基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置。包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機和后臺主控系統(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；聲納信號處理機對各個換能器進行順序采集、信號放大、濾波、模數轉換和DSP處理，將整理而成的數字信號通過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進行連接；后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機和供電單元；主控計算機上運行上位機軟件系統(tǒng)。本實用新型裝置具有投資小、安裝及維護簡單，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船舶吃水深度自動檢測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置?！颈尘凹夹g】
[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?！俺运笔悄壳按l運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，重則可能導致船閘損壞，給大壩建筑造成嚴重的安全威脅。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，影響正常通航調度工作的開展。
[0003]本項目針對上述問題，本實用新型 申請人:于2012年開展了船舶吃水實時檢測技術的研究，結合多波束超聲波檢測技術和DSP數據處理技術，分別在大壩上、下游采用“多波束側掃聲納檢測”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行掃描，并將掃描數據經DSP數據處理和后臺計算，獲得船只最大吃水深度數據，為船舶通航調度管理提供科學依據，達到“事前預防、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]本裝置是位于大壩下游側，基于“陣列式單波束聲納掃描”技術的自動檢測平臺。
【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種安裝及維護簡單，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船舶吃水深度自動檢測裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案是:一種基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，其特征在于:包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機和后臺王控系統(tǒng)；
[0007]所述單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構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；
[0008]所述聲納信號處理機對各個換能器進行順序采集、信號放大、濾波、模數轉換和DSP處理，將整理而成的數字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)；
[0009]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進行連接；
[0010]所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機和供電單元；所述供電單元為整個裝置提供電源。
[0011]在本實用新型實施例中，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邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
[0012]在本實用新型實施例中，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，用作實時水溫的數據的獲取。[0013]在本實用新型實施例中，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。
[0014]在本實用新型實施例中，所述聲納信號處理機包括依次連接的收發(fā)轉換開關模塊、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、模數轉換模塊、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絡模塊；所述阻抗匹配網絡模塊連接至收發(fā)轉換開關模塊；所述數字信號處理模塊的收發(fā)轉換開關模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機。
[0015]在本實用新型實施例中，所述聲納信號處理機對于每個換能器采集的超聲波回波到達時間，均整理成$CxxRxxxx數字信號格式，并通過串口協(xié)議傳送給后臺主控系統(tǒng)，其中的Cxx表示的事?lián)Q能器的通道號，Rxxxx表示回波的傳播時間。
[0016]在本實用新型實施例中，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，采用串口轉以太網的方式讓聲納信號處理機輸出的信號接入水電廠的局域網中，通過網絡與后臺主控系統(tǒng)相連。
[0017]在本實用新型實施例中，所述主控計算機連接有音箱，用于超吃水警告發(fā)聲報警。
[0018]相較于現(xiàn)有技術，本實用新型具有以下有益效果:
[0019]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；
[0020]2、測量測量精度高，誤差≤3cm ；
[0021]3、事前預控能力強，真正達到防止超載船入閘的目的；
[0022]4、結構簡單，總體投資小，運維成本低，極大地降低施工和維護難度；
[0023]5、總體安全性高，大大降低了設備被船只撞擊、損壞的概率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是單波束聲納工作原理示意圖。
[0025]圖2是本實用新型裝置整體構成示意圖。
[0026]圖3是本實用新型水下單波束聲納基元陣列示意圖。
[0027]圖4是本實用新型聲納信號處理機電路圖。
[0028]圖5是本實用新型上位機軟件系統(tǒng)軟件流程圖。
[0029]圖6是本實用新型上位機軟件系統(tǒng)數據處理框圖。
[0030]圖7是本實用新型上位機軟件系統(tǒng)軟件界面。
[0031]圖8是本實用新型系統(tǒng)傳輸網絡圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖，對本實用新型的技術方案進行具體說明。
