船舶吃水深度检测系统

1.本实用新型涉及超声波测量设备，尤其涉及一种船舶吃水深度检测系统。


背景技术：

2.目前国内外对于船舶吃水深度的检测技术主要有：图像识别法，电子水尺法，压力传感法、激光测距法、激光光幕法以及超声波检测法等。其中超声波技术因其能量聚集度高、定向性好、传输过程衰减小、反射性能强、受水质影响小等优点，可以适应不同水深、水质及环境温度下的检测需要。目前利用超声波技术对船舶吃水深度进行检测，根据传感器布置的位置不同可以大体上分为两种，侧向扫描式和水底仰扫式。本实用新型主要采用的是侧向扫描式。
3.现有侧扫式船舶吃水检测的工作原理主要分为两种：
4.(1)反射式。这种情况下超声波传感器一般是安装在航道的一侧界限水深处或者搭载在执法船上随船进行机动检测，为发射和接收一体，通过船舶反射回来的超声波来确定吃水深度。该方法通常主要检测船舶吃水深度是否超限，并针对符合特定轮廓的船舶进行测量，测量范围较小，测量精度因为超声波波束角的影响会比较低，参见专利cn101964150a、cn104787261a和cn105416524a以及文献《一种新型智能化船舶水尺检测仪》。
5.(2)遮挡式。此种测量方式一般为航道或者大坝升船机内部两侧安装超声波发送模块和接收模块，通过船舶对超声波传播路径的遮挡来判别船舶的吃水深度。目前主要的专利和文献都是此种类型，主要采取固定的超声波传感器阵列，除成本较高之外，需要对发射阵列和接收阵列进行分时同步控制，因此需附加同步系统，更增加了系统的复杂性。文献《research on the detection system for dynamic ship draft on the basis of ultrasonic diffraction effect》、《基于arm+fpga的宽航道通航船舶吃水检测系统研究》、《升船机内船舶吃水检测系统研究》、《一种内河船舶吃水检测系统设计》均为此种类型。下面分析相关各专利的特点：
6.公开号为cn103913746a的发明专利、公开号为cn201800887u的实用新型专利将超声波分开为发射模块和接收模块，分别安装在河道两侧，其中超声波接收模块为线性接收器阵列和非线性接收器阵列的组合，超声波发射、接收模块以及测距模块需要通过同步信号模块进行同步操作，然后通过数据处理模块进行计算，同时还要用dgps定位监控超声波接收器阵列的位置，系统结构复杂，安装困难，成本高。
7.公开号为cn104515994a的发明专利、公开号为cn204302491u的实用新型专利也把超声波发射接收模块分开，但有各自对应的两组，分别安装于航道两侧，其他模块与上一个专利类似，两组超声波发射接收模块均由超声波传感器阵列组成，系统结构复杂，成本高。
8.公开号为cn104527945a的发明专利公开了一种超声波侧扫式船舶吃水量检测系统及其检测方法，其使用超声波发射和接收阵列，分为固定式安装和浮箱式安装于航道两侧，发射传感器阵列分时发射超声波，接收阵列复用接收，结构较前一个有所简化，但仍然
复杂，成本高。
9.公开号为cn104590502a的发明专利公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法，除竖直测距模块，其增加了水平测距模块，虽然提高了精度，降低了传感器安装个数，但仍然成本较高。
10.公开号为cn105539761a的发明专利公开了一种宽范围侧扫式吃水检测系统及其工作方法，超声波发射接收阵列进行编号，附加压力传感器模块实时测量水深以确定超声波发射子阵列和接收子阵列的开启数量，降低了功耗，检修方便，但结构以及运算非常复杂。
11.公开号为cn105947140a的发明专利公开了一种高速侧扫式船舶吃水检测系统及其工作方法，其采用的超声波发生模块为多频超声波发射，可以解决单一频率发射造成的干扰问题，但在接收模块重要附加解调电路，系统结构仍然复杂。
