專利名稱：基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶吃水深度測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
水運(yùn)作為歷史最悠久的運(yùn)輸方式，具有運(yùn)量大、投資少、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，以及長江黃金水道及其支流諸多建設(shè)項(xiàng)目的大力實(shí)施，內(nèi)河航運(yùn)的優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，水運(yùn)能力正呈現(xiàn)飛速發(fā)展的狀態(tài)。為了保證內(nèi)河航道的通暢無礙運(yùn)行，須在某些船舶易擱淺河段對(duì)船舶吃水進(jìn)行在線測(cè)量，最大限度的減少航道擱淺、礙航等事件發(fā)生，保證航道安全，并且為航道行政管理人員對(duì)“超吃水”船舶進(jìn)行行政處罰提供依據(jù)。吃水深度測(cè)量最直接、簡單的方法是通過檢查船舶吃水標(biāo)尺及載重線進(jìn)行判斷， 但是受利益的驅(qū)使，某些船主不惜重新標(biāo)記吃水標(biāo)尺及載重線，妄圖蒙混過關(guān)，同時(shí)該方法也受船舶自身穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)變形等因素影響，所以目視觀察船舶的吃水線是否超過相應(yīng)允許載重線，并不具備準(zhǔn)確性，只能作為船疑似超載的線索，而不能作為認(rèn)定該船已經(jīng)超載的證據(jù)，這就會(huì)為航道的通暢埋下巨大隱患，所以必須依賴更為精確的測(cè)量手段對(duì)船舶吃水深度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。目前主要有兩種切實(shí)可行的船舶吃水檢測(cè)系統(tǒng) 1、側(cè)壁聲納陣列固定測(cè)量系統(tǒng)
這種方法僅可適用于船閘或船閘引航道等航道條件較為簡單的區(qū)域。該系統(tǒng)聲納陣列設(shè)置位置如圖1所示，在船閘或船閘引航道兩側(cè)適當(dāng)高度安裝多個(gè)聲納裝置信號(hào)發(fā)生器陣列和接收陣列。當(dāng)船舶經(jīng)過時(shí)，由于被船身阻擋，水面至船底高程范圍內(nèi)的多個(gè)接收器接收不到信號(hào)(如圖ι中第a、b、C號(hào)聲納裝置)，依據(jù)緊臨船底下側(cè)的能接收到信號(hào)的接收器(如圖1中第d號(hào)聲納裝置)的位置和水面的位置推算出船舶的實(shí)際吃水，判定其是否超吃水航行。這種方法的缺陷是為了保證準(zhǔn)確檢測(cè)船舶的底部邊緣，就必須使聲納收、發(fā)裝置布置得盡可能密，同時(shí)聲納部件布置過密，就會(huì)使相鄰聲納部件產(chǎn)生串?dāng)_，影響檢測(cè)精度。 所以該方法存在成本高，檢測(cè)精度低的缺點(diǎn)。另外，由于聲納擴(kuò)散程度與船舶距離成正比， 測(cè)量水域越寬，相鄰聲納間越容易產(chǎn)生相互干擾，會(huì)大大降低測(cè)量精度，所以該方法僅可適用于船閘或船閘引航道等航道條件較為簡單且測(cè)量距離較窄的區(qū)域，難以應(yīng)用于實(shí)際的內(nèi)河航道內(nèi)。2、水底聲納陣列固定測(cè)量系統(tǒng)
該系統(tǒng)聲納陣列設(shè)置位置如圖2所示，安裝在水底墊高軌道上的多個(gè)聲納裝置(同時(shí)具備收、發(fā)功能)同時(shí)將聲納信號(hào)向上垂直發(fā)射，當(dāng)船舶經(jīng)過時(shí)，與船身區(qū)域垂向重合的聲納裝置(如圖2中第d、e、f、g、h號(hào)聲納裝置)發(fā)出的聲信號(hào)經(jīng)船身反射，聲納傳播軌跡發(fā)生變化，并被聲納裝置接收，利用測(cè)量裝置可計(jì)算出船舶至聲納裝置的距離H1，其余聲信號(hào)未被船身反射的聲納裝置的發(fā)射、接收軌跡不變，聲納信號(hào)傳播至水面，經(jīng)水面反射后，反射的信號(hào)再由聲納裝置接收，利用測(cè)量裝置可計(jì)算出水面至聲納裝置的距離H2，由于船舶駛過時(shí)，水面的波動(dòng)很大，所以距離H2需取多個(gè)聲納測(cè)量裝置同時(shí)、單次測(cè)量的平均值，才能有效的減少波浪對(duì)H2的影響(即使這樣處理后誤差也很大)，最后H2與Hl之差即為船舶的吃水深度H0。