一種船舶吃水檢測系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船舶吃水檢測系統(tǒng)及其工作方法，所述的系統(tǒng)包括單波束超聲波傳感器陣列、檢測門、水上基準(zhǔn)面測量裝置、溫度測量裝置、聲速標(biāo)定裝置和吃水檢測處理單元。所述的聲速標(biāo)定裝置包括長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置，分別安裝在檢測門的兩側(cè)，通過長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置來反射檢測門兩側(cè)的一個或多個單波束超聲波傳感器發(fā)射的超聲波。由于本發(fā)明將水下檢測門安裝深度的測量轉(zhuǎn)換為水上距離測量，同時縮短測量距離，可以大幅度的提高精度，減小誤差。本發(fā)明使用溫度測量裝置測量超聲波傳感器陣列的溫度，并對使用的平均聲速值進(jìn)行修正。提高了現(xiàn)場使用的聲速值的準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種船舶吃水檢測系統(tǒng)及其工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶吃水檢測、船舶運(yùn)量檢測、船舶安全檢測等【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種船舶吃水檢測系統(tǒng)及其工作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的內(nèi)河航運(yùn)量逐年增加，航道中船舶數(shù)量和密度均大幅提高，船舶吃水超限對航運(yùn)安全的威脅日益嚴(yán)重，為了保證航道安全和通航效率，必須進(jìn)行船舶吃水量測量。
[0003]現(xiàn)有船舶吃水檢測系統(tǒng)是將單波束超聲波傳感器陣列固定在檢測門上，檢測門的兩端用纜繩懸掛在作為浮體的船體或固定在橋架、或沉放在水底上。通過在水下向水面發(fā)射超聲波和接收超聲波來得出超聲波的飛行時間乘以聲速得出檢測門到水面的距離，即檢測門安裝深度。使用的聲速是固定的聲速值或依據(jù)現(xiàn)場溫度通過查表法得出聲速值。當(dāng)有船只通過時，船底反射超聲波，可以得出檢測門到船舶的距離。吃水深度是水面到檢測門的距離與檢測門到船舶的距離做差得到。
[0004]該系統(tǒng)目前存在的問題如下:
[0005]1、檢測門的安裝深度測量誤差大。
[0006]2、使用的聲速值與實(shí)際的值相差較大。因傳感器處于淺水區(qū)變溫層，不同深度溫度不同。傳感器測量的是淺水區(qū)變溫層距離，溫度不是單一值，造成測量誤差大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種可提高測量精度的船舶吃水檢測系統(tǒng)及其工作方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種船舶吃水檢測系統(tǒng)，包括單波束超聲波傳感器陣列、檢測門、水上基準(zhǔn)面測量裝置、溫度測量裝置、聲速標(biāo)定裝置和吃水檢測處理單元。所述的單波束超聲波傳感器陣列由多個單波束超聲波傳感器組成，所述的單波束超聲波傳感器安裝在檢測門上，檢測門兩端用纜繩固定在水下，并在纜繩水面以上部分設(shè)置標(biāo)識點(diǎn)。所述的聲速標(biāo)定裝置包括已知遮擋距離的遮擋裝置，所述的遮擋裝置包括長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置，分別安裝在檢測門的兩側(cè)，通過長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置來反射檢測門兩側(cè)的一個或多個單波束超聲波傳感器發(fā)射的超聲波。所述的吃水檢測處理單元包括補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊和吃水檢測處理模塊，所述的補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊用來構(gòu)建和存儲聲速表，所述的吃水檢測處理模塊計(jì)算得出船舶吃水量。所述的溫度測量裝置安裝在每一個單波束超聲波傳感器附近并將測量的溫度值輸入到補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊。所述的水上基準(zhǔn)面測量裝置安裝在纜繩標(biāo)識點(diǎn)處。
