一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)及其檢測方法，所述的系統(tǒng)包括同步信號產(chǎn)生模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測距模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示報警模塊；超聲波發(fā)射模塊固定安裝在航道的一側(cè)；超聲波接收模塊安裝在航道與超聲波發(fā)射模塊相對的另一側(cè)；測距模塊的測距點與超聲波發(fā)射模塊的超聲波發(fā)出點位于同一豎直線上。本發(fā)明可以在船舶一側(cè)發(fā)出超聲波，另一側(cè)對超聲波進行接收，因此是一種側(cè)掃式的船舶吃水超限檢測系統(tǒng)。因為在航道兩側(cè)，所以易于安裝，不會影響船舶通航，使用范圍更加廣泛。本發(fā)明通過對超聲波接收器陣列接收的信號的延遲時間和強度來判定遮擋狀況，可以消除聲波多途效應對測量結(jié)果的影響，使得測量結(jié)果更加準確。
【專利說明】一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下超聲波探測技術、船舶吃水超限檢測技術，特別是一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
【背景技術】
[0002]隨著長江航運量不斷增大，航道中船舶數(shù)量和密度均大幅提高，船舶吃水超限對航運安全的威脅日益嚴重，尤其是在長江三峽的升船機內(nèi)，吃水超限的船舶極容易對升船艙和航道造成損害。目前船舶吃水超限檢測手段主要有以下幾種:
[0003]—、人工手動檢測；
[0004]二、基于圖像處理技術的船舶水尺讀數(shù)識別技術；
[0005]三、激光水位測量法；
[0006]四、超聲波陣列法。
[0007]上述方法中，方法一由于人的主觀性占比例太大，而且測量時間也較長，影響了航道的通航效率；方法二過分依賴船舶自身的水尺準確性，使用性受限；方法三由于激光在水中無法長距離傳輸，使用范圍有所局限；方法四安裝、檢修繁瑣，且影響通航效率。因此目前還沒有一種方法能快捷準確的測量船舶吃水超限的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種使用范圍廣、測量結(jié)果準確、易于安裝、維修方便的船舶吃水超限檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)，包括同步信號產(chǎn)生模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測距模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示報警模塊；
[0010]所述的同步信號產(chǎn)生模塊采用搭建硬件電路或者利用GPS同步時鐘的方式同時向超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和測距模塊發(fā)射同步信號，使這三個模塊同時開始工作；
[0011]所述的超聲波發(fā)射模塊包括同步信號接收裝置、超聲波發(fā)射器、角度測量器和支架；所述的同步信號接收裝置用來接收同步信號；超聲波發(fā)射器發(fā)出小角度的持續(xù)時間為At的超聲波脈沖；角度測量器測量出超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波中心線與吃水警戒線的角度偏移量β，用于最后測量結(jié)果的修正；支架用來將超聲波發(fā)射模塊固定安裝在航道的一側(cè)；超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波中心線與規(guī)定的船舶吃水警戒線重合或接近；
[0012]所述的超聲波接收模塊包括線性陣列式超聲波接收模塊或非線性陣列式超聲波接收模塊；所述的線性陣列式超聲波接收模塊包括同步信號接收裝置、線性超聲波接收器陣列、數(shù)據(jù)傳輸裝置和支架；同步信號接收裝置接收同步信號；超聲波接收器陣列接收未被障礙物阻擋傳播來的超聲波；數(shù)據(jù)傳輸裝置將超聲波接收器陣列的測量結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；支架將此模塊固定安裝在航道與超聲波發(fā)射模塊相對的另一側(cè)；線性超聲波接收器陣列方向豎直并且其中心點位于或者接近船舶吃水警戒線；所述的非線性陣列式超聲波接收模塊包括同步信號接收裝置、浮箱、超聲波接收器陣列、DGPS定位裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置；同步信號接收裝置接收同步信號；浮箱用來固定安裝超聲波接收器陣列，使其能在水中保持靜止的狀態(tài)；超聲波接收器陣列的陣列面大于發(fā)射來的超聲波有效圓形面；DGPS定位裝置監(jiān)控并定位浮箱的位置坐標，監(jiān)測浮箱是否偏離出有效的接收位置；數(shù)據(jù)傳輸裝置將超聲波接收器陣列的測量結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；所述的DGPS定位裝置為差分全球定位系統(tǒng)定位裝置的簡稱；
