一种水上船舶探测装置及其探测方法与流程

本发明涉及船舶探测技术领域，具体涉及一种水上船舶探测装置及其探测方法。

背景技术：

现有的船舶探测方法，主要包括视频监控、主动声学探测、被动声学探测、ais自动识别系统和合成孔径雷达遥感探测。

视频监控是利用摄像机对所监测区域进行拍摄，并通过人工监视或机器视觉等方法确定是否存在船舶。主动声学探测是利用声波发生装置向外发射声波，并对反射回来的声波进行接收，从而确定是否存在船舶；被动声学探测是利用声学接收装置，对目标船只所发出的声波进行接收，从而确定是否存在船舶。ais自动识别系统是在船舶上安装自动追踪系统，通过邻近船舶、ais岸台、卫星等设备交换位置信息，从而确定是否存在船舶。合成孔径雷达遥感探测是利用遥感技术对船只航行时所产生的船行波进行识别，通过视觉识别方法确定船舶位置及路径。

以上方法均存在一些不足，视频监控对照明及天气条件要求较高；主动声学探测需要向探测区域连续发射声波，一定频率范围内的声波会对水中生物造成伤害；被动声学探测受环境噪声影响较大，且信号处理较为复杂，探测准确率较低；ais自动识别系统需要在船只上主动安装通讯设备，并不适用于探测用途；合成孔径雷达遥感探测成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种水上船舶探测装置及其探测方法。

本发明一种水上船舶探测装置，包括上位机和n个压力探测装置，n≤32，所述的压力探测装置包括压力传感器、输入水密插头、端盖、电池、输出水密插头、圆筒、信息整合电路和密封圈。所述的圆筒的开放端与端盖固定，封闭端固定有输出水密插头。圆筒与端盖之间垫有密封圈。圆筒的内壁上固定有电池和信息整合电路。所述的端盖上固定有压力传感器和输入水密插头。

n个压力探测装置依次排列相连；上一级压力探测装置的输出水密插头和下一级压力探测装置的输入水密插头通过水密缆相连。首端压力探测装置的输入水密插头悬空。末端压力探测装置的输出水密插头与上位机相连。

所述的信息整合电路包括稳压模块、控制模块、数模转换采集模块、数据发送模块和数据接收模块。所述的电池经稳压模块为控制模块、数模转换采集模块、数据发送模块及数据接收模块供电。所述的数模转换采集模块通过a/d转换器芯片将压力传感器检测到的模拟信号转化为数字信号发送给控制模块。所述的数据接收模块通过第二接口芯片接收上一级压力探测装置发送来数字信号并传输给控制模块。所述的控制模块通过单片机整合数据接收模块及数模转换采集模块发送来的数字信号并发送给数据发送模块。所述的数据发送模块通过第一接口芯片将控制模块发送来的数字信号发送给下一级压力探测装置。

所述的稳压模块包括第一电容c1和第十一电容c11。所述第一电容c1及第十一电容c11的一端接电池的正极输出端，另一端接地。

所述的控制模块包括单片机。所述单片机的型号为stm32f103c8t6。单片机的4引脚接第七电容c7及第九电阻r9的一端。第七电容c7的另一端接地；第九电阻r9的另一端接单片机的9引脚、电池3的正极输出端及第八电容c8的一端；第八电容c8的另一端接地。单片机的8引脚接第三电容c3及第九电容c9的一端，7引脚与第三电容c3及第九电容c9的另一端相连并接地。单片机的15引脚即控制模块的串行外设接口时钟输出端，17引脚即控制模块的串行外设接口信号输入端，2引脚即控制模块的第一串口输出端，3引脚即控制模块的第一串口输入端，19引脚即控制模块的第二串口输出端，20引脚即控制模块的第二串口输入端，5引脚即控制模块的第一信号端，6引脚即控制模块的第二信号端。