[0010]一種船舶吃水檢測系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟:
[0011]A、檢測門安裝深度測量
[0012]通過測距儀測得水上基準(zhǔn)面測量裝置測得標(biāo)識點(diǎn)距水面的距離h2，由于標(biāo)識點(diǎn)距檢測門的距離h已知，故通過以下公式計(jì)算檢測門在水下深度h3:
[0013]h3 = Ii1-1i2
[0014]B、聲速標(biāo)定
[0015]聲速標(biāo)定裝置通過遮擋裝置已知的超聲波的傳播距離d和單波束超聲波傳感器測得的飛行時間t，通過以下公式計(jì)算得出實(shí)時聲速值。
[0016]V = d\t
[0017]C、預(yù)先測得聲速表
[0018]工作前，用聲速標(biāo)定裝置預(yù)先構(gòu)建檢測門安裝位置在渾水、略渾水、清水不同水質(zhì)情況的聲速與溫度關(guān)系表。在一定范圍內(nèi)，聲速Vt和溫度T滿足Vt = VfK(T-Ttl)的關(guān)系。
[0019]D、修訂預(yù)先測得聲速表
[0020]工作時，用聲速標(biāo)定裝置實(shí)時計(jì)算聲速-溫度修訂值。用聲速標(biāo)定裝置中的長距離遮擋超聲波裝置標(biāo)定一個長距離Cl1的平均聲速V1值，用聲速標(biāo)定裝置中的短距離遮擋超聲波裝置標(biāo)定一個短距離d2的平均聲速V2值。聲速標(biāo)定裝置精確測得超聲波的飛行時間和聲速標(biāo)定裝置遮擋的單波束超聲波傳感器附近的溫度測量裝置測量的溫度值，根據(jù)已知聲速標(biāo)定裝置測量距離，計(jì)算聲速標(biāo)定裝置所處位置平均聲速。采用聲速標(biāo)定裝置中的長距離遮擋超聲波裝置和聲速標(biāo)定裝置中的短距離遮擋超聲波裝置測出吃水檢測門不同測量距離和不同溫度條件的平均聲速。具體修訂步驟如下:
[0021]當(dāng)船舶的吃水量在聲速標(biāo)定裝置的長距離遮擋面的上表面以上或附近的船舶，轉(zhuǎn)步驟Dl ;當(dāng)船舶的吃水量在聲速標(biāo)定裝置的短距離遮擋面的上表面以下或附近的船舶，轉(zhuǎn)步驟D2 ;當(dāng)船舶吃水位置在聲速標(biāo)定的長距離遮擋面和短距離遮擋面之間船舶，轉(zhuǎn)步驟D3 ；
[0022]D1、使用聲速標(biāo)定裝置中的長距離遮擋面的聲速值V1和溫度值T1修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的Vtl和Ttl值。轉(zhuǎn)步驟E;
[0023]D2、使用聲速標(biāo)定裝置中的短距離遮擋面的聲速值^和溫度值T2修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的Vtl和Ttl值。轉(zhuǎn)步驟E;
[0024]D3、使用聲速標(biāo)定裝置的長距離Cl1和短距離d2組合修訂法。通過公式:
[0025]V = 2* [ (t_t2) * (d「d2) / (t「t2) +d2] /1
[0026]計(jì)算出平均聲速V5和測得的溫度T5修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的Vtl和Ttl值。
[0027]E、查詢聲速值
[0028]通過檢測門上的溫度測量裝置，將實(shí)測的溫度值輸入補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊查詢聲速表得出聲速值。
[0029]F、計(jì)算吃水檢測結(jié)果
