專利名稱：一種側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
根據(jù)《中華人民共和國航道管理?xiàng)l例實(shí)施細(xì)則》(2009年)和《江蘇省船舶過閘費(fèi)征收和使用辦法》(1997年)，船舶過閘時(shí)，應(yīng)按船舶的實(shí)載噸位向航政部門繳納相應(yīng)的船舶過閘費(fèi)。目前，國內(nèi)多數(shù)船閘對船舶噸位的認(rèn)定主要是依據(jù)航行證件為主，并結(jié)合人工測量為輔的方式進(jìn)行，即根據(jù)船載證書的總噸位、船體的載重線和實(shí)際吃水深度估計(jì)該船的實(shí)載噸位。該方式存在著以下問題1、水運(yùn)行業(yè)超載過載現(xiàn)象屢禁不止，極易引發(fā)船間安全事故并危及航道及航道設(shè)施的安全；2、不法分子腐蝕收買測量人員，與其沆瀣一氣，肆意虛報(bào)船舶實(shí)載噸位，逃避應(yīng)當(dāng)繳納的費(fèi)用，造成國家規(guī)費(fèi)的大量流失和貪污腐敗猖獗；3、不法船主可采用多裝和逃避規(guī)費(fèi)的辦法減少成本，使得合法繳費(fèi)的船戶失去市場競爭優(yōu)勢，擾亂水運(yùn)市場的正常秩序。中國專利申請200610011508. 7公開的方案是在航道測量段兩側(cè)河床壁上設(shè)置分離的聲納探頭陣列，利用超聲測距原理，通過Kalman濾波算法對各個(gè)傳感器采集船體反射回波的距離信息實(shí)現(xiàn)信息融合，采用最小二乘擬合曲線計(jì)算船體水下部分近似截面積， 最終結(jié)合速度傳感器測得的船速，將諸多近似截面進(jìn)行船速方向上的積分獲得其實(shí)際排水量噸位的測量方法。然而文獻(xiàn)所提出的方法較為理論化，缺乏實(shí)用性和可靠性的考慮，主要存在以下幾項(xiàng)問題1、混響嚴(yán)重，聲納探頭難以準(zhǔn)確獲得其與船體之間的準(zhǔn)確距離。在航道兩側(cè)設(shè)置的眾多聲納探頭，在沒有進(jìn)行波束控制、波束形成的情況下。以同一聲頻率無指向性的發(fā)射聲波，聲波將在船體壁和航道壁之間反射并產(chǎn)生嚴(yán)重的混響，聲納探頭難以正常工作；2、系統(tǒng)難以長時(shí)間的穩(wěn)定的工作。水體環(huán)境中水流的沖擊、鹽分的侵蝕、淤泥的沉降和水生物的活動(dòng)等因素會(huì)使為數(shù)眾多的聲納探頭的可靠性和續(xù)航能力受到嚴(yán)重的影響。 聲納探頭設(shè)置在水下，保養(yǎng)和維護(hù)較為困難，當(dāng)一定數(shù)量的聲納探頭發(fā)生故障將導(dǎo)致測量的重大誤差或系統(tǒng)的癱瘓；3、抗干擾能力差。如果水文環(huán)境出現(xiàn)較大變化、水體中出現(xiàn)漂浮物、渦流或魚群等障礙物時(shí)，聲納傳感器采集的距離數(shù)據(jù)將出現(xiàn)較多野點(diǎn)，測量結(jié)果容易出現(xiàn)較大偏差；4、系統(tǒng)架構(gòu)龐大復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長。每一次的測量需要等待每一個(gè)探頭傳回的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，后續(xù)算法步驟較多，計(jì)算量偏大，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較長。在水介質(zhì)中聲波是傳播的最佳能量形式，聲納已作為探測水下目標(biāo)的最佳設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，尤其是20世紀(jì)60年代之后，聲納成像技術(shù)及以側(cè)掃聲納為代表的聲成像設(shè)備的出現(xiàn)，使得測量結(jié)果能夠以水聲圖像的形式輸出，對水下目標(biāo)的探測更為有效和直觀。其成像原理是通過拖魚所載換能器發(fā)射超聲波，聲波在具有不同聲阻抗的介質(zhì)分界面上發(fā)生的反射，換能器接收并對反向散射回波時(shí)間的自然順序檢測，記錄回波信號(hào)的能量與回波角度，計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)生成聲波回波強(qiáng)度及其他測量參數(shù)的灰度水聲圖像。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)用性和可靠較好的側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)，適于為船舶噸位測量提供準(zhǔn)確可信的信息，進(jìn)而為船舶過閘收費(fèi)提供可靠的依據(jù)。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)，其特點(diǎn)是包括設(shè)于測量水域岸邊兩側(cè)的各兩個(gè)光電傳感器、設(shè)于水下航道壁的一側(cè)的拖魚、 與各光電傳感器和拖魚相連的用于計(jì)算出該船舶的總噸位的計(jì)算機(jī)。