這種方法的缺陷是需要保證聲納裝置發(fā)射出的聲信號(hào)與水平面垂直，裝置設(shè)置難度大，其測(cè)量精度受船體傾斜、河床淤沙等情況影響，在天然河道中，特別是在“超吃水” 頻發(fā)區(qū)域，更是泥沙淤積嚴(yán)重的河段，將聲納組件安裝在泥沙淤積嚴(yán)重的水域，很難保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)在長江上游，水底陣列測(cè)量法還會(huì)面臨卵石沖擊的危險(xiǎn)，很難保證長時(shí)間的穩(wěn)定、可靠測(cè)量，而且該方法也難以應(yīng)用于實(shí)際的內(nèi)河航道內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問題，為了解決現(xiàn)有的吃水深度測(cè)量裝置需要高密度布置、易受泥沙卵石淤埋、自身信號(hào)相互干擾大以及測(cè)量精度低的問題，本發(fā)明提出了一種基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量裝置它由兩根導(dǎo)軌、聲納接收裝置、聲納發(fā)射裝置、 兩個(gè)傳動(dòng)裝置、控制裝置和水面線測(cè)量裝置組成；兩根導(dǎo)軌相對(duì)設(shè)置，聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置各與一傳動(dòng)裝置連接，傳動(dòng)裝置與導(dǎo)軌一一對(duì)應(yīng)地滑動(dòng)連接；聲納接收裝置、聲納發(fā)射裝置、兩個(gè)傳動(dòng)裝置、水面線測(cè)量裝置都與控制裝置電氣連接；聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置始終處于同一水平面。本發(fā)明還提出了一種基于前述測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其步驟為1)兩個(gè)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置在導(dǎo)軌上同步運(yùn)動(dòng)，且聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置始終處于同一水平面；
2)聲納接收裝置的接收方向和聲納發(fā)射裝置的發(fā)射方向同軸，聲納發(fā)射裝置持續(xù)發(fā)射信號(hào)，當(dāng)聲納接收裝置接收到的信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，此時(shí)的聲納發(fā)射裝置或聲納接收裝置的位置即為船底位置；
3)根據(jù)聲納發(fā)射裝置或聲納接收裝置與導(dǎo)軌的相對(duì)位置計(jì)算出船底位置相對(duì)于導(dǎo)軌的高度數(shù)值A(chǔ) ；同時(shí)讀取水面線測(cè)量裝置的水面位置讀數(shù)，并計(jì)算出水面位置讀數(shù)相對(duì)于導(dǎo)軌的高度數(shù)值B;
4)計(jì)算高度數(shù)值A(chǔ)與高度數(shù)值B的差值，即可得到船舶吃水深度。步驟2)中所述的當(dāng)聲納接收裝置接收到的信號(hào)發(fā)生跳變，包括聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置同步向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置的接收信號(hào)從無信號(hào)向有信號(hào)跳變；聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置同步向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置的接收信號(hào)從有信號(hào)向無信號(hào)跳變。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過單套聲納發(fā)射、接收裝置掃描檢測(cè)，避免了高密度設(shè)置聲納陣列，降低了設(shè)備成本，同時(shí)大大降低對(duì)聲納信號(hào)束射特性的要求，不存在信號(hào)相互干擾的問題，消除了聲納發(fā)散角對(duì)檢測(cè)精度的影響，能夠最大限度的提高檢測(cè)精度。


圖1、現(xiàn)有的側(cè)壁聲納陣列固定測(cè)量系統(tǒng)聲納布置位置示意圖；圖2、現(xiàn)有的水底聲納陣列固定測(cè)量系統(tǒng)聲納布置位置示意圖； 圖3、本發(fā)明的測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖一； 圖4、本發(fā)明的測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖二。