基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)。包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機(jī)和后臺主控系統(tǒng)；單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構(gòu)成吃水深度檢測門裝置；單波束聲納基元陣列是一組單波束換能器的組合；聲納信號處理機(jī)對各個換能器進(jìn)行順序采集、信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和DSP處理，將整理而成的數(shù)字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)；單波束聲納基元陣列通過一水密電纜與置于岸邊的聲納信號處理機(jī)進(jìn)行連接；后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機(jī)和供電單元；主控計算機(jī)上運(yùn)行上位機(jī)軟件系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)具有投資小、安裝及維護(hù)簡單，測量過程簡捷高效、測量精度高的特點。
【專利說明】基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶“超吃水”，即船舶吃水深度超過船閘所允許的最大安全深度。“超吃水”是目前船閘運(yùn)行中面臨的最常見和最直接的安全威脅，輕則可能造成船舶擱淺，阻塞通航，重則可能導(dǎo)致船閘損壞，給大壩建筑造成嚴(yán)重的安全威脅。水電站在其通航管理過程中常因此類行為，遭遇過壩船只閘口擱淺事故，給船員、航道和壩體建筑安全帶來較大威脅，引起糾紛事件，影響正常通航調(diào)度工作的開展。
[0003]本項目針對上述問題，本發(fā)明 申請人:于2012年開展了船舶吃水實時檢測技術(shù)的研究，結(jié)合多波束超聲波檢測技術(shù)和DSP數(shù)據(jù)處理技術(shù)，分別在大壩上、下游采用“多波束側(cè)掃聲納檢測”和“陣列式單波束聲納檢測”兩種方法，對過往船只的水底形狀進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)經(jīng)DSP數(shù)據(jù)處理和后臺計算，獲得船只最大吃水深度數(shù)據(jù)，為船舶通航調(diào)度管理提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到“事前預(yù)防、事中控制”的目的。這對于保障航道通航安全具有重要的意義。
[0004]本系統(tǒng)是位于大壩下游側(cè)，基于“陣列式單波束聲納掃描”技術(shù)的自動檢測平臺。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種安裝及維護(hù)簡單，測量過程簡捷高效、測量精度高的基于單波束聲納陣列掃 描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機(jī)和后臺主控系統(tǒng)；
所述單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構(gòu)成吃水深度檢測門裝置；所述單波束聲納基元陣列是一組單波束換能器的組合；
所述聲納信號處理機(jī)對各個換能器進(jìn)行順序采集、信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和DSP處理，將整理而成的數(shù)字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)；
所述單波束聲納基元陣列通過一水密電纜與置于岸邊的聲納信號處理機(jī)進(jìn)行連接；所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機(jī)和供電單元；所述主控計算機(jī)上運(yùn)行上位機(jī)軟件系統(tǒng)；所述供電單元為整個系統(tǒng)提供電源。
[0007]在本發(fā)明實施例中，所述一組單波束換能器包括安裝在固定水深處的線陣聲納換能器組和安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
[0008]在本發(fā)明實施例中，所述線陣聲納換能器組安裝方式為:每隔0.5米布放一個換能器，作為垂直方向的測距基元；所述安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器，其信號收發(fā)的軌跡與引航道的實際寬度直線平行，用作實時水溫的數(shù)據(jù)的獲取。
[0009]在本發(fā)明實施例中，所述一組單波束換能器安裝的深度是待測船只最大吃水深度加上最大水位變化。
[0010]在本發(fā)明實施例中，所述聲納信號處理機(jī)包括依次連接的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、前置放大模塊、帶通濾波模塊、二級放大模塊、抗混疊濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、RS485接口電路、DSP信號處理模塊、FPGA控制模塊、波形發(fā)生器模塊、功率放大器模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊；所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接至收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊；所述數(shù)字信號處理模塊的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機(jī)。
[0011]在本發(fā)明實施例中，所述上位機(jī)軟件系統(tǒng)分為兩部分，一是給聲納信號處理機(jī)發(fā)送信號采集命令并接收聲納信號處理機(jī)返回的回波到達(dá)時間數(shù)據(jù)，通過一定的算法進(jìn)行計算、校正并進(jìn)行結(jié)果顯示；二是對測量過程的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行記錄和回放顯示。
