一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及阵列信号处理领域，特别设及一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检 测方法。
【背景技术】
[0002] 在内河航道中，有些船舶为了经济利益，使得船舶的实际吃水深度超过航道维护 水深，而不采取减载措施，此行为称为船舶"超吃水"。运些"超吃水"船舶冒险通过一些浅 险航段时，给船员、航道和巧体建筑安全带来较大威胁，引起纠纷事件，影响正常通航调度 工作的开展，危害极其严重。
[0003] 声纳技术是目前最有效的水下探测技术，现阶段国内外运用声纳技术检测船舶吃 水深度的常用方法有：侧壁固定法、水底固定法、双测深仪检测法、换能器阵检测法和侧扫 声纳图像处理检测法。但是上述方法存在一定的不足，如侧壁固定法要求信号发射器和接 收器具有较高的灵敏度，在水中安装时要求精度高，且安装难度大；水底固定法中由于声纳 安装在河床底部，泥沙渺积对其具有一定的影响；双测深仪检测法中当船舶距离信号发射 器较近时，测量误差较大等。所W，上述五种方法在实际应用中具有一定的局限性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服已有的船舶吃水深度检测方法在实际应用中所存在的局 限性，从而提供了一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法。 阳〇化]为了实现上述目的，本发明提供了一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方 法，所述平行多波束声纳在河岸两侧分别安装有一套；该方法包括：
[0006] 步骤1)、根据所述平行多波束声纳的探测距离与测量精度，为所述平行多波束声 纳设定参数，所述参数包括波束宽度、基阵的孔径长度；
[0007] 步骤2)、由步骤1)所设定的参数确定声纳系统中基阵的长度W及基阵中阵元的 分布；
[000引步骤如、声纳系统向所经船舶发射波束；
[0009] 步骤4)、在声纳系统中选择不同的阵元，形成多个平行波束，反射信号被平行多波 束所接收；
[0010] 步骤5)、根据波束接收反射信号的强度，测量出船底所对应的平行波束的中屯、位 置，进而计算出船舶的吃水深度。
[0011] 上述技术方案中，所述波束宽度的计算公式为：
[0012] R=BW*X;
[0013] 其中，BW为波束宽度，单位为弧度；R为垂直线分辨率，X为船舶的最大探测距离；
[0014] 基阵的孔径长度的计算公式为：
[0015]
[0016] 其中，終为半波束宽度，λ为波长，Μ为阵元个数，d为相邻阵元间距，妍为波束 偏置角，％ = 0%基阵的孔径长度为阵元个数Μ与相邻阵元间距d的乘积。
[0017] 上述技术方案中，所述步骤5)包括：
[0018] 若第1，2,…，η个平行波束均能接收到较强的回波信号，而第n+1个平行波束接收 的回波信号强度远远小于前η个平行波束的回波强度，则认为第n+1个波束达到了船舶的 底部；由第n+1个波束的中屯、位置距离基阵顶端的距离Zw得到船底距离声纳基阵顶端的 高度h，结合声纳基阵的顶端距离水面的高度H，计算出船舶的吃水深度H+h。
[0019] 本发明的优点在于：
[0020] 1、本发明的方法能够实时测量出船舶的吃水深度，适合于对各种船型的测量；
[0021] 2、本发明的方法安装简单方便，成本较低，且易于修理维护。
【附图说明】
[0022] 图1是声纳系统的安装示意图；
[0023] 图2 (a)为选择第1-10号阵元所形成的平行接收波束示意图；
[0024] 图2(b)为选择第2-11号阵元所形成的平行接收波束示意图。
【具体实施方式】
[00巧]现结合附图对本发明作进一步的描述。
[00%] 本发明的基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法通过安装在船闽附近的河岸 上的声纳装置系统向所经船舶发射波束，声信号经船舶的平行反射，被声纳系统装置采用 平行多波束接收，根据波束接收反射信号的强度，测量出船底所对应的波束的中屯、位置，进 而计算出船舶的吃水深度。
[0027] 图1为声纳系统的安装示意图，如图所示，在靠近船闽的河岸两侧分别安装一套 声纳系统，每一套声纳系统中的声纳基阵的顶端距离水面的高度记为H，该高度值可根据每 天的水位监测获取。
[002引将声纳系统安装后，本发明的方法包括W下步骤：
[0029] 步骤1)、根据声纳系统的探测距离与测量精度，为声纳系统设定参数。
[0030] 声纳系统中所要设定的参数包括：波束宽度、基阵的孔径长度；其中，所述波束宽 度的计算公式为：
[0031]
(1)
[0032] 其中，BW为波束宽度，单位为弧度，即角度分辨率；游为半波束宽度，λ为波长，Μ 为阵元个数，d为相邻阵元间距，骑为波束偏置角。
[0033] 在上述公式（1)中，波长λ为已知值，声纳系统采用平行多波束进行测量，因此波 束偏置角錢=0°，因此在该公式中波束宽度BW与相邻阵元间距t阵元个数Μ均为未知值。
[0034] 已知采用平行多波束测量时，波束偏置角为零，此时垂直线分辨率（即与水面垂 直方向上的分辨率）与波束宽度、船舶的最大探测距离之间的关系为：
[0035]R=BW*X似
[0036] 式中，R为垂直线分辨率，X为船舶的最大探测距离。
