专利名称：基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶吃水深度测量技术，尤其涉及一种基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量装置及方法。
背景技术：
水运作为历史最悠久的运输方式，具有运量大、投资少、成本低等突出优点。近年来，随着国家西部大开发战略的不断推进，以及长江黄金水道及其支流诸多建设项目的大力实施，内河航运的优势不断显现，水运能力正呈现飞速发展的状态。为了保证内河航道的通畅无碍运行，须在某些船舶易搁浅河段对船舶吃水进行在线测量，最大限度的减少航道搁浅、碍航等事件发生，保证航道安全，并且为航道行政管理人员对“超吃水”船舶进行行政处罚提供依据。吃水深度测量最直接、简单的方法是通过检查船舶吃水标尺及载重线进行判断， 但是受利益的驱使，某些船主不惜重新标记吃水标尺及载重线，妄图蒙混过关，同时该方法也受船舶自身稳定性、结构变形等因素影响，所以目视观察船舶的吃水线是否超过相应允许载重线，并不具备准确性，只能作为船疑似超载的线索，而不能作为认定该船已经超载的证据，这就会为航道的通畅埋下巨大隐患，所以必须依赖更为精确的测量手段对船舶吃水深度进行在线监测。目前主要有两种切实可行的船舶吃水检测系统 1、侧壁声纳阵列固定测量系统
这种方法仅可适用于船闸或船闸引航道等航道条件较为简单的区域。该系统声纳阵列设置位置如图1所示，在船闸或船闸引航道两侧适当高度安装多个声纳装置信号发生器阵列和接收阵列。当船舶经过时，由于被船身阻挡，水面至船底高程范围内的多个接收器接收不到信号(如图ι中第a、b、C号声纳装置)，依据紧临船底下侧的能接收到信号的接收器(如图1中第d号声纳装置)的位置和水面的位置推算出船舶的实际吃水，判定其是否超吃水航行。这种方法的缺陷是为了保证准确检测船舶的底部边缘，就必须使声纳收、发装置布置得尽可能密，同时声纳部件布置过密，就会使相邻声纳部件产生串扰，影响检测精度。 所以该方法存在成本高，检测精度低的缺点。另外，由于声纳扩散程度与船舶距离成正比， 测量水域越宽，相邻声纳间越容易产生相互干扰，会大大降低测量精度，所以该方法仅可适用于船闸或船闸引航道等航道条件较为简单且测量距离较窄的区域，难以应用于实际的内河航道内。2、水底声纳阵列固定测量系统
该系统声纳阵列设置位置如图2所示，安装在水底垫高轨道上的多个声纳装置(同时具备收、发功能)同时将声纳信号向上垂直发射，当船舶经过时，与船身区域垂向重合的声纳装置(如图2中第d、e、f、g、h号声纳装置)发出的声信号经船身反射，声纳传播轨迹发生变化，并被声纳装置接收，利用测量装置可计算出船舶至声纳装置的距离H1，其余声信号未被船身反射的声纳装置的发射、接收轨迹不变，声纳信号传播至水面，经水面反射后，反射的信号再由声纳装置接收，利用测量装置可计算出水面至声纳装置的距离H2，由于船舶驶过时，水面的波动很大，所以距离H2需取多个声纳测量装置同时、单次测量的平均值，才能有效的减少波浪对H2的影响(即使这样处理后误差也很大)，最后H2与Hl之差即为船舶的吃水深度H0。这种方法的缺陷是需要保证声纳装置发射出的声信号与水平面垂直，装置设置难度大，其测量精度受船体倾斜、河床淤沙等情况影响，在天然河道中，特别是在“超吃水” 频发区域，更是泥沙淤积严重的河段，将声纳组件安装在泥沙淤积严重的水域，很难保证测量的准确性，同时在长江上游，水底阵列测量法还会面临卵石冲击的危险，很难保证长时间的稳定、可靠测量，而且该方法也难以应用于实际的内河航道内。
发明内容