[0012]在本發(fā)明實施例中，所述聲納信號處理機(jī)對于每個換能器采集的超聲波回波到達(dá)時間，均整理成$CxxRxxxx數(shù)字信號格式，并通過串口協(xié)議傳送給后臺主控系統(tǒng)，其中的Cxx表示換能器的通道號，Rxxxx表示回波的傳播時間。
[0013]在本發(fā)明實施例中，所述單波束聲納基元陣列的安裝地點、聲納信號處理機(jī)的安放位置和后臺主控系統(tǒng)分別處于不同地點，由于串口的傳輸距離有限，采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式讓聲納信號處理機(jī)輸出的信號接入水電廠的局域網(wǎng)中，通過網(wǎng)絡(luò)與后臺主控系統(tǒng)相連。
[0014]在本發(fā)明實施例中，所述主控計算機(jī)連接有音箱，所述主控計算機(jī)運(yùn)行的上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)定有超吃水警告功能，當(dāng)被測船只超出警戒吃水線時，軟件會發(fā)出聲光報警。
[0015]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
1、測量過程簡捷高效、同時滿足“離船”、“快速”、“自動”、“不停船“、“單邊檢測”等條
件;
2、測量測量精度高，誤差<3cm ；
3、事前預(yù)控能力強(qiáng)，真正達(dá)到防止超載船入閘的目的；
4、結(jié)構(gòu)簡單，總體投資小，運(yùn)維成本低，極大地降低施工和維護(hù)難度；
5、總體安全性高，大大降低了設(shè)備被船只撞擊、損壞的概率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是單波束聲納工作原理示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明系統(tǒng)整體構(gòu)成示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明水下單波束聲納基元陣列示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明聲納彳目號處理機(jī)電路圖。
[0020]圖5是本發(fā)明上位機(jī)軟件系統(tǒng)軟件流程圖。
[0021]圖6是本發(fā)明上位機(jī)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理框圖。
[0022]圖7是本發(fā)明上位機(jī)軟件系統(tǒng)軟件界面。
[0023]圖8是本發(fā)明系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明的一種基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機(jī)和后臺主控系統(tǒng)；
所述單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構(gòu)成吃水深度檢測門裝置；所述單波束聲納基元陣列是一組單波束換能器的組合；
所述聲納信號處理機(jī)對各個換能器進(jìn)行順序采集、信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和DSP處理，將整理而成的數(shù)字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)；
所述單波束聲納基元陣列通過一水密電纜與置于岸邊的聲納信號處理機(jī)進(jìn)行連接；所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機(jī)和供電單元；所述主控計算機(jī)上運(yùn)行上位機(jī)軟件系統(tǒng)；所述供電單元為整個系統(tǒng)提供電源。
[0026]在本發(fā)明實施例中，所述一組單波束換能器包括安裝在固定水深處的線陣聲納換能器組和安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
[0027]在本發(fā)明實施例中，所述線陣聲納換能器組安裝方式為:每隔0.5米布放一個換能器，作為垂直方向的測距基元；所述安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器，其信號收發(fā)的軌跡與引航道的實際寬度直線平行，用作實時水溫的數(shù)據(jù)的獲取。
[0028]在本發(fā)明實施例中，所述一組單波束換能器安裝的深度是待測船只最大吃水深度加上最大水位變化。
[0029]在本發(fā)明實施例中，所述聲納信號處理機(jī)包括依次連接的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、前置放大模塊、帶通濾波模塊、二級放大模塊、抗混疊濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、RS485接口電路、DSP信號處理模塊、FPGA控制模塊、波形發(fā)生器模塊、功率放大器模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊；所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接至收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊；所述數(shù)字信號處理模塊的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機(jī)。
[0030]在本發(fā)明實施例中，所述上位機(jī)軟件系統(tǒng)分為兩部分，一是給聲納信號處理機(jī)發(fā)送信號采集命令并接收聲納信號處理機(jī)返回的回波到達(dá)時間數(shù)據(jù)，通過一定的算法進(jìn)行計算、校正并進(jìn)行結(jié)果顯示；二是對測量過程的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行記錄和回放顯示。
[0031]在本發(fā)明實施例中，所述聲納信號處理機(jī)對于每個換能器采集的超聲波回波到達(dá)時間，均整理成$CxxRxxxx數(shù)字信號格式，并通過串口協(xié)議傳送給后臺主控系統(tǒng)，其中的Cxx表示換能器的通道號，Rxxxx表示回波的傳播時間。