12.公开号为cn106054201a的发明专利公开了一种侧扫式船舶吃水量检测系统及其同步工作方法，其通过超声波发射阵列控制模块控制发出超声波的间隔时间以及使用超声波接收阵列采集模块控制延时时间以达到同步效果，精简了同步控制模块以及声速测速仪，成本上有所减少，但由于传感器阵列的使用成本仍然较高，结构复杂。
13.公开号为cn110077546a的发明专利申请公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统，其增加了一路超声波传感器阵列使能模块，来解决不间断超声波检测吃水深度的工作寿命问题。
14.公开号为cn110082770a的发明专利申请公开了一种侧扫式船舶吃水检测系统及超声波同步方法，其重点是利用超声波阵列中的最后一路实现发射端和接收端的超声波信号同步。
15.综上所述，目前现有的侧扫式吃水深度检测技术均存在结构复杂、成本较高，功耗较大等问题，因此随着传感技术和自动化技术的进步，开发新型吃水深度检测技术具有重要的研究意义。


技术实现要素：

16.实用新型目的：针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种船舶吃水深度检测系统，其结构简洁、稳定性高、功耗小，能够对船舶吃水深度进行准确实时的监测。
17.技术方案：一种船舶吃水深度检测系统，包括：
18.升降机构，竖向布置于船闸两侧的水面之下；
19.超声波发射模块和超声波接收模块，等高对置于船闸两侧的升降机构上；
20.超声波发射驱动模块，其信号输出端连接超声波发射模块的信号输入端；
21.超声波接收处理模块，其信号输入端连接超声波接收模块的信号输出端；
22.电机模块，与船闸两侧的升降机构对应装配；
23.控制器，和超声波发射驱动模块、超声波接收处理模块以及电机模块电连接；所述控制器的第一信号输出端连接电机模块，所述控制器的第二信号输出端连接超声波发射驱动模块，所述超声波接收处理模块的信号输出端连接控制器的第一信号输入端；
24.所述超声波发射模块和超声波接收模块的初始位置位于水面下方，且两者被船体
水下部分遮挡，控制器通过电机模块控制升降机构下降，当所述超声波接收模块完全接收到超声波发射模块的信号时，计算超声波发射模块和超声波接收模块的行程，确定船舶吃水深度。
25.工作原理：超声波发射模块发出超声波信号；控制器发出同步驱动信号至船闸两侧的电机模块，控制升降机构上的超声波发射模块和超声波接收模块同步下降；所述超声波发射模块和超声波接收模块的初始位置位于界线水深下方深度d处，由于船体水下部分的遮挡，超声波发射模块的超声波信号不能直接传送到超声波接收模块；随着升降机构的下降，超声波发射模块和超声波接收模块到达船底下方，超声波接收模块能够完全接收到超声波发射模块的超声波，此时超声波接收处理模块输出至控制器的信号发生改变，控制器控制电机停止转动，升降机构上的超声波发射模块和超声波接收模块停止下降；船舶吃水深度根据超声波发射模块和超声波接收模块的行程确定。
26.进一步的，升降机构包括导轨、滑块和传动部件；所述导轨和滑块适配，所述超声波发射模块、超声波接收模块分别安装在船闸两侧的滑块上，滑块和传动部件连接，传动部件和电机模块连接；在电机模块的驱动下，传动部件带动滑块沿导轨上下移动，实现超声波发射模块和声波接收模块的升降控制。
27.进一步的，所述电机模块包括带编码器的步进电机以及步进电机驱动模块；所述控制器的第一信号输出端连接步进电机驱动模块的第一信号输入端，编码器的信号输出端连接步进电机驱动模块的第二信号输入端，步进电机驱动模块的信号输出端连接步进电机的信号输入端，步进电机的输出轴连接升降机构的传动部件。