[0030]吃水檢測處理單元根據(jù)單波束超聲波傳感器測得的飛行時間和步驟E中修訂后的準(zhǔn)確聲速值的乘積得出檢測門到船舶的距離h4。檢測門的深度h3與檢測門到船舶的距離h4的差為船舶的吃水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0032]1、由于本發(fā)明將水下檢測門安裝深度的測量轉(zhuǎn)換為水上距離測量，同時縮短測量距離，可以大幅度的提高精度，減小誤差。與安裝在水下的測量裝置相比，水上基準(zhǔn)面測量裝置安裝在水上標(biāo)識點(diǎn)處，更利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性，易于安裝調(diào)試。
[0033]2、由于本發(fā)明在檢測門上安裝聲速標(biāo)定裝置，測得實(shí)際平均聲速并對預(yù)先構(gòu)造的聲速值進(jìn)行修改，消除了因現(xiàn)場水質(zhì)和溫度變化帶來的影響。使用溫度測量裝置測量超聲波傳感器陣列的溫度，并對使用的平均聲速值進(jìn)行修正。提高了現(xiàn)場使用的聲速值的準(zhǔn)確性。
[0034]3、由于本發(fā)明使用聲速標(biāo)定裝置根據(jù)不同的吃水量來選擇不同距離的平均聲速，實(shí)時修訂預(yù)先構(gòu)建的聲速表的方法，進(jìn)一步提高了現(xiàn)象使用的聲速值的準(zhǔn)確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]本發(fā)明共有附圖5張，其中:
[0036]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明的原理框圖。
[0038]圖3為水上基準(zhǔn)面測量原理示意圖。
[0039]圖4為聲速標(biāo)定裝置安裝示意圖。
[0040]圖中:1、浮體或固定裝置，2、卷揚(yáng)裝置，3、水上基準(zhǔn)面測量裝置，4、纜繩，5、檢測門，6、單波束超聲波傳感器陣列，7、聲速標(biāo)定裝置，8、溫度測量裝置，9、吃水檢測處理單元。

【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
[0042]如圖1所示，一種高精度吃水檢測系統(tǒng)，包括水上基準(zhǔn)面測量裝置3、單波束超聲波傳感器陣列6、聲速標(biāo)定裝置7、溫度測量裝置8和吃水檢測處理單元9。檢測門5通過纜繩4安裝在浮體或固定裝置I上，單波束超聲波傳感器陣列6安裝在檢測門5上，聲速標(biāo)定裝置7安裝在檢測門5的兩端，檢測門5的兩端通過纜繩4由兩個卷揚(yáng)裝置2懸吊在水下預(yù)設(shè)深度為H的位置，在兩個標(biāo)識點(diǎn)上安裝水上基準(zhǔn)面測量裝置3，若一側(cè)一條纜繩4懸掛可安裝一臺水上基準(zhǔn)面測量裝置；若懸掛多條纜繩4且間距較大，可安裝多臺水上基準(zhǔn)面測量裝置。本發(fā)明各模塊之間的相互聯(lián)系如圖2所示。
[0043]本發(fā)明的具體操作步驟如下:
[0044]S1、如圖3所示，水上基準(zhǔn)面測量裝置3測得標(biāo)識點(diǎn)距水面的距離h2，并已知標(biāo)識點(diǎn)距檢測門5的距離Ill (安裝前已準(zhǔn)確測出)。通過公式:
[0045]h3 = Ii1-1i2
[0046]計(jì)算得出檢測門5在水下深度h3。
[0047]S2、工作前用聲速標(biāo)定裝置7預(yù)先構(gòu)建檢測門5安裝位置在渾水、略渾水、清水不同水質(zhì)情況的聲速與溫度關(guān)系表，在一定范圍內(nèi)，聲速Vt和溫度T滿足Vt = V0+K (T-T0)的關(guān)系。
[0048]S3、工作中，如圖4所示，聲速標(biāo)定裝置7測得已知單波束超聲波傳感器距聲速標(biāo)定裝置7遮擋面的距離(Ipdyd3和山對應(yīng)的超聲波飛行時間I^tyt3和t4,通過速度計(jì)算公式得出，在現(xiàn)場水質(zhì)中超聲波從檢測門5到聲速標(biāo)定裝置7的平均聲速分別為Vl、V2, V3和V4。