针对背景技术中的问题，为了解决现有的吃水深度测量装置需要高密度布置、易受泥沙卵石淤埋、自身信号相互干扰大以及测量精度低的问题，本发明提出了一种基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量装置它由两根导轨、声纳接收装置、声纳发射装置、 两个传动装置、控制装置和水面线测量装置组成；两根导轨相对设置，声纳接收装置和声纳发射装置各与一传动装置连接，传动装置与导轨一一对应地滑动连接；声纳接收装置、声纳发射装置、两个传动装置、水面线测量装置都与控制装置电气连接；声纳接收装置和声纳发射装置始终处于同一水平面。本发明还提出了一种基于前述测量装置的测量方法，其步骤为1)两个传动装置驱动声纳接收装置和声纳发射装置在导轨上同步运动，且声纳接收装置和声纳发射装置始终处于同一水平面；
2)声纳接收装置的接收方向和声纳发射装置的发射方向同轴，声纳发射装置持续发射信号，当声纳接收装置接收到的信号发生跳变时，此时的声纳发射装置或声纳接收装置的位置即为船底位置；
3)根据声纳发射装置或声纳接收装置与导轨的相对位置计算出船底位置相对于导轨的高度数值A ；同时读取水面线测量装置的水面位置读数，并计算出水面位置读数相对于导轨的高度数值B;
4)计算高度数值A与高度数值B的差值，即可得到船舶吃水深度。步骤2)中所述的当声纳接收装置接收到的信号发生跳变，包括声纳接收装置和声纳发射装置同步向下运动时，声纳接收装置的接收信号从无信号向有信号跳变；声纳接收装置和声纳发射装置同步向上运动时，声纳接收装置的接收信号从有信号向无信号跳变。本发明的有益技术效果是通过单套声纳发射、接收装置扫描检测，避免了高密度设置声纳阵列，降低了设备成本，同时大大降低对声纳信号束射特性的要求，不存在信号相互干扰的问题，消除了声纳发散角对检测精度的影响，能够最大限度的提高检测精度。
图1、现有的侧壁声纳阵列固定测量系统声纳布置位置示意图；图2、现有的水底声纳阵列固定测量系统声纳布置位置示意图； 图3、本发明的测量装置系统结构示意图一； 图4、本发明的测量装置系统结构示意图二。
具体实施例方式本发明的方案为它由两根导轨1、声纳接收装置2、声纳发射装置3、两个传动装置4、控制装置和水面线测量装置组成；两根导轨1相对设置，声纳接收装置2和声纳发射装置3各与一传动装置4连接，传动装置4与导轨1 一一对应地滑动连接；声纳接收装置2、 声纳发射装置3、两个传动装置4、水面线测量装置都与控制装置电气连接；声纳接收装置2 和声纳发射装置3始终处于同一水平面。测量时，控制装置控制传动装置4，使声纳接收装置2和声纳发射装置3同向同步运动，并且使声纳接收装置2和声纳发射装置3始终保持在同一水平面，声纳发射装置3发射声纳信号，如果有船舶经过，声纳发射装置3在水面至船底的高程范围内运动时(如图3 所示)，声纳信号因被船身阻挡，无法被声纳接收装置2接收到，声纳接收装置2无信号输入，当声纳发射装置3刚好运动至船底以下位置时(如图4所示)，声纳信号因无阻挡而被声纳接收装置2接收，声纳接收装置2的输入信号发生跳变(当声纳接收装置2和声纳发射装置3从下往上运动时，声纳接收装置2的信号从有信号向无信号跳变)，此时根据声纳接收装置2或声纳发射装置3的位置即可获知船底与导轨1的相对位置，再根据水面线测量装置所测量到的水面位置与导轨1的相对位置，通过简单的计算即可得到船舶吃水深度数据。本发明与现有技术最大的不同是，现有技术采用阵列式固定位置测量方式，本发明采用单体式移动扫描测量方式，移动式扫描的好处有如下几点1、降低了装置成本，无需大量、高密度布置声纳装置；2、相对于安装在水底的阵列，简化了安装；3、由于声纳装置经常处于移动状态，避免了声纳装置被泥沙淤埋，可适用于泥沙淤积严重的河段；4、声纳装置的接收和发射器件均为单体式，避免了阵列式的多个声纳装置之间的信号干扰，避免了现有的阵列式装置需要声纳发生装置具备高束射特性的问题，可适用于大跨距的河段；5、声纳装置的位置可控性强，能对同一位置或同一区段进行反复扫描。在前述的系统结构基础上，两根导轨1可垂向设置，能够进一步缩短声纳接收装置2和声纳发射装置3扫描时的运动距离，提高扫描效率。本发明系统的控制方法为1)两个传动装置4驱动声纳接收装置2和声纳发射装置3在导轨1上同步运动，且声纳接收装置2和声纳发射装置3始终处于同一水平面；