[0032]在本發(fā)明實施例中，所述單波束聲納基元陣列的安裝地點、聲納信號處理機(jī)的安放位置和后臺主控系統(tǒng)分別處于不同地點，由于串口的傳輸距離有限，采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式讓聲納信號處理機(jī)輸出的信號接入水電廠的局域網(wǎng)中，通過網(wǎng)絡(luò)與后臺主控系統(tǒng)相連。
[0033]在本發(fā)明實施例中，所述主控計算機(jī)連接有音箱，所述主控計算機(jī)運(yùn)行的上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)定有超吃水警告功能，當(dāng)被測船只超出警戒吃水線時，軟件會發(fā)出聲光報警。
[0034]為方便本領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明，以下為本發(fā)明的具體實施例。
[0035]圖1給出了單個聲納的工作原理:聲納換能器向垂直于水平面方向發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到船底時被反射，其中有漫反射波傳回?fù)Q能器，被換能器接收。
[0036]設(shè)船底到換能器的直達(dá)最短距離為H，則
【權(quán)利要求】
1.一種基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機(jī)和后臺主控系統(tǒng)； 所述單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構(gòu)成吃水深度檢測門裝置；所述單波束聲納基元陣列是一組單波束換能器的組合； 所述聲納信號處理機(jī)對各個換能器進(jìn)行順序采集、信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和DSP處理，將整理而成的數(shù)字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)； 所述單波束聲納基元陣列通過一水密電纜與置于岸邊的聲納信號處理機(jī)進(jìn)行連接； 所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機(jī)和供電單元；所述主控計算機(jī)上運(yùn)行上位機(jī)軟件系統(tǒng)；所述供電單元為整個系統(tǒng)提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述一組單波束換能器包括安裝在固定水深處的線陣聲納換能器組和安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述線陣聲納換能器組安裝方式為:每隔0.5米布放一個換能器，作為垂直方向的測距基元；所述安裝在同樣深度的引航道側(cè)邊單獨換能器，其信號收發(fā)的軌跡與引航道的實際寬度直線平行，用作實時水溫的數(shù)據(jù)的獲取。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述一組單波束換能器安裝的深度是待測船只最大吃水深度加上最大水位變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述聲納信號處理機(jī)包括依次連接的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、前置放大模塊、帶通濾波模塊、二級放大模塊、抗混疊濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、RS485接口電路、DSP信號處理模塊、FPGA控制模塊、波形發(fā)生器模塊、功率放大器模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊；所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接至收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊；所述數(shù)字信號處理模塊的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機(jī)軟件系統(tǒng)分為兩部分，一是給聲納信號處理機(jī)發(fā)送信號采集命令并接收聲納信號處理機(jī)返回的回波到達(dá)時間數(shù)據(jù)，通過一定的算法進(jìn)行計算、校正并進(jìn)行結(jié)果顯示；二是對測量過程的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行記錄和回放顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求7的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述聲納信號處理機(jī)對于每個換能器采集的超聲波回波到達(dá)時間，均整理成SCxxRxxxx數(shù)字信號格式，并通過串口協(xié)議傳送給后臺主控系統(tǒng)，其中的Cxx表示換能器的通道號，Rxxxx表示回波的傳播時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述單波束聲納基元陣列的安裝地點、聲納信號處理機(jī)的安放位置和后臺主控系統(tǒng)分別處于不同地點，由于串口的傳輸距離有限，采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式讓聲納信號處理機(jī)輸出的信號接入水電廠的局域網(wǎng)中，通過網(wǎng)絡(luò)與后臺主控系統(tǒng)相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術(shù)船舶吃水深度自動檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述主控計算機(jī)還連接有音箱，所述主控計算機(jī)運(yùn)行的上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)定有超吃水警告功能，當(dāng)被測船只超出警戒吃水線時，軟件會發(fā)出聲光報警。
【文檔編號】B63B39/12GK103661836SQ201310695918
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】王靜怡, 黃其捷, 劉志強(qiáng), 王昕 , 林凱, 陳晶晶, 任飛 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司