[0013]所述的測距模塊包括同步信號接收裝置、測距裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置；測距模塊的測距點與超聲波發(fā)射模塊的超聲波發(fā)出點位于同一豎直線上。
[0014]一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0015]A、同步信號產(chǎn)生模塊發(fā)出同步信號
[0016]同步信號產(chǎn)生模塊采用搭建硬件電路或者GPS同步時鐘發(fā)出同步信號，保證超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和測距模塊同時開始工作，測得船舶同一時刻的所需數(shù)據(jù)；
[0017]B、超聲波發(fā)射模塊發(fā)出超聲波
[0018]超聲波發(fā)射模塊安裝在航道一側(cè),它以船舶吃水警戒線為中心發(fā)出小角度的超聲波脈沖；此超聲波脈沖為固定頻率，便于與水中其它聲波的區(qū)分；超聲波在傳輸途中沒有被遮擋時，會完整的被超聲波接收模塊接收；當中途被船舶遮擋時，超聲波接收模塊接收到的超聲波信號會發(fā)生變化；
[0019]C、超聲波接收模塊接收超聲波
[0020]超聲波接收模塊根據(jù)測量環(huán)境的不同，分別采用以下方式工作:當航道兩側(cè)距離短、水深且水質(zhì)澄澈，聲波的多途相應不明顯時轉(zhuǎn)步驟Cl ;否則，轉(zhuǎn)步驟C2 ；
[0021]Cl、當航道兩側(cè)距離短、水深且水質(zhì)澄澈，聲波的多途效應不明顯時，超聲波接收模塊采用線性陣列式超聲波接收模塊，在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時線性超聲波接收器陣列能接收到超聲波的有效范圍的長度M，轉(zhuǎn)步驟D ;
[0022]C2、當在航道兩岸距離長，水淺且水質(zhì)渾濁，聲波的多途效應明顯的環(huán)境中，超聲波接收模塊受外界干擾嚴重，采用非線性陣列式超聲波接收模塊；超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊同時開始工作，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經(jīng)過時間t開始被超聲波接收器陣列接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、方向雜散、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列的時間大于t，且波形的強度弱，所以接收到的有效的超聲波脈沖應該在時間t?t+ Λ t間隔內(nèi)，且其信號強度遠大于干擾信號強度；因此從超聲波接收器陣列接收到的超聲波的延遲時間和波形強度準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結(jié)果的影響；在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時超聲波接收器陣列能接收到超聲波的有效圓范圍的直徑長度M ；
[0023]D、測距模塊測距
[0024]測距模塊在接收到同步信號之后開始工作，測得測距點到船身的距離L1，然后將所測得的結(jié)果由數(shù)據(jù)傳輸裝置傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；
[0025]E、數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理
[0026]設數(shù)據(jù)處理模塊從船舶的VTS信息或者AIS信息中得船身半寬度為L2,從測距模塊接收到超聲波發(fā)射模塊到船身的距離為L1，則超聲波發(fā)射模塊到船舶底部中心的水平距離L3 = 1,+ (12/2);在超聲波發(fā)射模塊開始工作后，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經(jīng)過時間T開始被超聲波接收器陣列接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列的時間大于Τ，且波形的強度弱，因此從超聲波接收器陣列接收到的超聲波的延遲時間和波形強度可以準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結(jié)果的影響；設超聲波接收器陣列接收有效信號范圍長度SD1，發(fā)射的超聲波中心線與吃水警戒線角度偏移量為β ;在無船舶駛進檢測區(qū)域之前，預先測量超聲波接收器陣列接收超聲波范圍的完全有效長度M ;
[0027]設超聲波發(fā)射模塊為a ;在有船舶阻擋超聲波傳播時，超聲波接收器陣列接收信號范圍的有效上限點為b ;發(fā)射超聲波的中心線與超聲波接收器陣列的交點為c ;吃水警戒線與超聲波接收器的交點為d ;船底點為e ;船舶中心線與吃水警戒線交點為f ;船底到吃水警戒線的距離為H ;超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收器陣列之間的水平距離L4為已知；b、c兩點之間的長度D2 = D1-M/2 ;a、f兩點之間的長度L3 = !^+L2 ;c、d兩點之間的距尚D3 =L4Xtanii ;首先根據(jù)D1與M的關系進行判定，若D1 = M，則轉(zhuǎn)El ^D1 ^ (M/2 —D3),則轉(zhuǎn)E2 ;若(M/2 — D3)≤ D1 < M，則轉(zhuǎn) E3 ；