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方案為它由兩根導(dǎo)軌1、聲納接收裝置2、聲納發(fā)射裝置3、兩個(gè)傳動(dòng)裝置4、控制裝置和水面線測(cè)量裝置組成；兩根導(dǎo)軌1相對(duì)設(shè)置，聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3各與一傳動(dòng)裝置4連接，傳動(dòng)裝置4與導(dǎo)軌1 一一對(duì)應(yīng)地滑動(dòng)連接；聲納接收裝置2、 聲納發(fā)射裝置3、兩個(gè)傳動(dòng)裝置4、水面線測(cè)量裝置都與控制裝置電氣連接；聲納接收裝置2 和聲納發(fā)射裝置3始終處于同一水平面。測(cè)量時(shí)，控制裝置控制傳動(dòng)裝置4，使聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3同向同步運(yùn)動(dòng)，并且使聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3始終保持在同一水平面，聲納發(fā)射裝置3發(fā)射聲納信號(hào)，如果有船舶經(jīng)過，聲納發(fā)射裝置3在水面至船底的高程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖3 所示)，聲納信號(hào)因被船身阻擋，無法被聲納接收裝置2接收到，聲納接收裝置2無信號(hào)輸入，當(dāng)聲納發(fā)射裝置3剛好運(yùn)動(dòng)至船底以下位置時(shí)(如圖4所示)，聲納信號(hào)因無阻擋而被聲納接收裝置2接收，聲納接收裝置2的輸入信號(hào)發(fā)生跳變(當(dāng)聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3從下往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置2的信號(hào)從有信號(hào)向無信號(hào)跳變)，此時(shí)根據(jù)聲納接收裝置2或聲納發(fā)射裝置3的位置即可獲知船底與導(dǎo)軌1的相對(duì)位置，再根據(jù)水面線測(cè)量裝置所測(cè)量到的水面位置與導(dǎo)軌1的相對(duì)位置，通過簡單的計(jì)算即可得到船舶吃水深度數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)最大的不同是，現(xiàn)有技術(shù)采用陣列式固定位置測(cè)量方式，本發(fā)明采用單體式移動(dòng)掃描測(cè)量方式，移動(dòng)式掃描的好處有如下幾點(diǎn)1、降低了裝置成本，無需大量、高密度布置聲納裝置；2、相對(duì)于安裝在水底的陣列，簡化了安裝；3、由于聲納裝置經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài)，避免了聲納裝置被泥沙淤埋，可適用于泥沙淤積嚴(yán)重的河段；4、聲納裝置的接收和發(fā)射器件均為單體式，避免了陣列式的多個(gè)聲納裝置之間的信號(hào)干擾，避免了現(xiàn)有的陣列式裝置需要聲納發(fā)生裝置具備高束射特性的問題，可適用于大跨距的河段；5、聲納裝置的位置可控性強(qiáng)，能對(duì)同一位置或同一區(qū)段進(jìn)行反復(fù)掃描。在前述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，兩根導(dǎo)軌1可垂向設(shè)置，能夠進(jìn)一步縮短聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)距離，提高掃描效率。本發(fā)明系統(tǒng)的控制方法為1)兩個(gè)傳動(dòng)裝置4驅(qū)動(dòng)聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3在導(dǎo)軌1上同步運(yùn)動(dòng)，且聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3始終處于同一水平面；
2)聲納接收裝置2的接收方向和聲納發(fā)射裝置3的發(fā)射方向同軸，聲納發(fā)射裝置3持續(xù)發(fā)射信號(hào)，當(dāng)聲納接收裝置2接收到的信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，此時(shí)的聲納發(fā)射裝置3或聲納接收裝置2的位置即為船底位置；
3)根據(jù)聲納發(fā)射裝置3或聲納接收裝置2與導(dǎo)軌1的相對(duì)位置計(jì)算出船底位置相對(duì)于導(dǎo)軌1的高度數(shù)值A(chǔ) ；同時(shí)讀取水面線測(cè)量裝置的水面位置讀數(shù)，并計(jì)算出水面位置讀數(shù)相對(duì)于導(dǎo)軌1的高度數(shù)值B;
4)計(jì)算高度數(shù)值A(chǔ)與高度數(shù)值B的差值，即可得到船舶吃水深度。步驟2)中所述的當(dāng)聲納接收裝置2接收到的信號(hào)發(fā)生跳變，主要有兩種情形聲