[0037] 在上述公式（2)中，垂直线分辨率R、船舶的最大探测距离X均为预设值，因此由该 公式可计算波束宽度BW。再结合公式（1)即可得到基阵的孔径长度Md。
[0038] 步骤2)、由步骤1)中所设定的参数确定声纳系统中基阵的长度及基阵中阵元的 分布；
[0039] 步骤如、声纳系统向所经船舶发射波束；
[0040] 步骤4)、在声纳系统中选择不同的阵元，形成多个平行波束，反射信号被平行多波 束所接收；
[0041] 步骤5)、根据波束接收反射信号的强度，测量出船底所对应的平行波束的中屯、位 置，进而计算出船舶的吃水深度。
[0042] 具体的说，若声纳系统中有N个平行接收波束，编号为1，2, 3,…，η,…，N;假设第 1，2,…，η个平行波束均能接收到较强的回波信号，而第η+1个平行波束接收的回波信号强 度远远小于前η个平行波束的回波强度，则认为第η+1个波束达到了船舶的底部（为了船 舶通行的安全考虑，测量的船舶吃水深度必须大于等于船舶的实际吃水深度）。若第η+1个 波束的中屯、位置距离基阵顶端的距离Zw，将该距离值Zw作为船底距离声纳基阵顶端的高 度h，结合声纳基阵的顶端距离水面的高度H，就可计算出船舶的吃水深度H+h。
[0043] 为了便于理解，下面结合一个具体的实施例对本发明的方法做进一步说明。
[0044] 在一个实施例中，预先设定的或已知的系统参数包括：系统的工作频率为 400曲Z，声速C= 1500m/s，最大船舶探测距离为30米，船舶吃水测量精度为0. 1米。
[0045] 由上述系统参数首先根据公式（2)计算得出波束宽度为：
[0046] BW= 0. 1/30 = 0. 0033 (rad)
[0047]接着根据公式（1)，计算出基阵的孔径长度为：
[0048]
[0049] 计算可得基阵的孔径长度至少为0. 9545米，可选用基阵长度为2. 4米、共24个阵 元的均匀线阵。相邻阵元间距为0. 1米，符合系统的需求。
[0050] 然后，选择不同的阵元，形成平行多波束，就接收波束来说，选择1-10,2-11，3-13 等产生N个平行波束，如图2所示，接收波束指向为0°，图2 (a)为选择第1-10号阵元所 形成的平行接收波束示意图，图2化）为选择第2-11号阵元所形成的平行接收波束示意图。 若第1-n个波束均能接收到较强的反射回波能量，而第η+1个波束接收的反射回波信号能 量很弱，则认为第η+1个波束照射到了船舶的底部，计算得到第η+1个波束的中屯、位置距离 基阵顶端为Zwi米，进而得出船底距离基阵顶端的距离为h米。根据监测水位的高度，计算 出基阵顶端距离水面的高度Η米，则可W得出船舶的吃水深度为（H+h)米。
[0051] 最后所应说明的是，W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法，所述平行多波束声纳在河岸两侧分 别安装有一套；该方法包括： 步骤1)、根据所述平行多波束声纳的探测距离与测量精度，为所述平行多波束声纳设 定参数，所述参数包括波束宽度、基阵的孔径长度； 步骤2)、由步骤1)所设定的参数确定声纳系统中基阵的长度以及基阵中阵元的分布； 步骤3)、声纳系统向所经船舶发射波束； 步骤4)、在声纳系统中选择不同的阵元，形成多个平行波束，反射信号被平行多波束所 接收； 步骤5)、根据波束接收反射信号的强度，测量出船底所对应的平行波束的中心位置，进 而计算出船舶的吃水深度。2. 根据权利要求1所述的基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法，其特征在于，所 述波束宽度的计算公式为： R=BW*X; 其中，BW为波束宽度，单位为弧度；R为垂直线分辨率，X为船舶的最大探测距离； 基阵的孔径长度的计算公式为：其中，炉λ为半波束宽度，λ为波长，Μ为阵元个数，d为相邻阵元间距，顿为波束偏置 角，1? = 0° .基阵的孔径长度为阵元个数Μ与相邻阵元间距d的乘积。 ，-3. 根据权利要求1所述的基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法，其特征在于，所 述步骤5)包括： 若第1，2,…，η个平行波束均能接收到较强的回波信号，而第n+1个平行波束接收的回 波信号强度远远小于前η个平行波束的回波强度，则认为第n+1个波束达到了船舶的底部； 由第n+1个波束的中心位置距离基阵顶端的距离Zn+1得到船底距离声纳基阵顶端的高度h， 结合声纳基阵的顶端距离水面的高度H，计算出船舶的吃水深度H+h。
【专利摘要】本发明涉及一种基于平行多波束声纳的船舶吃水检测方法，所述平行多波束声纳在河岸两侧分别安装有一套；该方法包括：根据所述平行多波束声纳的探测距离与测量精度，为所述平行多波束声纳设定参数，所述参数包括波束宽度、基阵的孔径长度；由所设定的参数确定声纳系统中基阵的长度以及基阵中阵元的分布；声纳系统向所经船舶发射波束；在声纳系统中选择不同的阵元，形成多个平行波束，反射信号被平行多波束所接收；根据波束接收反射信号的强度，测量出船底所对应的平行波束的中心位置，进而计算出船舶的吃水深度。
【IPC分类】B63B39/12
【公开号】CN105292396
【申请号】CN201510363477
【发明人】许枫, 闫路, 刘佳
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年6月26日