一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法

1.一种侧扫式船舶吃水检测系统，其特征在于：包括超声波发射阵列(2)、超声波接收阵列(3)、分时控制模块(1)、竖直测距模块(9)、水平测距模块(4)、吃水检测处理单元(5)和显示报警模块(10)，所述的分时控制模块(1)通过数据线与超声波发射阵列(2)连接，所述的超声波接收阵列(3)、竖直测距模块(9)、水平测距模块(4)和显示报警模块(10)分别通过数据线与吃水检测处理单元(5)连接；
所述的超声波发射阵列(2)由多个安装成一纵列的超声波发射传感器构成，所述的超声波接收阵列(3)由多个安装成一纵列的超声波接收传感器构成，所述的分时控制模块(1)安装在超声波发射阵列(2)的一侧，具有每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列(2)中并控制相应的超声波发射传感器工作的功能；所述的竖直测距模块(9)用于测量安装点距水面的距离；所述的水平测距模块(4)的水平测距点与超声波发射阵列(2)位于同一竖直线上，用于测量安装点距过往船舶的距离；所述的吃水检测处理单元(5)依据超声波接收阵列(3)的数据判断出船舶吃水量。
2.一种侧扫式船舶吃水检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、安装超声波发射阵列(2)和超声波接收阵列(3)；
将超声波发射阵列(2)安装在航道一侧的水下，并测量出竖直测距模块(9)安装点距水面的距离d0，通过已知的每个超声波发射传感器距竖直测距模块(9)安装点的距离{d1，d2，….，dn}，分别得出超声波发射传感器在水下距水面的距离{d1’，d2’，….，dn’}；在航道的另一侧水下与超声波发射阵列(2)相对应的位置安装超声波接收阵列(3)，使超声波接收阵列(3)接收到超声波发射阵列(2)的超声波；
B、分时控制模块(1)控制超声波发射阵列(2)工作；
在一个工作周期T内，分时控制模块(1)每隔一定的时间间隔t发送控制命令到超声波发射阵列(2)中，使超声波发射阵列(2)中的超声波发射传感器从上到下依次分时工作；
C、采集超声波接收阵列(3)信号；
无船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列(3)测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D1，D2,….,Dn}；有船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列(3)测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D1’，D2’,….,Dn’}；
D、水平测距模块(4)测量水平距离；
水平测距模块(4)测得超声波发射阵列(2)距船体的距离L；
E、吃水检测处理单元(5)处理数据；
通过船舶自动识别系统的信息得到船底吃水部位宽度为W1，且已知超声波发射阵列(2)与超声波接收阵列(3)之间的水平距离为L1，船底最低点到被遮挡的超声波发射传感器Ax的中心线距离为H，船舶驶过时，根据分时发射的超声波发射传感器对应的超声波发射传感器的有效圆的直径{D1’，D2’,….,Dn’}与无船舶驶过时有效圆的直径{D1，D2,….,Dn}进行对比；其中超声波发射传感器{A1，A2，….，Ax-1}发射时，因船舶遮挡超声波接收阵列(3)不会接收到超声波信号；超声波发射传感器Ax发射时，超声波接收阵列(3)接收到有效超声波信号，对应的有效圆的范围直径Dx’与Dx相比会缩小，说明船舶吃水值在Ax附近；
F、计算船舶吃水量；
若DX’>DX/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器Ax超声波中心线之上，设超声波发射传感器Ax的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器Ax的中心点为对应超声波发射传感器Ax的超声波中心线(8)；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器Ax的超声波中心线(8)作垂线的交点为c，超声波发射传感器Ax的超声波中心线(8)与超声波接收阵列(3)的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列(3)接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器Ax的超声波中心线(8)的竖直距离为H；e、f两点之间距离为YX＝DX’-DX/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：
得出此时船舶的吃水量为dx’-H；
若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；
若DX’得出此时船舶的吃水量为dx’+H；
若超声波发射传感器AX+1测得的吃水量与Ax测得的吃水量相差超过吃水检测处理单元(5)的误差最大值，则说明被测船舶船底较为平缓有多个低点，并定义该船舶为船底较平缓船舶(7)，转至步骤G进一步计算出船舶吃水量；若根据超声波发射传感器AX+1测得的吃水量与超声波发射传感器Ax测得的吃水量不超过吃水检测处理单元(5)的误差最大值，则定义该船舶为船底突出船舶(6)，取Ax+1与Ax测得的吃水量平均值作为船舶的准确的吃水量；转步骤H；
G、若DX’>DX/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器Ax的超声波中心线(8)之上，则有公式：
得出此时船舶的吃水量为dx’-H；
若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；
若DX’得出此时船舶的吃水量为dx’+H；
H、报警显示
吃水检测处理单元(5)根据船舶吃水量，判断船舶吃水量是否超限，如果超限则通过显示报警模块(10)报警并报告船舶的吃水量。

