[0006]四、超声波阵列法。
[0007]上述方法中，方法一由于人的主观性占比例太大，而且测量时间也较长，影响了航道的通航效率；方法二过分依赖船舶自身的水尺准确性，使用性受限；方法三由于激光在水中无法长距离传输，使用范围有所局限；方法四安装、检修繁琐，且影响通航效率。因此目前还没有一种方法能快捷准确的测量船舶吃水超限的方法。
【发明内容】
[0008]为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种使用范围广、测量结果准确、易于安装、维修方便的船舶吃水超限检测系统及其检测方法。
[0009]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种船舶吃水超限检测系统，包括同步信号产生模块、超声波发射模块、超声波接收模块、测距模块、数据处理模块和显示报警模块；
[0010]所述的同步信号产生模块采用搭建硬件电路或者利用GPS同步时钟的方式同时向超声波发射模块、超声波接收模块和测距模块发射同步信号，使这三个模块同时开始工作；
[0011]所述的超声波发射模块包括同步信号接收装置、超声波发射器、角度测量器和支架；所述的同步信号接收装置用来接收同步信号；超声波发射器发出小角度的持续时间为At的超声波脉冲；角度测量器测量出超声波发射器发出的超声波中心线与吃水警戒线的角度偏移量β，用于最后测量结果的修正；支架用来将超声波发射模块固定安装在航道的一侧；超声波发射器发出的超声波中心线与规定的船舶吃水警戒线重合或接近；
[0012]所述的超声波接收模块包括线性阵列式超声波接收模块或非线性阵列式超声波接收模块；所述的线性阵列式超声波接收模块包括同步信号接收装置、线性超声波接收器阵列、数据传输装置和支架；同步信号接收装置接收同步信号；超声波接收器阵列接收未被障碍物阻挡传播来的超声波；数据传输装置将超声波接收器阵列的测量结果传输给数据处理模块；支架将此模块固定安装在航道与超声波发射模块相对的另一侧；线性超声波接收器阵列方向竖直并且其中心点位于或者接近船舶吃水警戒线；所述的非线性阵列式超声波接收模块包括同步信号接收装置、浮箱、超声波接收器阵列、DGPS定位装置和数据传输装置；同步信号接收装置接收同步信号；浮箱用来固定安装超声波接收器阵列，使其能在水中保持静止的状态；超声波接收器阵列的阵列面大于发射来的超声波有效圆形面；DGPS定位装置监控并定位浮箱的位置坐标，监测浮箱是否偏离出有效的接收位置；数据传输装置将超声波接收器阵列的测量结果传输给数据处理模块；所述的DGPS定位装置为差分全球定位系统定位装置的简称；
[0013]所述的测距模块包括同步信号接收装置、测距装置和数据传输装置；测距模块的测距点与超声波发射模块的超声波发出点位于同一竖直线上。
[0014]一种船舶吃水超限检测系统的检测方法，包括以下步骤:
[0015]A、同步信号产生模块发出同步信号
[0016]同步信号产生模块采用搭建硬件电路或者GPS同步时钟发出同步信号，保证超声波发射模块、超声波接收模块和测距模块同时开始工作，测得船舶同一时刻的所需数据；
[0017]B、超声波发射模块发出超声波
[0018]超声波发射模块安装在航道一侧,它以船舶吃水警戒线为中心发出小角度的超声波脉冲；此超声波脉冲为固定频率，便于与水中其它声波的区分；超声波在传输途中没有被遮挡时，会完整的被超声波接收模块接收；当中途被船舶遮挡时，超声波接收模块接收到的超声波信号会发生变化；
[0019]C、超声波接收模块接收超声波