5納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3同步向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置2的接收信號(hào)從無信號(hào)向有信號(hào)跳變；聲納接收裝置2和聲納發(fā)射裝置3同步向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置2的接收信號(hào)從有信號(hào)向無信號(hào)跳變。
權(quán)利要求
1.一種基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量裝置，其特征在于它由兩根導(dǎo)軌 (1)、聲納接收裝置(2)、聲納發(fā)射裝置(3)、兩個(gè)傳動(dòng)裝置(4)、控制裝置和水面線測(cè)量裝置組成；兩根導(dǎo)軌(1)相對(duì)設(shè)置，聲納接收裝置(2)和聲納發(fā)射裝置(3)各與一傳動(dòng)裝置(4) 連接，傳動(dòng)裝置(4)與導(dǎo)軌(1)一一對(duì)應(yīng)地滑動(dòng)連接；聲納接收裝置(2)、聲納發(fā)射裝置(3)、 兩個(gè)傳動(dòng)裝置(4)、水面線測(cè)量裝置都與控制裝置電氣連接；聲納接收裝置(2)和聲納發(fā)射裝置(3)始終處于同一水平面。
2.一種基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量方法，其特征在于步驟為1)兩個(gè)傳動(dòng)裝置(4)驅(qū)動(dòng)聲納接收裝置(2)和聲納發(fā)射裝置(3)在導(dǎo)軌(1)上同步運(yùn)動(dòng)，且聲納接收裝置(2)和聲納發(fā)射裝置(3)始終處于同一水平面；2)聲納接收裝置(2)的接收方向和聲納發(fā)射裝置(3)的發(fā)射方向同軸，聲納發(fā)射裝置 (3)持續(xù)發(fā)射信號(hào)，當(dāng)聲納接收裝置(2)接收到的信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，此時(shí)的聲納發(fā)射裝置 (3)或聲納接收裝置(2)的位置即為船底位置；3)根據(jù)聲納發(fā)射裝置(3)或聲納接收裝置(2)與導(dǎo)軌(1)的相對(duì)位置計(jì)算出船底位置相對(duì)于導(dǎo)軌(1)的高度數(shù)值A(chǔ) ；同時(shí)讀取水面線測(cè)量裝置的水面位置讀數(shù)，并計(jì)算出水面位置讀數(shù)相對(duì)于導(dǎo)軌(1)的高度數(shù)值B ；4)計(jì)算高度數(shù)值A(chǔ)與高度數(shù)值B的差值，即可得到船舶吃水深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量方法，其特征在于步驟2)中所述的當(dāng)聲納接收裝置(2)接收到的信號(hào)發(fā)生跳變，包括聲納接收裝置(2) 和聲納發(fā)射裝置(3)同步向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置(2)的接收信號(hào)從無信號(hào)向有信號(hào)跳變；聲納接收裝置(2)和聲納發(fā)射裝置(3)同步向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲納接收裝置(2)的接收信號(hào)從有信號(hào)向無信號(hào)跳變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于聲納同步掃描的內(nèi)河船舶吃水深度測(cè)量裝置，該裝置采用同步運(yùn)動(dòng)的聲納接收裝置和聲納發(fā)射裝置對(duì)船舶吃水深度進(jìn)行在線測(cè)量；本發(fā)明還公開了基于前述裝置的測(cè)量方法。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過單套聲納發(fā)射、接收裝置掃描檢測(cè)，避免了高密度設(shè)置聲納陣列，降低了設(shè)備成本，同時(shí)大大降低對(duì)聲納信號(hào)束射特性的要求，不存在信號(hào)相互干擾的問題，消除了聲納發(fā)散角對(duì)檢測(cè)精度的影響，能夠最大限度的提高檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01S15/08GK102353956SQ201110185989
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者丁甡奇, 余葵, 吳俊 , 李曉飚 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)