當(dāng)光電傳感器探測到有船舶經(jīng)過的信號(hào)，啟動(dòng)設(shè)置于水下的拖魚開始工作，對測量水域進(jìn)行掃側(cè)，獲得船舶水下部分的水聲圖像；同時(shí)測出船舶航行速度和通過時(shí)間，依據(jù)船速與通過時(shí)間的乘積計(jì)算出船體的長度；與拖魚相連的計(jì)算機(jī)得出測量區(qū)域的水聲圖像，再對其進(jìn)行圖像處理提取出被測船舶的聲遮擋陰影，并根據(jù)投影關(guān)系結(jié)合測量環(huán)境參數(shù)獲得船體的吃水深度和水線下船體寬度；根據(jù)船體長度、吃水深度、水線下船體寬度、以及船載證書所標(biāo)的該船舶的方模系數(shù)，計(jì)算出該船舶的總噸位；總噸位與船載證書所標(biāo)的該船舶的凈噸位之差即為該船舶的實(shí)載噸位。本實(shí)用新型具有積極的效果(1)側(cè)掃聲納一般用于對水底地形地貌或者水底目標(biāo)的掃側(cè)，拖魚在水面拖船的拖引下，在距離水面一定的深度下向水底探測。本實(shí)用新型在側(cè)掃聲納成像原理和超聲波傳播機(jī)理的基礎(chǔ)上，將側(cè)掃聲納固定與水底，由行駛中的被測船舶提供相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)角度對水面掃側(cè)，進(jìn)而對水面浮體進(jìn)行測量，為側(cè)掃聲納的應(yīng)用方式及應(yīng)用環(huán)境提供了新的思路。(2)本實(shí)用新型的側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)，可以對水溫、流速等環(huán)境因素造成的影響與誤差自行矯正，相比較于由眾多聲納探頭組成的測量網(wǎng)絡(luò)，其集成度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，使用側(cè)掃聲納作為測量設(shè)備代替聲納探頭陣列，以可解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。(3)在船舶通過測量水域時(shí)，通過側(cè)掃聲納系統(tǒng)獲得船舶水下部分的水聲圖像，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量出被測船舶的總噸位與實(shí)載噸位， 相比較目前噸位測量由依據(jù)航行證件為主，并結(jié)合人工測量為輔的方式，提高了測量的自動(dòng)化程度、測量效率以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信行。大大規(guī)范船舶過間收費(fèi)流程，提高收費(fèi)效率，防止大量國家規(guī)費(fèi)的流失，維護(hù)水運(yùn)市場的正常秩序。

為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中圖1為本實(shí)用新型的側(cè)掃聲納測量船舶噸位的測量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型在進(jìn)行船舶噸位測量時(shí)的工作流程圖；圖3為本實(shí)用新型在實(shí)施側(cè)掃聲納測量船舶噸位時(shí)，船舶、拖魚和光電傳感器裝置的位置關(guān)系示意圖；圖4為圖3中的船舶的投影位置關(guān)系示意圖；[0021 ] 圖5為圖4中的二維坐標(biāo)系k ；圖6為本實(shí)用新型實(shí)測的船舶水下部分的測量結(jié)果；圖7為圖6所示圖形水平放置示意圖。
具體實(shí)施方式
(實(shí)施例1)見圖1和3，實(shí)施本實(shí)用新型的側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)包括設(shè)置在測量水域岸邊兩側(cè)的各兩個(gè)光電傳感器1 ；設(shè)置在水下航道壁6的一側(cè)的側(cè)掃聲納的拖魚2，拖魚 2距離水面深度H。光電傳感器1用于探測水面是否有船舶5駛?cè)霚y量水域，同一岸側(cè)的間兩個(gè)傳感器的間距h，任何一端的光電傳感器探測到有船舶時(shí)均啟動(dòng)水下拖魚2開始工作。拖魚2固定在水下航道壁，經(jīng)由電纜與水上計(jì)算機(jī)2相連接，安裝時(shí)，調(diào)整拖魚姿態(tài)使其掃側(cè)區(qū)域覆蓋整個(gè)航道，水平方向兩鰭平行于航道。在實(shí)際應(yīng)用中，側(cè)掃聲納系統(tǒng)均用于對水底目標(biāo)的探測，利用的是水介質(zhì)、目標(biāo)物體與水底介質(zhì)(巖石、沙礫、淤泥等)聲阻抗的差異，聲波在介質(zhì)分界面上發(fā)生反射，被換能器接收并成圖。