28.进一步的，还包括激光光幕，激光光幕固定安装在船闸两侧的水面上方，形成一光幕探测区域；所述激光光幕和控制器电连接，当待测船舶的船头进入光幕探测区域遮挡光幕光路时，激光光幕发送触发信号至控制器，控制器控制电机模块和超声波发射驱动模块开始工作。具体的，所述激光光幕包括激光发射阵列和激光接收阵列，所述激光发射阵列和激光接收阵列对置于船闸两侧，其中，激光接收阵列的信号输出端连接控制器的第二信号输入端，当船舶进入光幕探测区域后遮挡光幕，激光光幕的激光接收阵列产生触发信号发送给控制器；当船舶驶出光幕探测区域，激光接收阵列的触发信号消失，控制器驱动升降机构控制超声波发射模块和超声波接收模块上升，恢复至初始待命状态。
29.进一步优选的，所述控制器采用plc。
30.和现有技术相比，本实用新型具有如下进步：
31.1、结构简洁紧凑，仅使用一对超声波发射和超声波接收器件即可实现船舶吃水深度的检测，降低了水下安装维护工作的难度。
32.2、通过激光光幕触发船舶吃水深度检测，自动化程度高。
33.3、克服了船舶吃水深度检测过程中超声波束角对测量结果的影响，测量结果准确可靠。
附图说明
34.图1为本实用新型的系统结构示意图；
35.图2为超声波波束角对吃水深度检测的影响示意图。
具体实施方式
36.为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合实施例及附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。
37.如图1所示，一种船舶吃水深度检测系统，包括超声波发射模块、超声波接收模块、超声波接收处理模块、超声波发射驱动模块、升降机构、电机模块和控制器。
38.升降机构，竖向布置于船闸两侧，一侧升降机构上安装有超声波发射模块，另一侧升降机构上安装有超声波接收模块，超声波发射模块和超声波接收模块能够在升降机构的带动下，在一定行程范围内同步上升或者下降。
39.超声波发射模块和超声波接收模块应等高对置于船闸两侧的水面之下，定义两者的初始位置为界线水深下方深度d处，d由此时的河面宽度以及所采用的单波束超声波的波束角确定，保证超声波发送和接收均在水下进行，来避免空气传播波速度不同带来的误差影响。超声波接收处理模块的信号输入端和超声波接收模块的信号输出端连接；超声波发射驱动模块的信号输出端和超声波发射模块的信号输入端连接。
40.当超声波发射模块发出超声波信号，超声波接收模块在无遮挡情况下可直接接收到发射模块的超声波，此时将超声波接收处理模块的输出信号记为v1。当超声波发射模块和超声波接收模块之间存在遮挡，发射模块超声波信号不能直接传送到接收模块，由衍射等效应传送到超声波接收模块的信号非常微弱，因此超声波接收处理模块的输出信号为遮挡状态信号，记为v2，v2≠v1。
41.进一步的，升降机构包括导轨、滑块和传动部件。超声波发射模块、超声波接收模块分别安装在船闸两侧的滑块上，滑块和导轨适配，同时，传动部件连接滑块，电机模块连接传动部件；在电机模块的驱动下，传动部件带动滑块沿导轨上下移动，实现超声波发射模块和声波接收模块的升降控制。可选的，传动部件采用滚珠丝杠。
42.电机模块，与船闸两侧的升降机构对应装配，用于驱动升降机构上升/下降。具体的，电机模块包括带编码器的步进电机以及步进电机驱动模块。控制器的第一信号输出端连接步进电机驱动模块的第一信号输入端，编码器的信号输出端连接步进电机驱动模块的第二信号输入端，步进电机驱动模块的信号输出端连接步进电机的信号输入端，步进电机的输出轴连接升降机构的传动部件。当传动部件采用滚珠丝杠时，步进电机的输出轴连接丝杠，由丝杠将旋转运动转化为直线运行，驱动滑块上下移动。
43.控制器，和超声波接收处理模块、超声波发射驱动模块以及电机模块电连接。具体的，超声波接收处理模块的信号输出端连接控制器的第一信号输入端，控制器的第一信号输出端连接电机模块，控制器的第二信号输出端连接超声波发射驱动模块。优选的，控制器采用plc控制系统。