所述的数模转换采集模块包括a/d转换器芯片。所述a/d转换器芯片的型号为hx711。a/d转换器芯片的1引脚及16引脚均接电池的正极输出端、第四电容c4的一端及三极管q1的发射极。第四电容c4的另一端接地。a/d转换器芯片的2引脚接三极管q1的基极，3引脚接第四电阻r4、第五电容c5的一端、三极管q1的集电极及压力传感器的第一供电引脚；压力传感器的第二供电引脚接地。第四电阻r4的另一端接第三电阻r3的一端及a/d转换器芯片的4引脚。第五电容c5的另一端接第三电阻r3的另一端、第六电容c6的一端及a/d转换器芯片的5引脚。第六电容c6的另一端接a/d转换器芯片的6引脚。a/d转换器芯片的7引脚接第二电容c2的一端及压力传感器的第一数据引脚，8引脚接第二电容c2的另一端及第一电阻r1的一端。第一电阻r1的另一端接压力传感器的第二数据引脚。a/d转换器芯片的9引脚接第十电容c10的一端，a/d转换器芯片的10引脚接第十电容c10的另一端及第二电阻r2的一端；第二电阻r2的另一端悬空。a/d转换器芯片的14引脚及15引脚均接地，11引脚接控制模块的串行外设接口时钟输出端，12引脚接控制模块的串行外设接口信号输入端，其余引脚悬空。

所述的数据发送模块包括第一接口芯片。所述第一接口芯片的型号为max485，第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7及第八电阻r8的一端均接电池的正极输出端，另一端与第一接口芯片的1引脚、2引脚、3引脚及4引脚分别连接。第一接口芯片的1引脚接控制模块的第二串口输入端，2引脚与3引脚相连并接控制模块的第二信号端，4引脚接控制模块的第二串口输出端，5引脚接地，6引脚接第十九电阻r19及第十一电阻r11的一端，7引脚接第十电阻r10的一端及第十一电阻r11的另一端，8引脚及第十九电阻r19的另一端均接电池的正极输出端；第十电阻r10的另一端接地。第一接口芯片的6引脚、7引脚与输出水密插头的两个接线端分别相连。

所述的数据接收模块包括第二接口芯片。所述第二接口芯片的型号为max485，第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14及第十五电阻r15的一端均接电池的正极输出端，另一端与第二接口芯片的1引脚、2引脚、3引脚及4引脚分别连接。第二接口芯片的1引脚接控制模块的第一串口输入端，2引脚与3引脚相连并接控制模块的第一信号端，4引脚接控制模块的第一串口输出端，5引脚接地，6引脚接第十七电阻r17及第十八电阻r18的一端，7引脚接第十六电阻r16的一端及第十八电阻r18的另一端，8引脚及第十七电阻r17的另一端均接电池的正极输出端；第十六电阻r16的另一端接地。第二接口芯片的6引脚、7引脚与输入水密插头的两个接线端分别相连。

n个压力探测装置的第一种排布方案：

n个压力探测装置沿海岸线布置，相邻两个压力探测装置的距离为0～400m。n个压力探测装置与平静时水面的距离均为e，10m≤e≤50m。

n个压力探测装置的第二种排布方案：

n个压力探测装置中相邻三个组成一个探测单元，得到s个探测单元，n为三的倍数。同一探测单元内三个压力探测装置的连线构成一个直角三角形，直角顶点上的压力探测装置为中部压力探测装置，另两个压力探测装置分别为前部压力探测装置和后部压力探测装置。前部压力探测装置与中部压力探测装置的距离为h，5m≤h≤15m；后部压力探测装置与中部压力探测装置的距离为w，5m≤w≤15m。

s个探测单元沿海岸线布置，相邻两个探测单元的距离为0～400m。n个压力探测装置与平静时水面的距离均为e。

该水上船舶探测装置的探测方法如下：

第一种排布方案的探测方法如下：

将n个压力探测装置编号。第i个压力探测装置将自身以及前i-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给第i+1个压力探测装置。第n个压力探测装置将自身以及前n-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给上位机。

上位机接收到f串数据，若f＜n，则上位机报警，提示工作人员第n-f个压力探测装置与第n-f+1个压力探测装置之间的通讯发生故障。若f＝n，上位机根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数据分别转换为n个表面波高数据并记录。

若上位机连续m次接收到n串数据，则对n个压力探测装置所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,3…n-1，k＝j+1,j+2,j+3…n，l＝1,2,3…m-1：

其中，xj(r)为第j个压力探测装置检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为第k个压力探测装置检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到了同一个水波信号，且第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到同一个水波信号的时间差为zjk，zjk＝△t×l1，△t为压力传感器的采样周期，l1为使得ρjk(l)达到最大的l的值。