[0028]E1、待測船舶駛過測量區(qū)時并沒有對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，說明船舶吃水深度比警戒線要淺，可以安全通航；轉(zhuǎn)F ；
[0029]E2、待測船舶駛過測量區(qū)時已經(jīng)對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，并且船底吃水深度已經(jīng)超過警戒線；轉(zhuǎn)F ;
[0030]E3、待測船舶駛過測量區(qū)時已經(jīng)對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，但是船底吃水深度未超過警戒線，對警戒程度進行進一步的判定；在Aabc和Δ aef中Z a所對應的兩組正切比相等，所以有:
【權利要求】
1.一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括同步信號產(chǎn)生模塊(I)、超聲波發(fā)射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)、測距模塊(4)、數(shù)據(jù)處理模塊(5)和顯示報警模塊(6)； 所述的同步信號產(chǎn)生模塊(I)采用搭建硬件電路或者利用GPS同步時鐘的方式同時向超聲波發(fā)射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)和測距模塊(4)發(fā)射同步信號，使這三個模塊同時開始工作； 所述的超聲波發(fā)射模塊(2)包括同步信號接收裝置、超聲波發(fā)射器、角度測量器和支架；所述的同步信號接收裝置用來接收同步信號；超聲波發(fā)射器發(fā)出小角度的持續(xù)時間為At的超聲波脈沖；角度測量器測量出超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波發(fā)射中心線(15)與吃水警戒線的角度偏移量β，用于最后測量結(jié)果的修正；支架用來將超聲波發(fā)射模塊(2)固定安裝在航道的一側(cè)；超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波發(fā)射中心線(15)與規(guī)定的船舶吃水警戒線(X)重合或接近； 所述的超聲波接收模塊(3)包括線性陣列式超聲波接收模塊(3)或非線性陣列式超聲波接收模塊(3);所述的線性陣列式超聲波接收模塊(3)包括同步信號接收裝置、線性超聲波接收器陣列(8)、數(shù)據(jù)傳輸裝置和支架；同步信號接收裝置接收同步信號；超聲波接收器陣列(10)接收未被障礙物阻擋傳播來的超聲波；數(shù)據(jù)傳輸裝置將超聲波接收器陣列(10)的測量結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊(5);支架將此模塊固定安裝在航道與超聲波發(fā)射模塊(2)相對的另一側(cè)；線性超聲波接收器陣列(8)方向豎直并且其中心點位于或者接近船舶吃水警戒線(7);所述的非線性陣列式超聲波接收模塊(3)包括同步信號接收裝置、浮箱(9)、超聲波接收器陣列(10)、DGPS定位裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置；同步信號接收裝置接收同步信號；浮箱(9)用來固 定安裝超聲波接收器陣列(10)，使其能在水中保持靜止的狀態(tài)；超聲波接收器陣列(10)的陣列面大于發(fā)射來的超聲波有效圓形面(11) ;DGPS定位裝置監(jiān)控并定位浮箱(9)的位置坐標，監(jiān)測浮箱(9)是否偏離出有效的接收位置；數(shù)據(jù)傳輸裝置將超聲波接收器陣列(10)的測量結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊(5);所述的DGPS定位裝置為差分全球定位系統(tǒng)定位裝置的簡稱； 所述的測距模塊(4)包括同步信號接收裝置、測距裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置；測距模塊(4)的測距點與超聲波發(fā)射模塊(2)的超聲波發(fā)出點位于同一豎直線上。
2.一種船舶吃水超限檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟: A、同步信號產(chǎn)生模塊(I)發(fā)出同步信號 同步信號產(chǎn)生模塊(I)采用搭建硬件電路或者GPS同步時鐘發(fā)出同步信號，保證超聲波發(fā)射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)和測距模塊(4)同時開始工作，測得船舶同一時刻的所需數(shù)據(jù)； B、超聲波發(fā)射模塊(2)發(fā)出超聲波 超聲波發(fā)射模塊(2)安裝在航道一側(cè)，它以船舶吃水警戒線(7)為中心發(fā)出小角度的超聲波脈沖；此超聲波脈沖為固定頻率，便于與水中其它聲波的區(qū)分；超聲波在傳輸途中沒有被遮擋時，會完整的被超聲波接收模塊(3)接收；當中途被船舶遮擋時，超聲波接收模塊(3)接收到的超聲波信號會發(fā)生變化； C、超聲波接收模塊(3)接收超聲波 