一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种船舶吃水量的检测的方法，特别是一种侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法。\n背景技术\n[0002] 目前内河航运运量逐年增加，船舶的吃水超限对航运安全的威胁日益严重，为保证航道安全，必须进行船舶吃水量测量。现有的船舶的吃水检测技术为将单列超声波传感器安装在检测门上，通过测量传感器阵列距船舶底部的距离得到吃水深度。这种形式具有以下缺点:\n[0003] 1、检测结构架安装在航道中，安装难度大；\n[0004] 2、不能适应水位变化，在枯水期时无法使用。\n发明内容\n[0005] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种安装简单、可消除不同船底形状带来的测量误差、且可以适应水位变化的侧扫式船舶吃水检测系统及其检测方法。\n[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：\n[0007] 一种侧扫式船舶吃水检测系统，包括超声波发射阵列、超声波接收阵列、分时控制模块、竖直测距模块、水平测距模块、吃水检测处理单元和显示报警模块，所述的分时控制模块通过数据线与超声波发射阵列连接，所述的超声波接收阵列、竖直测距模块、水平测距模块和显示报警模块分别通过数据线与吃水检测处理单元连接；\n[0008] 所述的超声波发射阵列由多个安装成一纵列的超声波发射传感器构成，所述的超声波接收阵列由多个安装成一纵列的超声波接收传感器构成，所述的分时控制模块安装在超声波发射阵列的一侧，具有每隔一段时间发出一个控制命令到超声波发射阵列中并控制相应的超声波发射传感器工作的功能；所述的竖直测距模块用于测量安装点距水面的距离；所述的水平测距模块的水平测距点与超声波发射阵列位于同一竖直线上，用于测量安装点距过往船舶的距离；所述的吃水检测处理单元依据超声波接收阵列的数据判断出船舶吃水量。\n[0009] 一种侧扫式船舶吃水检测系统的检测方法，包括如下步骤：\n[0010] A、安装超声波发射阵列和超声波接收阵列；\n[0011] 将超声波发射阵列安装在航道一侧的水下，并测量出竖直测距模块安装点距水面的距离d0，通过已知的每个超声波发射传感器距竖直测距模块安装点的距离{d1，d2，….，dn}，通过分别得出超声波发射传感器在水下距水面的距离{d1’，d2’，….，dn’}。在航道的另一侧水下与超声波发射阵列相对应的位置安装超声波接收阵列，使超声波接收阵列接收到超声波发射阵列的超声波。\n[0012] B、分时控制模块控制超声波发射阵列工作；\n[0013] 在一个工作周期T内，分时控制模块每隔一定的时间间隔t发送控制命令到超声波发射阵列中，使超声波发射阵列中的超声波发射传感器从上到下依次分时工作。\n[0014] C、采集超声波接收阵列信号；\n[0015] 无船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D1，D2,….,Dn}；有船舶驶过时，在周期时间T内超声波接收阵列测量出n个超声波发射传感器的有效圆的直径{D1’，D2’,….,Dn’}。\n[0016] D、水平测距模块测量水平距离；\n[0017] 水平测距模块测得超声波发射阵列距船体的距离L。\n[0018] E、吃水检测处理单元处理数据；\n[0019] 通过船舶自动识别系统的信息得到船底吃水部位宽度为W，且已知超声波发射阵列与超声波接收阵列之间的水平距离为L1，船底最低点到被遮挡的超声波发射传感器Ax的中心线距离为H，船舶驶过时，根据分时发射的超声波发射传感器对应的超声波发射传感器的有效圆的直径{D1’，D2’,….,Dn’}与无船舶驶过时有效圆的直径{D1，D2,….,Dn}进行对比。其中超声波发射传感器{A1，A2，….，Ax-1}发射时，因船舶遮挡超声波接收阵列不会接收到超声波信号；超声波发射传感器Ax发射时，超声波接收阵列接收到有效超声波信号，对应的有效圆的范围直径Dx’与Dx相比会缩小，说明船舶吃水值在Ax附近。\n[0020] F、计算船舶吃水量；\n[0021] 若DX’>DX/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器Ax超声波中心线之上，设超声波发射传感器Ax的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器Ax的中心点为对应超声波发射传感器Ax的超声波中心线；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器Ax的超声波中心线作垂线的交点为c，超声波发射传感器Ax的超声波中心线与超声波接收阵列的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器Ax的超声波中心线的竖直距离为H。e、f两点之间距离为YX＝DX’-DX/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：\n[0022]\n[0023] 得出此时船舶的吃水量为dx’-H；\n[0024] 若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；\n[0025] 若DX’DX/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器Ax的超声波中心线之上，则有公式：\n[0030]\n[0031] 得出此时船舶的吃水量为dx’-H；\n[0032] 若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；\n[0033] 若DX’DX/2，则船舶的吃水位置在超声波发射传感器Ax超声波中心线之上，设超声波发射传感器Ax的超声波发射点为a，并规定水平线过超声波传感器Ax的中心点为对应超声波发射传感器Ax的超声波中心线8；设船底点为b，由b点向超声波发射传感器Ax的超声波中心线8作垂线的交点为c，超声波发射传感器Ax的超声波中心线8与超声波接收阵列3的交点为f，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收阵列3接收信号的有效上限点为e，船底到超声波发射传感器Ax的超声波中心线8的竖直距离为H。e、f两点之间距离为YX＝DX’-DX/2；在点a、b、c组成的三角形Δabc和点a、e、f组成的三角形Δaef相似，依据相似三角形边长成比例，则有公式：\n[0064]\n[0065] 得出此时船舶的吃水量为dx’-H；\n[0066] 若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；\n[0067] 若DX’DX/2，则船舶的吃水量在超声波发射传感器Ax的超声波中心线8之上，则有公式：\n[0072]\n[0073] 得出此时船舶的吃 水量为dx’-H；\n[0074] 若DX’＝DX/2，得出此时的船舶的吃水量为dx’；\n[0075] 若DX’