基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统。包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块，声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；主控子系统包括主控计算机和供电单元，主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件。本发明专利技术系统具有投资小、安装及维护简单，测量过程简捷高效、测量精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统
本专利技术涉及一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统。
技术介绍
船舶“超吃水”航行主要是指其为了经济利益，在吃水超过所经航道水深而不采取减载措施的行为。轻则造成通航阻塞，重则造成船舶搁浅、船闸或升船机损坏、甚至人身伤亡的严重事故。由于通航船舶的船型标准化程度不高，且航道水位变化较大，极容易产生“超吃水”，直接影响通航安全。近年来，该现象已成为威胁水电站通航枢纽安全运行的最严重、最迫切的问题。为保证通航枢纽安全畅通，水电站公司每年组织清障爆破，保证航道畅通。但受利益驱使，一些船主置国家航运超载的禁令于不顾，采取瞒报船舶吃水吨位、制造假吃水线等手法逃避检查。目前，面对船舶“吃水深度”数据测量的需求，国内外的相应检测手段均处于初步研究阶段，尚未有市场化、成品化的系统出现。而国内大多航运管理单位所采取的“人工观测”、“压力传感”等测量方法，均无法满足“离船、快速、自动”的检测要求，且测量误差大，数据可信度低，造成通航事故频发，严重影响了航运调度正常开展。为此，本专利技术 申请人:于2012年开展了船舶吃水实时检测技术的研究，结合多波束超声波检测技术和DSP数据处理技术，分别在水口大坝上、下游采用“多波束侧扫声纳检测”和“阵列式单波束声纳检测”两种方法，对过往船只的水底形状进行扫描，并将扫描数据经DSP数据处理和后台计算，获得船只最大吃水深度数据，为船舶通航调度管理提供科学依据，达到“事前预防、事中控制”的目的。本系统是位于水电站大坝上游侧，基于“多波束侧扫声纳检测”技术的自动检测平台。【专利
技术实现思路
】本专利技术的目的在于提供一种具有投资小、安装及维护简单，测量过程简捷高效、测量精度高特点的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是:一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于:包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统； 所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接； 所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。在本专利技术实施例中，所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。在本专利技术实施例中，所述步进电机的驱动扫描流程如下， 步骤SOl:启动扫描，设置参数:扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向； 步骤S02:开始扫描:移动一个步长，计数器变化1，测量一次； 步骤S03:判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步； 步骤S04:判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02;若否，直接执行步骤S02。[0011 ] 在本专利技术实施例中，所述转动电机采用步进电机，所述步进电机的转轴伸出水密电子舱的顶部，并与超声波换能器的360°转动轴连接，带动超声波换能器转动。在本专利技术实施例中，所述水密电子舱固定连接在钢制架构的一端，并通过钢制架构固定安装于水下6米位置，所述钢制架构的另一端依托于水电站上游岸基。在本专利技术实施例中，所述数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议传输给主控计算机，并通过光纤进行远距离传送，将测量所得的数据实时传输至调度中心。在本专利技术实施例中，所述数字信号处理模块包括依次连接的收发转换开关模块、前置放大模块、带通滤波模块、二级放大模块、抗混叠滤波模块、模数转换模块、FPGA控制模块、波形发生器模块、功率放大器模块和阻抗匹配网络模块；所述FPGA控制模块还依次连接有DSP信号处理模块和RS458接口电路；所述阻抗匹配网络模块连接至收发转换开关模块；所述数字信号处理模块的收发转换开关模块连接至超声波换能器，所述RS485接口电路连接至主控计算机。在本专利技术实施例中，所述船舶吃水深度自动测量系统显控软件分为两个部分:1、向数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收数字信号处理模块采集回来的信号；2、根据信号的强度不同，对其进行阈值判断，把其映射为不同颜色的点、线在主控计算机的程序上拟合出来，显示出测量范围内的目标、障碍物情况，并进行测量数据回放显示。在本专利技术实施例中，所述系统采用比对法来补偿因温度造成的误差，所述对比法即选择向正上方发送的一列波束作为比对标准，测出该方向上回波到达时间，得到实际声速；所述系统在时间上和空间上为孤立、跳变的异常点进行后台数据分析和滤除，以消除鱼类、悬浮物和船体气泡的影响。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果: 1、测量过程简捷高效、同时满足“离船”、“快速”、“自动”、“不停船“、“单边检测”等条件; 2、测量测量精度高，误差<3cm ； 3、事前预控能力强，真正达到防止超载船入闸的目的； 4、结构简单，总体投资小，运维成本低，极大地降低施工和维护难度； 5、总体安全性高，大大降低了设备被船只撞击、损坏的概率。【附图说明】图1是本专利技术系统构成图。图2是本专利技术多波束声纳工作原理示意图。图3是本专利技术电机驱动扫描流程图。图4是本专利技术数字信号处理模块电路图。图5是本专利技术系统信号处理流程图。图6是本专利技术主控机软件测量界面图。图7是本专利技术排除鱼类对测量的影响示意图。图8是本专利技术排除气泡对测量的影响示意图。【具体实施方式】下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。如图1所示，本专利技术实施例的一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统； 所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机； 所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输； 所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接； 所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。在本专利技术实施例中，所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。在本专利技术实施例中，所述步进电机的驱动扫描流程如下， 步骤SOl:启动扫描，设置参数:扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向； 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于：包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统；所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机；所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接；所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。

【技术特征摘要】
1.一种基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于:包括水下声纳扫描子系统、声纳信号处理子系统和主控子系统； 所述水下声纳扫描子系统包括带360°转动轴的声纳换能器和带动声纳换能器转动的转动电机； 所述声纳信号处理子系统包括水密电子舱和位于该水密电子舱内的数字信号处理模块；所述声纳信号处理子系统通过一水密电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输； 所述水下声纳扫描子系统的转动电机固定于水密电子舱内，并与数字信号处理模块连接； 所述主控子系统包括主控计算机和供电单元；所述主控计算机上运行船舶吃水深度自动测量系统显控软件；所述供电单元为水下声纳扫描子系统和声纳信号处理子系统提供直流电源。2.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于:所述声纳换能器为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在78.75°，且每次测量扫过的角度是2.25°。3.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于:所述步进电机的驱动扫描流程如下， 步骤SOl:启动扫描，设置参数:扫描的开始角度、结束角度、步长、计数器和转动方向； 步骤S02:开始扫描:移动一个步长，计数器变化1，测量一次； 步骤S03:判断扫描是否停止，若停止，结束扫描；否则，进行下一步； 步骤S04:判断是否扫描到开始角度或结束角度，若是，则转换方向，并执行步骤S02;若否，直接执行步骤S02。4.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的船舶吃水深度自动检测系统，其特征在于:所述转动电机采用步进电机，所述步进电机的转轴伸出水密电子舱的顶部，并与超声波换能器的360°转动轴连接，带动超声波换能器转动。5.根据权利要求1所述的基于多波束侧扫声纳技术的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静怡，黄其捷，刘志强，王昕，林凯，陈晶晶，任飞，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网福建省电力有限公司，福建水口发电集团有限公司，
类型：发明
国别省市：