超聲波接收模塊(3)根據(jù)測量環(huán)境的不同，分別采用以下方式工作:當航道兩側(cè)距離短、水深且水質(zhì)澄澈，聲波的多途相應不明顯時轉(zhuǎn)步驟Cl ;否則，轉(zhuǎn)步驟C2 ；Cl、當航道兩側(cè)距離短、水深且水質(zhì)澄澈，聲波的多途效應不明顯時，超聲波接收模塊(3)采用線性陣列式超聲波接收模塊(3)，在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時線性超聲波接收器陣列(8)能接收到超聲波的有效范圍的長度M，轉(zhuǎn)步驟D ； C2、當在航道兩岸距離長，水淺且水質(zhì)渾濁，聲波的多途效應明顯的環(huán)境中，超聲波接收模塊(3)受外界干擾嚴重，采用非線性陣列式超聲波接收模塊(3);超聲波發(fā)射模塊(2)和超聲波接收模塊(3)同時開始工作，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經(jīng)過時間t開始被超聲波接收器陣列(10)接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、方向雜散、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列(10)的時間大于t，且波形的強度弱，所以接收到的有效的超聲波脈沖應該在時間t~t+ △ t間隔內(nèi)，且其信號強度遠大于干擾信號強度；因此從超聲波接收器陣列(10)接收到的超聲波的延遲時間和波形強度準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結(jié)果的影響；在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時超聲波接收器陣列(10)能接收到超聲波的有效圓范圍的直徑長度M ； D、測距模塊⑷測距 測距模塊(4)在接收到同步信號之后開始工作，測得測距點到船身的距離L1，然后將所測得的結(jié)果由數(shù) 據(jù)傳輸裝置傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊(5)； E、數(shù)據(jù)處理模塊(5)進行數(shù)據(jù)處理 設數(shù)據(jù)處理模塊(5)從船舶的VTS信息或者AIS信息中得船身半寬度為L2,從測距模塊(4)接收到超聲波發(fā)射模塊(2)到船身的距離SL1，則超聲波發(fā)射模塊(2)到船舶底部中心的水平距離L3 = L1+(L2/2);在超聲波發(fā)射模塊(2)開始工作后，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經(jīng)過時間T開始被超聲波接收器陣列(10)接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列(10)的時間大于T，且波形的強度弱，因此從超聲波接收器陣列(10)接收到的超聲波的延遲時間和波形強度可以準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結(jié)果的影響；設超聲波接收器陣列(10)接收有效信號范圍長度為D1，發(fā)射的超聲波發(fā)射中心線(15)與吃水警戒線角度偏移量為β ;在無船舶駛進檢測區(qū)域之前，預先測量超聲波接收器陣列(10)接收超聲波范圍的完全有效長度M ; 設超聲波發(fā)射模塊(2)為a;在有船舶阻擋超聲波傳播時，超聲波接收器陣列(10)接收信號范圍的有效上限點為b ;發(fā)射超聲波的中心線與超聲波接收器陣列(10)的交點為c ;吃水警戒線與超聲波接收器的交點為d ;船底點為e ;船舶中心線與吃水警戒線交點為f ；船底到吃水警戒線的距離為H;超聲波發(fā)射模塊(2)和超聲波接收器陣列(10)之間的水平距尚L4為已知；b、c兩點之間的長度D2 = D1HVI/2 ; a、f兩點之間的長度L3 = !^+L2 ; c、d兩點之間的距離D3 = L4XtanP ;首先根據(jù)D1與M的關系進行判定，若D1 = M JUREl ;若D1≤(M/2 — D3)，則轉(zhuǎn) E2 ;若(M/2 — D3)≤ D1 < M，則轉(zhuǎn) E3 ； E1、待測船舶(12)駛過測量區(qū)時并沒有對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，說明船舶吃水深度比警戒線要淺，可以安全通航；RF ; E2、待測船舶(12)駛過測量區(qū)時已經(jīng)對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，并且船底吃水深度已經(jīng)超過警戒線；轉(zhuǎn)F ;E3、待測船舶(12)駛過測量區(qū)時已經(jīng)對超聲波的傳播產(chǎn)生阻礙，但是船底吃水深度未超過警戒線，對警戒程度進行進一步的判定；在Aabc和Aaef中Z a所對應的兩組正切比相等，所以有:
【文檔編號】B63B39/12GK103913746SQ201410171888
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權日:2014年4月25日
【發(fā)明者】熊木地, 劉新建, 羅寧, 陳冬元 申請人:大連海事大學