2)声纳接收装置2的接收方向和声纳发射装置3的发射方向同轴，声纳发射装置3持续发射信号，当声纳接收装置2接收到的信号发生跳变时，此时的声纳发射装置3或声纳接收装置2的位置即为船底位置；
3)根据声纳发射装置3或声纳接收装置2与导轨1的相对位置计算出船底位置相对于导轨1的高度数值A ；同时读取水面线测量装置的水面位置读数，并计算出水面位置读数相对于导轨1的高度数值B;
4)计算高度数值A与高度数值B的差值，即可得到船舶吃水深度。步骤2)中所述的当声纳接收装置2接收到的信号发生跳变，主要有两种情形声
5纳接收装置2和声纳发射装置3同步向下运动时，声纳接收装置2的接收信号从无信号向有信号跳变；声纳接收装置2和声纳发射装置3同步向上运动时，声纳接收装置2的接收信号从有信号向无信号跳变。
权利要求
1.一种基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量装置，其特征在于它由两根导轨 (1)、声纳接收装置(2)、声纳发射装置(3)、两个传动装置(4)、控制装置和水面线测量装置组成；两根导轨(1)相对设置，声纳接收装置(2)和声纳发射装置(3)各与一传动装置(4) 连接，传动装置(4)与导轨(1)一一对应地滑动连接；声纳接收装置(2)、声纳发射装置(3)、 两个传动装置(4)、水面线测量装置都与控制装置电气连接；声纳接收装置(2)和声纳发射装置(3)始终处于同一水平面。
2.一种基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量方法，其特征在于步骤为1)两个传动装置(4)驱动声纳接收装置(2)和声纳发射装置(3)在导轨(1)上同步运动，且声纳接收装置(2)和声纳发射装置(3)始终处于同一水平面；2)声纳接收装置(2)的接收方向和声纳发射装置(3)的发射方向同轴，声纳发射装置 (3)持续发射信号，当声纳接收装置(2)接收到的信号发生跳变时，此时的声纳发射装置 (3)或声纳接收装置(2)的位置即为船底位置；3)根据声纳发射装置(3)或声纳接收装置(2)与导轨(1)的相对位置计算出船底位置相对于导轨(1)的高度数值A ；同时读取水面线测量装置的水面位置读数，并计算出水面位置读数相对于导轨(1)的高度数值B ；4)计算高度数值A与高度数值B的差值，即可得到船舶吃水深度。
3.根据权利要求2所述的基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量方法，其特征在于步骤2)中所述的当声纳接收装置(2)接收到的信号发生跳变，包括声纳接收装置(2) 和声纳发射装置(3)同步向下运动时，声纳接收装置(2)的接收信号从无信号向有信号跳变；声纳接收装置(2)和声纳发射装置(3)同步向上运动时，声纳接收装置(2)的接收信号从有信号向无信号跳变。
全文摘要
本发明公开了一种基于声纳同步扫描的内河船舶吃水深度测量装置，该装置采用同步运动的声纳接收装置和声纳发射装置对船舶吃水深度进行在线测量；本发明还公开了基于前述装置的测量方法。本发明的有益技术效果是通过单套声纳发射、接收装置扫描检测，避免了高密度设置声纳阵列，降低了设备成本，同时大大降低对声纳信号束射特性的要求，不存在信号相互干扰的问题，消除了声纳发散角对检测精度的影响，能够最大限度的提高检测精度。
文档编号G01S15/08GK102353956SQ201110185989
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者丁甡奇, 余葵, 吴俊 , 李晓飚 申请人:重庆交通大学