[0020]超声波接收模块根据测量环境的不同，分别采用以下方式工作:当航道两侧距离短、水深且水质澄澈，声波的多途相应不明显时转步骤Cl ;否则，转步骤C2 ；
[0021]Cl、当航道两侧距离短、水深且水质澄澈，声波的多途效应不明显时，超声波接收模块采用线性阵列式超声波接收模块，在测量船舶吃水是否超限之前，预先准确测量出在没有障碍物时线性超声波接收器阵列能接收到超声波的有效范围的长度M，转步骤D ;
[0022]C2、当在航道两岸距离长，水浅且水质浑浊，声波的多途效应明显的环境中，超声波接收模块受外界干扰严重，采用非线性阵列式超声波接收模块；超声波发射模块和超声波接收模块同时开始工作，沿着最短直线路径传播来的超声波经过时间t开始被超声波接收器阵列接收，而因多途效应沿着散乱路径折射、反射来的超声波由于路径长、方向杂散、能量分散的原因，到达超声波接收器阵列的时间大于t，且波形的强度弱，所以接收到的有效的超声波脉冲应该在时间t?t+ Λ t间隔内，且其信号强度远大于干扰信号强度；因此从超声波接收器阵列接收到的超声波的延迟时间和波形强度准确的判定出接收信号的有效范围，从而消除声波的多途效应对测量结果的影响；在测量船舶吃水是否超限之前，预先准确测量出在没有障碍物时超声波接收器阵列能接收到超声波的有效圆范围的直径长度M ；
[0023]D、测距模块测距
[0024]测距模块在接收到同步信号之后开始工作，测得测距点到船身的距离L1，然后将所测得的结果由数据传输装置传输给数据处理模块；
[0025]E、数据处理模块进行数据处理
[0026]设数据处理模块从船舶的VTS信息或者AIS信息中得船身半宽度为L2,从测距模块接收到超声波发射模块到船身的距离为L1，则超声波发射模块到船舶底部中心的水平距离L3 = 1,+ (12/2);在超声波发射模块开始工作后，沿着最短直线路径传播来的超声波经过时间T开始被超声波接收器阵列接收，而因多途效应沿着散乱路径折射、反射来的超声波由于路径长、能量分散的原因，到达超声波接收器阵列的时间大于Τ，且波形的强度弱，因此从超声波接收器阵列接收到的超声波的延迟时间和波形强度可以准确的判定出接收信号的有效范围，从而消除声波的多途效应对测量结果的影响；设超声波接收器阵列接收有效信号范围长度SD1，发射的超声波中心线与吃水警戒线角度偏移量为β ;在无船舶驶进检测区域之前，预先测量超声波接收器阵列接收超声波范围的完全有效长度M ;
[0027]设超声波发射模块为a ;在有船舶阻挡超声波传播时，超声波接收器阵列接收信号范围的有效上限点为b ;发射超声波的中心线与超声波接收器阵列的交点为c ;吃水警戒线与超声波接收器的交点为d ;船底点为e ;船舶中心线与吃水警戒线交点为f ;船底到吃水警戒线的距离为H ;超声波发射模块和超声波接收器阵列之间的水平距离L4为已知；b、c两点之间的长度D2 = D1-M/2 ;a、f两点之间的长度L3 = !^+L2 ;c、d两点之间的距尚D3 =L4Xtanii ;首先根据D1与M的关系进行判定，若D1 = M，则转El ^D1 ^ (M/2 —D3),则转E2 ;若(M/2 — D3)≤ D1 < M，则转 E3 ；
[0028]E1、待测船舶驶过测量区时并没有对超声波的传播产生阻碍，说明船舶吃水深度比警戒线要浅，可以安全通航；转F ；
[0029]E2、待测船舶驶过测量区时已经对超声波的传播产生阻碍，并且船底吃水深度已经超过警戒线；转F ;
[0030]E3、待测船舶驶过测量区时已经对超声波的传播产生阻碍，但是船底吃水深度未超过警戒线，对警戒程度进行进一步的判定；在Aabc和Δ aef中Z a所对应的两组正切比相等，所以有:
【权利要求】
1.一种船舶吃水超限检测系统，其特征在于:包括同步信号产生模块(I)、超声波发射模块(2)、超声波接收模块(3)、测距模块(4)、数据处理模块(5)和显示报警模块(6)； 所述的同步信号产生模块(I)采用搭建硬件电路或者利用GPS同步时钟的方式同时向超声波发射模块(2)、超声波接收模块(3)和测距模块(4)发射同步信号，使这三个模块同时开始工作； 所述的超声波发射模块(2)包括同步信号接收装置、超声波发射器、角度测量器和支架；所述的同步信号接收装置用来接收同步信号；超声波发射器发出小角度的持续时间为At的超声波脉冲；角度测量器测量出超声波发射器发出的超声波发射中心线(15)与吃水警戒线的角度偏移量β，用于最后测量结果的修正；支架用来将超声波发射模块(2)固定安装在航道的一侧；超声波发射器发出的超声波发射中心线(15)与规定的船舶吃水警戒线(X)重合或接近； 所述的超声波接收模块(3)包括线性阵列式超声波接收模块(3)或非线性阵列式超声波接收模块(3);所述的线性阵列式超声波接收模块(3)包括同步信号接收装置、线性超声波接收器阵列(8)、数据传输装置和支架；同步信号接收装置接收同步信号；超声波接收器阵列(10)接收未被障碍物阻挡传播来的超声波；数据传输装置将超声波接收器阵列(10)的测量结果传输给数据处理模块(5);支架将此模块固定安装在航道与超声波发射模块(2)相对的另一侧；线性超声波接收器阵列(8)方向竖直并且其中心点位于或者接近船舶吃水警戒线(7);所述的非线性阵列式超声波接收模块(3)包括同步信号接收装置、浮箱(9)、超声波接收器阵列(10)、DGPS定位装置和数据传输装置；同步信号接收装置接收同步信号；浮箱(9)用来固 定安装超声波接收器阵列(10)，使其能在水中保持静止的状态；超声波接收器阵列(10)的阵列面大于发射来的超声波有效圆形面(11) ;DGPS定位装置监控并定位浮箱(9)的位置坐标，监测浮箱(9)是否偏离出有效的接收位置；数据传输装置将超声波接收器阵列(10)的测量结果传输给数据处理模块(5);所述的DGPS定位装置为差分全球定位系统定位装置的简称； 所述的测距模块(4)包括同步信号接收装置、测距装置和数据传输装置；测距模块(4)的测距点与超声波发射模块(2)的超声波发出点位于同一竖直线上。
2.一种船舶吃水超限检测系统的检测方法，其特征在于:包括以下步骤: A、同步信号产生模块(I)发出同步信号 同步信号产生模块(I)采用搭建硬件电路或者GPS同步时钟发出同步信号，保证超声波发射模块(2)、超声波接收模块(3)和测距模块(4)同时开始工作，测得船舶同一时刻的所需数据； B、超声波发射模块(2)发出超声波 超声波发射模块(2)安装在航道一侧，它以船舶吃水警戒线(7)为中心发出小角度的超声波脉冲；此超声波脉冲为固定频率，便于与水中其它声波的区分；超声波在传输途中没有被遮挡时，会完整的被超声波接收模块(3)接收；当中途被船舶遮挡时，超声波接收模块(3)接收到的超声波信号会发生变化； C、超声波接收模块(3)接收超声波 超声波接收模块(3)根据测量环境的不同，分别采用以下方式工作:当航道两侧距离短、水深且水质澄澈，声波的多途相应不明显时转步骤Cl ;否则，转步骤C2 ；Cl、当航道两侧距离短、水深且水质澄澈，声波的多途效应不明显时，超声波接收模块(3)采用线性阵列式超声波接收模块(3)，在测量船舶吃水是否超限之前，预先准确测量出在没有障碍物时线性超声波接收器阵列(8)能接收到超声波的有效范围的长度M，转步骤D ； C2、当在航道两岸距离长，水浅且水质浑浊，声波的多途效应明显的环境中，超声波接收模块(3)受外界干扰严重，采用非线性阵列式超声波接收模块(3);超声波发射模块(2)和超声波接收模块(3)同时开始工作，沿着最短直线路径传播来的超声波经过时间t开始被超声波接收器阵列(10)接收，而因多途效应沿着散乱路径折射、反射来的超声波由于路径长、方向杂散、能量分散的原因，到达超声波接收器阵列(10)的时间大于t，且波形的强度弱，所以接收到的有效的超声波脉冲应该在时间t~t+ △ t间隔内，且其信号强度远大于干扰信号强度；因此从超声波接收器阵列(10)接收到的超声波的延迟时间和波形强度准确的判定出接收信号的有效范围，从而消除声波的多途效应对测量结果的影响；在测量船舶吃水是否超限之前，预先准确测量出在没有障碍物时超声波接收器阵列(10)能接收到超声波的有效圆范围的直径长度M ； D、测距模块⑷测距 测距模块(4)在接收到同步信号之后开始工作，测得测距点到船身的距离L1，然后将所测得的结果由数 据传输装置传输给数据处理模块(5)； E、数据处理模块(5)进行数据处理 设数据处理模块(5)从船舶的VTS信息或者AIS信息中得船身半宽度为L2,从测距模块(4)接收到超声波发射模块(2)到船身的距离SL1，则超声波发射模块(2)到船舶底部中心的水平距离L3 = L1+(L2/2);在超声波发射模块(2)开始工作后，沿着最短直线路径传播来的超声波经过时间T开始被超声波接收器阵列(10)接收，而因多途效应沿着散乱路径折射、反射来的超声波由于路径长、能量分散的原因，到达超声波接收器阵列(10)的时间大于T，且波形的强度弱，因此从超声波接收器阵列(10)接收到的超声波的延迟时间和波形强度可以准确的判定出接收信号的有效范围，从而消除声波的多途效应对测量结果的影响；设超声波接收器阵列(10)接收有效信号范围长度为D1，发射的超声波发射中心线(15)与吃水警戒线角度偏移量为β ;在无船舶驶进检测区域之前，预先测量超声波接收器阵列(10)接收超声波范围的完全有效长度M ; 设超声波发射模块(2)为a;在有船舶阻挡超声波传播时，超声波接收器阵列(10)接收信号范围的有效上限点为b ;发射超声波的中心线与超声波接收器阵列(10)的交点为c ;吃水警戒线与超声波接收器的交点为d ;船底点为e ;船舶中心线与吃水警戒线交点为f ；船底到吃水警戒线的距离为H;超声波发射模块(2)和超声波接收器阵列(10)之间的水平距尚L4为已知；b、c两点之间的长度D2 = D1HVI/2 ; a、f两点之间的长度L3 = !^+L2 ; c、d两点之间的距离D3 = L4XtanP ;首先根据D1与M的关系进行判定，若D1 = M JUREl ;若D1≤(M/2 — D3)，则转 E2 ;若(M/2 — D3)≤ D1 < M，则转 E3 ； E1、待测船舶(12)驶过测量区时并没有对超声波的传播产生阻碍，说明船舶吃水深度比警戒线要浅，可以安全通航；RF ; E2、待测船舶(12)驶过测量区时已经对超声波的传播产生阻碍，并且船底吃水深度已经超过警戒线；转F ;E3、待测船舶(12)驶过测量区时已经对超声波的传播产生阻碍，但是船底吃水深度未超过警戒线，对警戒程度进行进一步的判定；在Aabc和Aaef中Z a所对应的两组正切比相等，所以有:
【文档编号】B63B39/12GK103913746SQ201410171888
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】熊木地, 刘新建, 罗宁, 陈冬元 申请人:大连海事大学