当第i个压力探测装置检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为第i个压力探测装置检测到一个有效水波信号。等待5min，若在这5min内，第i-1个压力探测装置或第i+1个压力探测装置检测到同一个有效水波信号；则再等待10min，若在这10min内，第i-1个压力探测装置与第i+1个压力探测装置中的另一个检测到同一个有效水波信号；认定有船舶进入或经过。

第二种排布方案的探测方法如下：

将n个压力探测装置编号。第i个压力探测装置将自身以及前i-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给第i+1个压力探测装置。第n个压力探测装置将自身以及前n-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给上位机。

上位机接收到f串数据，若f＜n，则上位机报警，提示工作人员第n-f个压力探测装置与第n-f+1个压力探测装置之间的通讯发生故障。若f＝n，上位机根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数据分别转换为n个表面波高数据并记录。

若上位机连续m次接收到n串数据，则求n个压力探测装置所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,3…n-1，k＝j+1,j+2,j+3…n，l＝1,2,3…m-1：

其中，xj(r)为第j个压力探测装置检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为第k个压力探测装置检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到了同一个水波信号，且第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到同一个水波信号的时间差为zjk，zjk＝△t×l1，△t为压力传感器的采样周期，l1为使得ρjk(l)达到最大的l的值。

当第i个压力探测装置检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为第i个压力探测装置检测到一个有效水波信号。若第i-1个压力探测装置、第i个压力探测装置及第i+1个压力探测装置检测到了同一个有效水波信号，且第i-1个压力探测装置、第i个压力探测装置及第i+1个压力探测装置在同一个探测单元内，则认为有船舶进入或经过，且船舶行进方向与该探测单元内后部压力探测装置、中部压力探测装置连线的夹角为θ，船舶行进速度为v。

其中，α为19°28′。

其中，γ＝90+θ-α。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明利用低成本的压力传感器检测船行波压力数据，进而实现对目标船舶的探测。

2、由于每个单元采用独立电池组供电，使得本发明可在水下实现长时间工作。

3、相对于其他放置在水面上的探测装置，本发明工作于水底，具有更好的隐蔽性和安全性，不易被发现及损坏。

4、本发明可根据所要探测水域面积大小，通过串联方式连接多个压力探测阵列，以实现大范围水域船舶探测。

5、本发明能够获得进入船舶的行进方向和行进速度。

附图说明

图1是本发明中压力探测装置的结构示意图；

图2是本发明中信息整合电路的系统框图；

图3是本发明中稳压模块的电路图；

图4是本发明中控制模块的电路图；

图5是本发明中数模转换采集模块的电路图；

图6是本发明中数据发送模块的电路图；

图7是本发明中数据接收模块的电路图；

图8是本发明实施例1的压力探测装置排布图；

图9是本发明实施例2的压力探测装置排布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水上船舶探测装置，包括上位机和n个压力探测装置，n≤32，压力探测装置包括压力传感器u5、输入水密插头1、端盖2、电池3、输出水密插头4、圆筒5、信息整合电路6和密封圈7。圆筒5内设有容腔，容腔一端开放，一端封闭；圆筒5的开放端与端盖2固定，封闭端固定有输出水密插头4。圆筒5与端盖2之间垫有密封圈7。圆筒5的内壁上固定有电池3和信息整合电路6。端盖2上固定有压力传感器u5和输入水密插头1。

n个压力探测装置依次排列相连；上一级压力探测装置的输出水密插头和下一级压力探测装置的输入水密插头通过水密缆相连。首端压力探测装置的输入水密插头悬空。末端压力探测装置的输出水密插头与上位机相连。

如图2所示，信息整合电路6包括稳压模块6-1、控制模块6-2、数模转换采集模块6-3、数据发送模块6-4和数据接收模块6-5。电池3经稳压模块6-1为控制模块6-2、数模转换采集模块6-3、数据发送模块6-4及数据接收模块6-5供电。数模转换采集模块6-3通过a/d转换器芯片将压力传感器检测到的模拟信号转化为数字信号发送给控制模块6-2。数据接收模块6-5通过第二接口芯片接收上一级压力探测装置发送来的数字信号并发送给控制模块6-2。控制模块6-2通过单片机整合数据接收模块6-5及数模转换采集模块6-3发送来的数字信号并发送给数据发送模块6-4。数据发送模块6-4通过第一接口芯片将控制模块6-2发送来的数字信号发送给下一级压力探测装置。