[0049]S4、當(dāng)有船只駛過反射單波束超聲波傳感器發(fā)射的超聲波時，超聲波經(jīng)過船底反射回到單波束超聲波傳感器，可以測得超聲波的飛行時間t。檢測門5上布置的溫度測量裝置8測得現(xiàn)場的溫度，通過查詢預(yù)先構(gòu)建的聲速-溫度表得出聲速值。通過聲速和飛行時間可以計(jì)算出檢測門5大概的最大吃水量h。補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊9根據(jù)初步測量的最大吃水深度h進(jìn)行聲速修訂，得出更準(zhǔn)確的聲速值進(jìn)而得出測量點(diǎn)更加準(zhǔn)確的吃水值。如圖4中的船A吃水測量點(diǎn)位置在聲速標(biāo)定裝置7以上的船舶使用聲速標(biāo)定中的V1和V4進(jìn)行修訂；船C吃水測量點(diǎn)位置在聲速標(biāo)定裝置7以下的船舶使用聲速標(biāo)定中的V2和V3進(jìn)行修訂；船B吃水測量點(diǎn)位置在聲速標(biāo)定裝置7之間的船舶，使用分段組合修正，即:
[0050]V5 = 2* [ (t_t2) * (d「d2) / (t「t2) +d2] /1[0051 ] V6 = 2* [ (t-t3) * (d4-d3) / (t4-t3) +d3] /1
[0052]修訂方法為:將每次測量的檢測門5兩端的速度和溫度取平均值，修訂原查詢表中的計(jì)算公式:
[0053]Vt = V0+K (T-T0)
[0054]中的Vtl值，也可采用其它相似的修訂方法。
[0055]S5、檢測門5上的溫度測量裝置8測出溫度{Τ3，Τ4^..ΤΝ_2}后，使用修訂后的聲速表中溫度值{T3，T4，…ΤΝ_2}對應(yīng)的聲速值{V' 3，ν' 4，...ν' Ν_2}。
[0056]S6、吃水檢測處理單元10將步驟S5中的聲速值{V' 3’Ψ 4’…Ψ Ν_2}和飛行時間值{t3，t4,...tN_2}通過下面公式，得出檢測門5測量點(diǎn)到船舶的距離{G3，G4,...Gn_2}。
[0057]G = V*t
[0058]S7、使用步驟SI計(jì)算的檢測門5到標(biāo)識點(diǎn)的距離h3和步驟S4中的檢測門5到船舶的距離{G3，G4,...gn_2}。通過公式計(jì)算可以得出船舶測量點(diǎn)的水下吃水深度伍3，H4,...HN_2}，可以得到更高精度的通航船舶吃水量檢測結(jié)果。
[0059](H3, H4,...Hn_2} = h3- {G3，G4,...GN_2}。
【權(quán)利要求】
1.一種船舶吃水檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括單波束超聲波傳感器陣列(6)、檢測門(5)、水上基準(zhǔn)面測量裝置(3)、溫度測量裝置(8)、聲速標(biāo)定裝置(7)和吃水檢測處理單元(9);所述的單波束超聲波傳感器陣列￠)由多個單波束超聲波傳感器組成，所述的單波束超聲波傳感器安裝在檢測門(5)上，檢測門(5)兩端用纜繩(4)固定在水下，并在纜繩(4)水面以上部分設(shè)置標(biāo)識點(diǎn)；所述的聲速標(biāo)定裝置(7)包括已知遮擋距離的遮擋裝置，所述的遮擋裝置包括長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置，分別安裝在檢測門(5)的兩側(cè)，通過長距離遮擋超聲波裝置和短距離遮擋超聲波裝置來反射檢測門(5)兩側(cè)的一個或多個單波束超聲波傳感器發(fā)射的超聲波；所述的吃水檢測處理單元(9)包括補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊和吃水檢測處理模塊，所述的補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊用來構(gòu)建和存儲聲速表，所述的吃水檢測處理模塊計(jì)算得出船舶吃水量；所述的溫度測量裝置(8)安裝在每一個單波束超聲波傳感器附近并將測量的溫度值輸入到補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊；所述的水上基準(zhǔn)面測量裝置(3)安裝在纜繩(4)標(biāo)識點(diǎn)處。