[0033]如圖2所示，本實用新型的一種基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機和后臺主控系統(tǒng)；
[0034]所述單波束聲納基元陣列安裝在引航道橫截面上，構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；[0035]所述聲納信號處理機對各個換能器進行順序采集、信號放大、濾波、模數轉換和DSP處理，將整理而成的數字信號通過RS485協(xié)議傳輸給后臺主控系統(tǒng)；
[0036]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進行連接；
[0037]所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機和供電單元；所述供電單元為整個裝置提供電源。
[0038]在本實用新型實施例中，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邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
[0039]在本實用新型實施例中，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，用作實時水溫的數據的獲取。
[0040]在本實用新型實施例中，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。
[0041]在本實用新型實施例中，所述聲納信號處理機包括依次連接的收發(fā)轉換開關模塊、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、模數轉換模塊、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絡模塊；所述阻抗匹配網絡模塊連接至收發(fā)轉換開關模塊；所述數字信號處理模塊的收發(fā)轉換開關模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機。
[0042]在本實用新型實施例中，所述聲納信號處理機對于每個換能器采集的超聲波回波到達時間，均整理成$CxxRxxxx數字信號格式，并通過串口協(xié)議傳送給后臺主控系統(tǒng)，其中的Cxx表示的事?lián)Q能器的通道號，Rxxxx表示回波的傳播時間。
[0043]在本實用新型實施例中，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，采用串口轉以太網的方式讓聲納信號處理機輸出的信號接入水電廠的局域網中，通過網絡與后臺主控系統(tǒng)相連。
[0044]在本實用新型實施例中，所述主控計算機連接有音箱，用于超吃水警告發(fā)聲報警。
[0045]需要說明的是本實用新型保護的是基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置的硬件裝置，對于軟件處理方式以及具體工作原理的描述只是為了讓一般技術人員更方便的了解本實用新型裝置。
[0046]為方便本領域人員更好的理解本實用新型，以下為本實用新型的具體實施例。
[0047]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，當聲波遇到船底時被反射，其中有漫反射波傳回換能器，被換能器接收。
[0048]設船底到換能器的直達最短距離為H，則
[0049]L.= cT/2
[0050]上式中，其中L表示測量到的距離；c表示聲波在水里的傳播速度；T表示換能器從發(fā)射信號到接收到信號所用的時間。
[0051]由式(I)可得出影響測量精度的兩個主要因素:一是▽ t的測定準確性，實驗裝置采用工作頻率為350KHZ，帶寬為60KHz的換能器，并使用電平比較法測定回波到達時間，由于采用的換能器頻帶較寬，且在上位機的軟件設計中做一個固定的補償測量以減小固定誤差，本試驗中得到的Vt相對準確，另一個影響因素是聲速C，而聲波的傳播速度主要是受溫度的影響，下式是純水的聲速計算經驗公式:
【權利要求】
1.一種基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，其特征在于:包括單波束聲納基元陣列、聲納信號處理機和后臺主控系統(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對各個換能器進行順序采集、信號放大、濾波、模數轉換和DSP處理，將整理而成的數字信號通過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進行連接； 所述后臺主控系統(tǒng)包括主控計算機和供電單元；所述供電單元為整個系統(tǒng)提供電源。
2.根據權利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，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邊單獨換能器；所述換能器并聯(lián)連接。
3.根據權利要求2的基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，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，用作實時水溫的數據的獲取。
4.根據權利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，其特征在于:所述聲納信號處理機包括依次連接的收發(fā)轉換開關模塊、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、模數轉換模塊、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絡模塊；所述阻抗匹配網絡模塊連接至收發(fā)轉換開關模塊；所述數字信號處理模塊的收發(fā)轉換開關模塊連接至換能器組，所述RS485接口電路連接至主控計算機。
5.根據權利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，其特征在于:所述單波束聲納基元陣列的安裝地點、聲納信號處理機的安放位置和后臺主控系統(tǒng)分別處于不同地點，采用串口轉以太網的方式讓聲納信號處理機輸出的信號接入水電廠的局域網中，通過網絡與后臺主控系統(tǒng)相連。
6.根據權利要求1的基于單波束聲納陣列掃描技術船舶吃水深度自動檢測裝置，其特征在于:所述主控計算機還連接有音箱。
【文檔編號】B63B39/12GK203623941SQ201320836218
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】王靜怡, 黃其捷, 劉志強, 王昕 , 林凱, 陳晶晶, 任飛 申請人:國家電網公司, 國網福建省電力有限公司, 福建水口發(fā)電集團有限公司