如图3所示，稳压模块6-1包括第一电容c1和第十一电容c11。第一电容c1及第十一电容c11的一端接电池的正极输出端，另一端接电池的负极输出端即接地。

如图4所示，控制模块6-2包括单片机u1。单片机u1的型号为stm32f103c8t6。单片机u1的4引脚接第七电容c7及第九电阻r9的一端。第七电容c7的另一端接地；第九电阻r9的另一端接单片机u1的9引脚、电池3的正极输出端及第八电容c8的一端；第八电容c8的另一端接地。单片机u1的8引脚接第三电容c3及第九电容c9的一端，7引脚与第三电容c3及第九电容c9的另一端相连并接地。单片机u1的15引脚即控制模块的串行外设接口时钟输出端spisck，17引脚即控制模块的串行外设接口信号输入端spimiso，2引脚即控制模块的第一串口输出端txd1，3引脚即控制模块的第一串口输入端rxd1，19引脚即控制模块的第二串口输出端txd2，20引脚即控制模块的第二串口输入端rxd2，5引脚即控制模块的第一信号端dir1，6引脚即控制模块的第二信号端dir2。

如图5所示，数模转换采集模块6-3包括a/d转换器芯片u2。a/d转换器芯片u2的型号为hx711。a/d转换器芯片u2的1引脚及16引脚均接电池的正极输出端、第四电容c4的一端及三极管q1的发射极。第四电容c4的另一端接地。a/d转换器芯片u2的2引脚接三极管q1的基极，3引脚接第四电阻r4、第五电容c5的一端、三极管q1的集电极及压力传感器u5的第一供电引脚；压力传感器u5的第二供电引脚接地。第四电阻r4的另一端接第三电阻r3的一端及a/d转换器芯片u2的4引脚。第五电容c5的另一端接第三电阻r3的另一端、第六电容c6的一端及a/d转换器芯片u2的5引脚。第六电容c6的另一端接a/d转换器芯片u2的6引脚。a/d转换器芯片u2的7引脚接第二电容c2的一端及压力传感器u5的第一数据引脚，8引脚接第二电容c2的另一端及第一电阻r1的一端。第一电阻r1的另一端接压力传感器u5的第二数据引脚。a/d转换器芯片u2的9引脚接第十电容c10的一端，a/d转换器芯片u2的10引脚接第十电容c10的另一端及第二电阻r2的一端；第二电阻r2的另一端悬空。a/d转换器芯片u2的14引脚及15引脚均接地，11引脚接控制模块的串行外设接口时钟输出端spisck，12引脚接控制模块的串行外设接口信号输入端spimiso，其余引脚悬空。压力探测装置的采样频率为10hz。

如图6所示，数据发送模块6-4包括第一接口芯片u3。第一接口芯片u3的型号为max485，第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7及第八电阻r8的一端均接电池的正极输出端，另一端与第一接口芯片u3的1引脚、2引脚、3引脚及4引脚分别连接。第一接口芯片u3的1引脚接控制模块的第二串口输入端rxd2，2引脚与3引脚相连并接控制模块的第二信号端dir2，4引脚接控制模块的第二串口输出端txd2，5引脚接地，6引脚接第十九电阻r19及第十一电阻r11的一端，7引脚接第十电阻r10的一端及第十一电阻r11的另一端，8引脚及第十九电阻r19的另一端均接电池的正极输出端；第十电阻r10的另一端接地。第一接口芯片u3的6引脚、7引脚与输出水密插头的两个接线端分别相连。