2.一種船舶吃水檢測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:包括以下步驟: A、檢測門(5)安裝深度測量 通過測距儀測得水上基準(zhǔn)面測量裝置⑶測得標(biāo)識點(diǎn)距水面的距離h2，由于標(biāo)識點(diǎn)距檢測門(5)的距離h已知，故通過以下公式計(jì)算檢測門(5)在水下深度h3:
h3 = B、聲速標(biāo)定 聲速標(biāo)定裝置(7)通過遮擋裝置已知的超聲波的傳播距離d和單波束超聲波傳感器測得的飛行時間t，通過以下公式計(jì)算得出實(shí)時聲速值；
v = d\t C、預(yù)先測得聲速表 工作前，用聲速標(biāo)定裝置(7)預(yù)先構(gòu)建檢測門(5)安裝位置在渾水、略渾水、清水不同水質(zhì)情況的聲速與溫度關(guān)系表；在一定范圍內(nèi)，聲速VT和溫度T滿足VT = V0+K (T-T0)的關(guān)系; D、修訂預(yù)先測得聲速表 工作時，用聲速標(biāo)定裝置(7)實(shí)時計(jì)算聲速-溫度修訂值；用聲速標(biāo)定裝置(7)中的長距離遮擋超聲波裝置標(biāo)定一個長距離屯的平均聲速％值，用聲速標(biāo)定裝置(7)中的短距離遮擋超聲波裝置標(biāo)定一個短距離d2的平均聲速％值；聲速標(biāo)定裝置(7)精確測得超聲波的飛行時間和聲速標(biāo)定裝置(7)遮擋的單波束超聲波傳感器附近的溫度測量裝置(8)測量的溫度值，根據(jù)已知聲速標(biāo)定裝置(7)測量距離，計(jì)算聲速標(biāo)定裝置(7)所處位置平均聲速；采用聲速標(biāo)定裝置(7)中的長距離遮擋超聲波裝置和聲速標(biāo)定裝置(7)中的短距離遮擋超聲波裝置測出吃水檢測門(5)不同測量距離和不同溫度條件的平均聲速；具體修訂步驟如下: 當(dāng)船舶的吃水量在聲速標(biāo)定裝置(7)的長距離遮擋面的上表面以上或附近的船舶，轉(zhuǎn)步驟D1 ;當(dāng)船舶的吃水量在聲速標(biāo)定裝置(7)的短距離遮擋面的上表面以下或附近的船舶，轉(zhuǎn)步驟D2 ;當(dāng)船舶吃水位置在聲速標(biāo)定的長距離遮擋面和短距離遮擋面之間船舶，轉(zhuǎn)步驟D3 ； D1、使用聲速標(biāo)定裝置(7)中的長距離遮擋面的聲速值％和溫度值1\修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的\和?；值；轉(zhuǎn)步驟E ； D2、使用聲速標(biāo)定裝置(7)中的短距離遮擋面的聲速值％和溫度值'修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的\和?；值；轉(zhuǎn)步驟E ； D3、使用聲速標(biāo)定裝置(7)的長距離屯和短距離d2組合修訂法；通過公式:
V = 2* [ (t-t2) * (屯-似 / (t「t2) +d2] /1 計(jì)算出平均聲速\和測得的溫度T5修訂預(yù)先測得聲速表，即得到新的％和?；值； Ε、查詢聲速值 通過檢測門(5)上的溫度測量裝置(8)，將實(shí)測的溫度值輸入補(bǔ)償標(biāo)定預(yù)處理模塊查詢聲速表得出聲速值； F、計(jì)算吃水檢測結(jié)果 吃水檢測處理單元(9)根據(jù)單波束超聲波傳感器測得的飛行時間和步驟Ε中修訂后的準(zhǔn)確聲速值的乘積得出檢測門(5)到船舶的距離h4;檢測門(5)的深度匕與檢測門(5)到船舶的距離h4的差為船舶的吃水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果。
【文檔編號】G01B17/00GK104386216SQ201410606233
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】熊木地, 陸雷, 劉新建, 張慧 申請人:大連海事大學(xué)