44.工作原理：
45.超声波发射模块和超声波接收模块等高置于界线水深下方深度d处，d由此时的河面宽度以及所采用的单波束超声波的波束角确定。
46.当待测船舶的船头进入检测区域，吃水深度检测系统启动：超声波发射模块发出超声波信号；控制器发出同步驱动信号至船闸两侧的电机模块，驱动升降机构带动超声波发射模块和超声波接收模块同步下降。在下降过程中，由于船体水下部分的遮挡，超声波发射模块的超声波信号不能直接传送到超声波接收模块，超声波接收处理模块输出遮挡状态
信号v2。
47.通过电机模块和升降机构控制超声波发射模块和超声波接收模块继续下降，直至超声波发射模块和超声波接收模块完全处于船底下方，此时两者相互之间没有遮挡，超声波接收模块能够完全接收到超声波发射模块的超声波，超声波接收处理模块的输出信号将从v2恢复为v1，即超声波接收处理模块输出至控制器的信号发生改变，控制器控制电机停止转动，升降机构的下降动作停止。此时，超声波发射模块和超声波接收模块的连线即为待测船舶的船底，吃水深度根据超声波发射模块和超声波接收模块的行程确定。
48.当采用滚珠丝杠实现传动时，可通过步进电机的驱动脉冲数和升降机构的导轨螺距换算出超声波发射模块、超声波接收模块的移动距离，进而测得待测船舶当前位置的吃水深度值。
49.进一步的，系统还包括激光水幕，用于探测船体是否进入探测区间，进而触发系统工作。激光水幕固定安装在船闸两侧的水面上方，能够形成一光幕探测区域；激光光幕和控制器电连接，当待测船舶的船头进入光幕探测区域遮挡光幕光路时，激光光幕发送触发信号至控制器，触发系统工作。
50.具体的，激光光幕包括发射阵列和接收阵列，发射阵列和接收阵列对置于船闸两侧，接收阵列的信号输出端连接控制器的第二信号输入端，当船舶进入光幕探测区域后遮挡光幕，接收阵列感受到光强变化，产生触发信号发送给控制器，当控制器接收到该触发信号，控制器控制电机模块和超声波发射驱动模块开始工作：超声波发射模块发出超声波信号；控制器发出同步驱动信号至船闸两侧的电机模块，电机模块控制两侧升降机构升降，使得升降机构上的超声波发射模块和超声波接收模块同步下降，同时，控制器实时接收超声波接收处理模块输出的信号。
51.当船舶驶出光幕探测区域，激光光幕的触发信号消失，控制器驱动升降机构控制超声波发射模块和超声波接收模块上升，恢复至初始待命状态。
52.可见，该激光水幕和控制器配合，通过判断船舶是否占位光幕探测区域，能够自动触发和自动关闭系统的工作，并通过控制器使系统复位，提高了系统的自动化程度。
53.现有技术中，由于超声波发射束角的存在，当船体位置在超声传播方向上变化时，将影响吃水深度的检测结果，如图2所示为超声波波束角对吃水深度检测的影响示意图。本实用新型将超声波发送模块和接收模块布置在河道两侧并与升降机构配合使用，实现同步升降，可克服船舶吃水深度检测过程中超声波束角对测量结果的影响，初始超声波发送模块发送的信号可探测到船底，但接收模块接收不到信号，只有到超声波发送接收模块之间完全不存在遮挡以后，接收模块才能接收到信号，这种情况下无论船体水平位置如何，都不影响超声波接收模块的测量结果。
54.此外，考虑到在船舶从驶入—驶出光幕探测区域的前进过程中，船底并非直线状态，因此在这个过程中可进行持续监测，即完成一次吃水深度检测后，升降机构复位，并再次下降进行检测，记录每次的吃水深度，直到光幕探测器触发信号消失。结合航速和延时参数，绘制各测量点的吃水深度曲线图，分析本艘船的最大吃水深度。
55.需要说明的是，本实用新型请求保护船舶吃水系统的机械、电气结构，具体实施方式中所涉及的信号处理方法仅用于解释本实用新型的工作原理，其为独立于本实用新型的计算机程序产品，但能够被本实用新型的控制器所执行。