若將聲波射向水面，由于空氣介質(zhì)的聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水介質(zhì)的聲阻抗，在聲波非垂直入射的情況下，聲波幾乎全部反射回水介質(zhì)，在水面平靜接近于鏡面的情況下，水面近似為理想的聲反射面，聲能幾乎全部被反射回水介質(zhì)。實(shí)際情況下水面一般具有波動(dòng)性，既是聲波的反射界面又是聲波的散射體。換能器發(fā)射出的聲波入射到具有波浪的水面， 即相當(dāng)于入射到周期變化的不平整的表面，有一部分聲能散射到空氣中而損失，另一部分聲能遵從反射定律反射回水中到達(dá)換能器，根據(jù)以上分析，若旋轉(zhuǎn)側(cè)掃聲納的拖魚使其向水面發(fā)射聲波，利用水介質(zhì)、空氣介質(zhì)與目標(biāo)物體聲阻抗的差異，換能器同樣可以接收到水面的反射回波近而生成測量區(qū)域的聲納圖像。同時(shí)，拖魚與被測船舶的相對運(yùn)動(dòng)由行駛中的船舶提供。見圖2及圖3，當(dāng)光電傳感器1檢測到有船舶5通過測量水域時(shí)，啟動(dòng)設(shè)置在水下航道壁的拖魚3，同時(shí)記錄下船舶5通過單個(gè)光電傳感器的時(shí)間、以及通過同一岸側(cè)的兩個(gè)光電傳感器的間距h所用時(shí)間t2，則船舶速度ν = h/t2，船舶長度L = νΧ、。聲遮擋陰影的形成拖魚從發(fā)射的聲波被船舶遮擋，形成無回波區(qū)域，換能器無法接受到回波信息，在聲圖像上遮擋陰影。由于投影映射關(guān)系的約束，遮擋陰影的尺寸與被照射船舶的尺寸相關(guān)。見圖4，設(shè)被測船舶上一點(diǎn)S在三維地理坐標(biāo)系V下坐標(biāo)為(Sx，Sy, Sz)，由于拖魚發(fā)射波束的垂直航向(單側(cè))開角的遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波束平行航向開角，聲波Ping頻率較高，在被測船舶與拖魚相對運(yùn)動(dòng)過程中，可以認(rèn)為拖魚為一個(gè)的線聲源L。船舶在聲波的照射下物點(diǎn)S成影于平面P，即圖5所示平面，其像點(diǎn)為S’。見圖5，在平面P中建立二維坐標(biāo)系k， 原點(diǎn)及坐標(biāo)軸均與坐標(biāo)系V重合。設(shè)點(diǎn)S”在坐標(biāo)系k下坐標(biāo)為(Sx”，Sy”)，作S在投影面 P中的投影點(diǎn)S' (S' x, S' y)。根據(jù)投影關(guān)系，點(diǎn)S(Sx，Sy，Sz)的坐標(biāo)為Sx = S" x = Sx+ΔNx(3)SY = S〃 y = S' y(4)Sz = h(5)[0036]式3中ANxSAS" (S〃 x，S" y)與S' (S' x, S' y)橫坐標(biāo)在X軸正向上的像素差的絕對值，式5中h為點(diǎn)S距平面P的垂直距離。設(shè)拖魚航跡線在平面P中的投影為直線lp，連接點(diǎn)S”和點(diǎn)S’并延長交直線Ip于點(diǎn)jp(jx，jy)，因?yàn)閟'為投影點(diǎn)，所以線段 S" jp垂直于Ip，則有Δ ASS" j相似于ASS" S'。設(shè)H為測量拖魚距離水面深度，根據(jù)三角形的相似性有
權(quán)利要求1. 一種側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)，其特征在于包括設(shè)于測量水域岸邊兩側(cè)的各兩個(gè)光電傳感器、設(shè)于水下航道壁的一側(cè)的拖魚、與各光電傳感器和拖魚相連的用于計(jì)算出該船舶的總噸位的計(jì)算機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種側(cè)掃聲納測量船舶噸位的系統(tǒng)，其包括設(shè)于測量水域岸邊兩側(cè)的各兩個(gè)光電傳感器、設(shè)于水下航道壁的一側(cè)的拖魚、與各光電傳感器和拖魚相連的計(jì)算機(jī)。當(dāng)光電傳感器探測到有船舶經(jīng)過時(shí)啟動(dòng)拖魚工作，對測量水域進(jìn)行掃側(cè)，以獲得船舶水下部分的水聲圖像；同時(shí)測出船體的長度；計(jì)算機(jī)得出測量區(qū)域的水聲圖像，再對其進(jìn)行圖像處理提取出被測船舶的聲遮擋陰影，并根據(jù)投影關(guān)系結(jié)合測量環(huán)境參數(shù)獲得船體的吃水深度和水線下船體寬度；根據(jù)船體長度、吃水深度、水線下船體寬度、以及船載證書所標(biāo)的該船舶的方模系數(shù)，計(jì)算出該船舶的總噸位；總噸位與船載證書所標(biāo)的該船舶的凈噸位之差即為該船舶的實(shí)載噸位。
文檔編號(hào)G01S15/89GK202175176SQ201120092660
公開日2012年3月28日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者莊燕濱, 朱宇光, 范新南, 鄔佳偉 申請人:常州工學(xué)院