如图7所示，数据接收模块6-5包括第二接口芯片u4。第二接口芯片u4的型号为max485，第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14及第十五电阻r15的一端均接电池的正极输出端，另一端与第二接口芯片u4的1引脚、2引脚、3引脚及4引脚分别连接。第二接口芯片u4的1引脚接控制模块的第一串口输入端rxd1，2引脚与3引脚相连并接控制模块的第一信号端dir1，4引脚接控制模块的第一串口输出端txd1，5引脚接地，6引脚接第十七电阻r17及第十八电阻r18的一端，7引脚接第十六电阻r16的一端及第十八电阻r18的另一端，8引脚及第十七电阻r17的另一端均接电池的正极输出端；第十六电阻r16的另一端接地。第二接口芯片u4的6引脚、7引脚与输入水密插头的两个接线端分别相连。

n个压力探测装置采用如下两种排布形式中的一种：

实施例1：

如图8所示，n个压力探测装置沿海岸线布置，相邻两个压力探测装置的距离为0～400m。n个压力探测装置与平静时水面的距离均为e，10m≤e≤50m。

实施例2：

如图9所示，n个压力探测装置中相邻三个组成一个探测单元，得到s个探测单元，n为三的倍数。同一探测单元内三个压力探测装置的连线构成一个直角三角形，直角顶点上的压力探测装置为中部压力探测装置，另两个压力探测装置分别为前部压力探测装置和后部压力探测装置。前部压力探测装置与中部压力探测装置的距离为h，5m≤h≤15m；后部压力探测装置与中部压力探测装置的距离为w，5m≤w≤15m。

s个探测单元沿海岸线布置，相邻两个探测单元的距离为0～400m。n个压力探测装置与平静时水面的距离均为e。

该水上船舶探测装置的探测方法如下：

实施例1的探测方法如下：

将n个压力探测装置按排列顺序编号。第i个压力探测装置将自身以及前i-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给第i+1个压力探测装置。第n个压力探测装置将自身以及前n-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给上位机。

上位机接收到f串数据，若f＜n，则上位机报警，提示工作人员第n-f个压力探测装置与第n-f+1个压力探测装置之间的通讯发生故障。若f＝n，上位机根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数据分别转换为n个表面波高数据并记录。

若上位机连续m次接收到n串数据，则求n个压力探测装置所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,3…n-1，k＝j+1,j+2,j+3…n，l＝1,2,3…m-1：

其中，xj(r)为第j个压力探测装置检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为第k个压力探测装置检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到了同一个水波信号，且第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到同一个水波信号的时间差为zjk，zjk＝△t×l1，△t为压力传感器的采样周期，l1为使得ρjk(l)达到最大的l的值。

当第i个压力探测装置检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为第i个压力探测装置检测到一个有效水波信号。等待5min，若在这5min内，第i-1个压力探测装置或第i+1个压力探测装置检测到同一个有效水波信号；则再等待10min，若在这10min内，第i-1个压力探测装置与第i+1个压力探测装置中的另一个检测到同一个有效水波信号；认定有船舶进入或经过。

实施例2的探测方法如下：

将n个压力探测装置按排列顺序编号。第i个压力探测装置将自身以及前i-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给第i+1个压力探测装置。第n个压力探测装置将自身以及前n-1个压力探测装置检测到的压力数字信号以“前导码+装置编号+压力数据+结尾”的格式依次发送给上位机。

上位机接收到f串数据，若f＜n，则上位机报警，提示工作人员第n-f个压力探测装置与第n-f+1个压力探测装置之间的通讯发生故障。若f＝n，上位机根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数据分别转换为n个表面波高数据并记录。

若上位机连续m次接收到n串数据，则对n个压力探测装置所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,3…n-1，k＝j+1,j+2,j+3…n，l＝1,2,3…m-1：

其中，xj(r)为第j个压力探测装置检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为第k个压力探测装置检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到了同一个水波信号，且第j个压力探测装置与第k个压力探测装置检测到同一个水波信号的时间差为zjk，zjk＝△t×l1，△t为压力传感器的采样周期，l1为使得ρjk(l)达到最大的l的值。

当第i个压力探测装置检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为第i个压力探测装置检测到一个有效水波信号。若第i-1个压力探测装置、第i个压力探测装置及第i+1个压力探测装置检测到了同一个有效水波信号，且第i-1个压力探测装置、第i个压力探测装置及第i+1个压力探测装置在同一个探测单元内，则认为有船舶进入或经过，且船舶行进方向与该探测单元内后部压力探测装置、中部压力探测装置连线的夹角为θ，船舶行进速度为v。

其中，α为船行波的kelvin夹角，为19°28′。

其中，γ＝90°+θ-α。